螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁在復雜土層中的應(yīng)用研究

燕練武，袁 烽，樊軍讓

(1.西安建筑科技大學 建筑設(shè)計研究院， 陜西 西安 710055；2.陜西圓極巖土科技發(fā)展有限公司， 陜西 寶雞 721000)

螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁是一種“上部為圓柱形，下部為螺絲型”的組合式混凝土灌注樁，螺桿樁技術(shù)是在長螺旋鉆孔灌注樁和日本鋼纖維全螺紋預制樁的基礎(chǔ)上研制成功的，采用全液壓樁機鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓土體泵壓混凝土成樁，不使用泥漿護壁，成樁效率高，節(jié)約混凝土。其中螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁技術(shù)能有效提高和充分發(fā)揮樁側(cè)阻力的作用，提高承載力。主要適用于粉土、非飽和性黏土、各類砂層，粒徑小于30 cm(含石量≤50%)的卵石層、強風化巖層等土層。

國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域，沈保漢等[1-2]對螺桿灌注樁相關(guān)施工技術(shù)進行了介紹分析，并闡明其優(yōu)勢。高振宇等[3]對螺桿灌注樁的承載力及經(jīng)濟性進行了研究，均為后續(xù)研究提供了借鑒及依據(jù)。

本文中項目所在場地的土層則由粉土、角礫、碎石、卵石、磚塊、混凝土塊及少量生活垃圾、變質(zhì)巖、花崗巖、石英巖等組成，其復雜程度超出了螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁的適用范圍，出現(xiàn)鉆孔困難的情況，而采用傳統(tǒng)灌注樁技術(shù)則存在塌孔、鉆孔困難、沉渣、單樁豎向抗壓承載力低等更多情況。結(jié)合這一實際工程，經(jīng)過對機械旋挖灌注樁、后注漿機械旋挖灌注樁以及螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁的多種方案比較及對螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁的設(shè)備及部分工藝的改進、試驗、結(jié)果對比等環(huán)節(jié)，解決了塌孔、沉渣、鉆孔困難等難題，最終成功的將螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁拓展應(yīng)用到這一復雜的地質(zhì)中，為以后類似工程積累了成功的經(jīng)驗，并為螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁這一技術(shù)的進一步完善積累了寶貴資料。

本文對機械旋挖灌注樁、后注漿機械旋挖灌注樁以及螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁這三種樁型在本場地中的應(yīng)用優(yōu)劣及試驗數(shù)據(jù)做了比較，闡述了改進后的螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁在這一項目中應(yīng)用優(yōu)勢。

1 工程概況

該項目位于原蘭州市區(qū)，北臨黃河，距黃河河堤約6 m～7 m左右，主樓為高度93.90 m，地上共十六層的框架-剪力墻混凝土建筑，基礎(chǔ)埋深為-6.550 m。場區(qū)地層上層為層厚9.80 m～17.90 m，以粉土、角礫、碎石、卵石、磚塊、混凝土塊及少量生活垃圾等混合而成的雜填土(Q4ml)，結(jié)構(gòu)松散。下層為主要成份為變質(zhì)巖、花崗巖、石英巖等，結(jié)晶骨架顆粒含量約占55%以上，余為混砂充填的卵石(Q4al)層，可做樁基持力層。場區(qū)存在地下水，水位埋深0.40 m～12.10 m，屬黃河階地潛水類型。

本工程地基處理采用了機械旋挖灌注樁、后注漿機械旋挖灌注樁以及螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁三種方案進行對比及試驗。

2 三種樁基方案的試驗數(shù)據(jù)及技術(shù)分析

2.1 機械旋挖成孔灌注樁

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果擬采取的單樁豎向承載力特征值為3 600 kN，取設(shè)計樁長為30.5 m，樁徑0.7 m，選取場地雜填土最厚的三個鉆孔土層數(shù)據(jù)帶入《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4](JGJ 94—2008)所提供的經(jīng)驗公式，可得單樁承載力如表1所示。

表1 單樁承載力計算表

由于成樁過程中鉆孔取土導致結(jié)構(gòu)松散的孔壁土體應(yīng)力釋放產(chǎn)生松弛效應(yīng)，同時對地下水原有平衡的破壞出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，雖采用了泥漿護壁、加套筒、局部沖擊成孔等措施，仍然出現(xiàn)了塌孔嚴重及鉆進難度大的問題，經(jīng)過幾次試打，最終此樁型僅一組靜載試驗得以進行。試驗所得荷載-沉降(Q-s)曲線見圖1，數(shù)據(jù)匯總于表2。

首先根據(jù)表1計算結(jié)果可知由于較厚的結(jié)構(gòu)松散雜填土無法提供有效的側(cè)阻力，導致灌注樁的單樁豎向承載力特征值并不滿足設(shè)計要求。

分析靜載試驗結(jié)果圖1及表2可以發(fā)現(xiàn)123#試驗樁在加載至3 600 kN時，樁頂荷載-沉降(Q-s)曲線呈陡降型，且本級荷載作用下的沉降量已超過前一級荷載2 880 kN作用下沉降量的5倍。加載至最大試驗荷載7 200 kN時，樁頂沉降達到相對穩(wěn)定且樁頂累計沉降量超過80 mm，終止加載。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[5](JGJ 106—2014)第4.4.2.1條及第4.4.2.2條規(guī)定，取陡降型荷載-沉降(Q-s)曲線發(fā)生明顯陡降起始點荷載值，沉降-時間對數(shù)(s-lgt)曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級荷載值為單樁豎向抗壓承載力極限值，即2 880 kN，此值遠小于計算結(jié)果及設(shè)計要求。

圖1 123#樁體靜載試驗Q-s曲線

表2 123#樁豎向靜載試驗匯總表

通過分析靜載試驗過程及數(shù)據(jù)結(jié)果，可證明此樁基方案成孔率極低，完成場地地基處理將大幅延誤工期增加成本。即便成樁也難以滿足設(shè)計承載力要求，若通過增加樁身尺寸來提高承載力，首先將明顯增加工程成本，其次樁長將伸入膠結(jié)卵石層，增加鉆進難度，延長施工周期。

2.2 后注漿機械旋挖成孔灌注樁

后注漿工藝通過預埋注漿管用一定壓力將水泥漿注入已成樁的灌注樁周，使得樁周土層被填充、壓密和固結(jié)，從而提高單樁豎向抗壓承載力[6]，有效彌補未注漿灌注樁承載力方面的不足。通過分析現(xiàn)場靜載實驗數(shù)據(jù)圖2及表3，可知在加載至10級荷載7 200 kN時，樁頂荷載-沉降(Q-s)曲線呈緩變漸降型，沒有出現(xiàn)明顯拐點，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[5](JGJ 106—2014)第4.2.2條規(guī)定，本次單樁豎向抗壓靜載試驗所測試的139#試驗樁豎向極限承載力極限值為7 200 kN，相應(yīng)特征值為3 600 kN，滿足設(shè)計要求。

表3 139#樁豎向靜載試驗匯總