高水位下軟巖旋挖擴(kuò)底樁的工程應(yīng)用

彭柏興

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410007)

1 前 言

旋挖鉆孔是一種新型的灌注樁施工工藝，適用于填土、黏性土、粉土、砂土、碎石土、風(fēng)化巖等地層。自20世紀(jì)80年代后期引進(jìn)國內(nèi)以來，旋挖鉆機(jī)以其高效、低噪、環(huán)保、成孔質(zhì)量相對較高以及機(jī)械化程度高等優(yōu)點得到越來越廣泛的應(yīng)用[1～4]。特別是隨著旋挖擴(kuò)底樁的出現(xiàn)，旋挖樁的應(yīng)用范圍得到了更廣泛的拓展[5，6]。

工程實踐證明，旋挖鉆機(jī)在施工過程中，當(dāng)鉆頭周圍側(cè)阻力大時，如果鉆頭升降速度較快，鉆頭外壁和孔壁之間的泥漿對樁壁形成沖刷，再加上鉆頭下部產(chǎn)生的負(fù)壓作用，易造成孔壁徑縮、坍塌，從而影響施工效率與成樁質(zhì)量。因此，在松散、富水、強(qiáng)滲透性等類特殊地層中施工時，需要采取一定的輔助措施[7～10]。本文結(jié)合工程實例，介紹了高地下水位，富水砂、卵石下的極軟巖中采用袖閥管注漿結(jié)合旋挖擴(kuò)底的組合施工工藝，旨在為旋挖擴(kuò)底樁在類似條件下的應(yīng)用提供參考。

2 場地工程地質(zhì)條件

場地屬于瀏陽河沖積階地，地面標(biāo)高 33.33 m～36.99 m。地層組成如下[11]：

①填土<1-3>：褐黃、褐灰色，松散～稍密狀，以可塑狀黏性土為主，含礫石等硬質(zhì)雜物15%。層厚 0.3 m～4.7 m。

②耕土<1-4>：灰褐色，濕-很濕，可塑狀為主，含少量植物根及礫石。層厚 0.3 m～0.9 m。

③粉質(zhì)黏土<2-1>：褐黃夾灰白色，硬塑狀，含黑色鐵錳質(zhì)氧化物，底部含粉細(xì)砂。層厚 0.6 m～5.3 m。

④粉土<2-2>：褐黃，褐灰，濕，稍密狀，含粉細(xì)砂及云母片?？紫侗?.586～0.958、孔隙率37%～49%。層厚 0.3 m～3.8 m。

⑤粉細(xì)砂<2-3>：褐黃，很濕-飽和，稍密狀，級配一般，N=3～11擊，層厚 0.3 m～4.8 m。

⑥卵石<2-5>：褐黃，飽和，中密狀，石英質(zhì)，亞圓形，磨圓度較好。卵石含量50%～60%，最大粒徑達(dá) 6 cm，一般粒徑 20 mm～30 mm，粗砂充填。動力觸探6擊～21擊，層厚 0.3 m～5.3 m。

⑦強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<5-1>：褐紅，泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，極軟巖。巖芯碎塊狀、短柱狀，頂部 20 cm為堅硬狀殘積粉質(zhì)黏土。層厚 0.2 m～5.6 m。

⑧中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<5-2>：褐紅，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，極軟巖。巖芯以長柱狀為主，塊狀、碎塊狀次之。該層鉆孔控制厚度 3.0 m～21.21 m。

主要巖土參數(shù)見表1，典型地質(zhì)剖面見圖1。

主要巖土參數(shù)表 表1

圖1典型地質(zhì)剖面圖

地下水主要為賦存于粉細(xì)砂<2-3>和卵石<2-5>中的孔隙承壓水。粉細(xì)砂的滲透系數(shù)為 5.78 m/d，卵石層滲透系數(shù)高達(dá) 51.74 m/d?？辈炱陂g初見水頭埋深 0.80 m～6.10 m、初見水位 26.98 m～32.52 m，穩(wěn)定水位 28.82 m～33.87 m。

在高速公路路基的實際施工過程中，通常會出現(xiàn)不同程度的高度差，又由于路基排水系統(tǒng)存在一定的問題，這就會導(dǎo)致出現(xiàn)雨水等外界水在路基內(nèi)積存的問題，并且會隨著時間的推移，慢慢出現(xiàn)滲透至路基內(nèi)部的問題，這就會在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中和水產(chǎn)生某些反應(yīng)，進(jìn)而使公路出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象。

3 樁基選型分析

根據(jù)地坪設(shè)計標(biāo)高為36.50 m，屬大面積填方區(qū)，不適用采用天然地基或人工處理地基，故采用樁基礎(chǔ)。結(jié)合長沙地區(qū)經(jīng)驗，在該條件下通?？刹捎玫臉缎陀蓄A(yù)應(yīng)力管樁、鉆(挖/沖)孔灌注樁、CFG樁，結(jié)合場地工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件及工程結(jié)構(gòu)特點，上述樁型的優(yōu)、缺點分析如下：

3.1 預(yù)應(yīng)力管樁

承載力高、施工速度快，以強(qiáng)風(fēng)化軟巖作為樁基持力層時，具有較大的地基潛力。不足之處是場地內(nèi)廣泛分布有厚度不一的卵石<2-5>，管樁穿透該層難度大，以卵石<2-5>作為樁端持力層時，又會造成樁長控制困難，無法避免截樁、接樁及樁長不足等問題。此外，長沙地區(qū)常用錘擊法施工預(yù)應(yīng)力管樁，極易造成樁頭破損和施工噪聲，而靜壓法施工在本場地地質(zhì)條件下難以保證承載力能力和貫入度要求。

更重要的是，綜合基地存在上蓋物業(yè)，建筑結(jié)構(gòu)存在抗震超限問題，管樁在抗震設(shè)計方面沒有優(yōu)勢而被專家們否定。

3.2 人工挖孔灌注樁

屬于大直徑樁的范疇，也是長沙地區(qū)高層建筑常用的基礎(chǔ)型式。具有承載力高、質(zhì)量易保證，經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，本場地的強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖都可作為人工挖孔灌注樁的持力層。

但工程場地位于瀏陽河的沖積階地上，含水層厚度大且地下水豐富、具承壓性。人工挖孔樁施工時必須降水或止水，對周邊環(huán)境及附近居民生活用水影響很大。同時，人工挖孔施工危險性大，存在施工安全風(fēng)險。

3.3 長螺旋鉆孔灌樁(CFG)

本地區(qū)多應(yīng)用于人工挖孔樁施工困難、地下水豐富地段。一般以復(fù)合地基的形式出現(xiàn)。其特點是不受地下水影響、施工速度較快，施工經(jīng)驗較成熟。缺點是難以通長配筋，樁身的抗水平力相對較差，且難以穿過中風(fēng)化巖。對本工程而言，該樁型在承載力與抗震設(shè)防兩方面均無優(yōu)勢。

3.4 機(jī)械鉆(挖/沖)孔灌注樁

其優(yōu)點是受地下水的影響小，但缺點也很突出，尤其在泥質(zhì)粉砂巖這類黏土質(zhì)軟巖中，采用該類工法易因浸水軟化而降低巖基承載力，同時在中風(fēng)化巖中擴(kuò)底困難，難以充分地用基巖的端阻力，同時，施工造成的泥皮效應(yīng)也會降低樁側(cè)巖層對承載力的貢獻(xiàn)，還需考慮泥漿排放對環(huán)境的影響，工期較長。不論是采用較大直徑的樁基來提高端阻力的分擔(dān)比還是采用增加樁長來增加摩阻力的貢獻(xiàn)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明均不如擴(kuò)底樁有優(yōu)勢。

3.5 旋挖施工直孔+人工擴(kuò)底方案

圖2 高水位條件下旋挖施工塌孔現(xiàn)象

經(jīng)綜合分析，最終采用旋挖擴(kuò)底樁，直樁部分樁徑為 1 m，樁長 18.8 m～19.4 m，樁芯混凝土為C45標(biāo)號進(jìn)行澆筑，要求達(dá)到C40強(qiáng)度，樁底由 1 m擴(kuò)底至 2.0 m，擴(kuò)大頭要求入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖不小于 2.00 m，為端承樁。

4 基本原理與工程措施

4.1 基本原理

旋挖機(jī)的傘式擴(kuò)底鉆頭是在普通擴(kuò)底鉆頭基礎(chǔ)改進(jìn)而成，即在鉆頭底部增加一個環(huán)形底盤，底盤下面周邊布有鉆齒，可向下鉆進(jìn)；底盤上部有立柱，能通過下翼帶動底盤。擴(kuò)孔鉆頭下翼鉆齒外緣與水平方向成45°(如圖3所示)。當(dāng)擴(kuò)底鉆頭放到孔底后，通過鉆桿向鉆頭加壓，鉆頭兩側(cè)翼臂向兩側(cè)擴(kuò)張，形成擴(kuò)孔。擴(kuò)孔到位后，鉆頭兩側(cè)翼臂下降，通過立柱限位，帶動底盤轉(zhuǎn)動，從而向下擴(kuò)底。

當(dāng)設(shè)計嵌巖深度較深時，可進(jìn)行分段擴(kuò)孔。擴(kuò)孔至整個鉆頭埋入鉆渣內(nèi)時，將擴(kuò)底鉆頭提出，換成平底清渣斗進(jìn)行清渣(如圖4所示)，清渣完成后，換擴(kuò)底鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，重復(fù)上述工序，可完成擴(kuò)孔。

圖3 旋挖擴(kuò)底鉆頭

圖4平底清渣斗清渣

4.2 注漿方案比選

場地地下水位高，含水層厚度大，滲透性強(qiáng)，采用取土樁施工穿越含水層時，因水頭差作用容易在粉土、粉細(xì)砂地層中發(fā)生塌孔現(xiàn)象，難以成樁，必須采取隔水或止水固壁措施。

圖5 袖閥管注漿布置示意圖

通過綜合分析，確定采用袖閥管注漿固結(jié)粉土、粉砂及砂卵層，降低強(qiáng)透水層的滲透性同時增強(qiáng)樁孔側(cè)壁的穩(wěn)定性。注漿孔深入含水層下的強(qiáng)風(fēng)化巖 0.50 m，每孔注漿長度約為 8 m，擴(kuò)散影響半徑按 0.5 m估算。袖閥管布置如圖5所示，注漿采用水泥漿，配合比采用水：水泥=1∶1。注漿完成后，在距注漿孔 40 cm處鉆探取芯以驗證效果。

共選取3根工程樁采用袖閥管不同的注漿孔數(shù)(圖5)及注漿參數(shù)(壓力、注漿量)進(jìn)行試驗。結(jié)果表如表2所示，注漿量與注漿孔的數(shù)量，注漿冒漿情況及壓力關(guān)系密切。

試驗樁注漿參數(shù)與注漿量對比表 表2

4.3 旋挖成孔及擴(kuò)底

旋挖鉆機(jī)采用南車TR250D型，鉆桿為機(jī)鎖桿，直挖采用 1 m直徑筒式鉆頭，擴(kuò)大頭鉆頭采用傘式擴(kuò)底鉆頭，擴(kuò)底直徑從 1 m～2 m，行程 40 cm至擴(kuò)大頭完全張開。

施工工序如下：袖閥管注漿筒→筒式鉆頭直挖→持力層確認(rèn)→傘式鉆頭擴(kuò)底→清渣→泥漿置換→下鋼筋籠→二次清渣→澆灌混凝土，泥漿置換時，導(dǎo)管距孔底 50 cm，混凝土為C45，水下連續(xù)灌注，間歇時間在 10 min～15 min。

各樁從直樁成孔到澆筑混凝土期間，孔壁未見坍塌現(xiàn)象，說明袖閥管加固砂層方法達(dá)到了預(yù)期效果。各試挖樁進(jìn)尺、耗時、泥漿參數(shù)、砼量及總耗時如表3所示。

試驗樁的規(guī)格、時耗，泥漿參數(shù)及砼量 表3

5 試樁的靜載試驗及應(yīng)用效果

當(dāng)試驗樁的樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%以上時，對單樁豎向承載力進(jìn)行樁基豎向靜載試驗。

試驗遵循《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)[12]，采用堆載法。由型鋼梁和鋼筋混凝土條搭成堆載平臺，上面均勻堆砼預(yù)制鋼筋混凝土塊，構(gòu)成加載反力系統(tǒng)(如圖6所示)，檢測結(jié)果匯總表如表4所示。

單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果表 表4

圖6 靜載試驗示意圖

根據(jù)本次試驗結(jié)果及Q～s曲線分析(如圖7所示)，該3根樁單樁豎向抗壓承載力特征值均大于或等于設(shè)計承載力特征值 7 100 kN，滿足設(shè)計要求。

圖7 試驗樁Q-S曲線

根據(jù)試樁及靜載檢測分析，采用袖閥管加固地下松散層后，使用旋挖機(jī)械成樁的施工方案，從進(jìn)度、質(zhì)量、安全等各方面均能夠得到保證，同時，在工程造價方面也較增加樁數(shù)量、加大樁長改為摩擦樁等方案有大幅降低。因此，該施工方案可以用于大規(guī)模正式施工。

最終采用5孔注漿，先行注漿、再旋挖擴(kuò)底方法，在工期范圍內(nèi)圓滿完成了工作量，后續(xù)檢測及建筑物變形觀測結(jié)果表明該方法是成功的。

6 結(jié) 語

通過工程實踐，在高水位、富水地層中，采用袖閥管注漿+旋挖機(jī)嵌巖擴(kuò)底施工工藝可行，值得類似條件下參考。

(1)通過袖閥管注漿，能有效對高水位下的粉土及粉細(xì)砂進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，并降低其滲透性，減少旋挖樁施工對樁壁穩(wěn)定的影響。

(2)在保證樁孔穩(wěn)定的前提下，旋挖機(jī)可達(dá)到對軟巖擴(kuò)底的目的，其施工效率較傳統(tǒng)鉆頭高。

(3)樁基靜載試驗結(jié)果表明，通過旋挖擴(kuò)底后，基樁承載力滿足要求，值得類似工程借鑒。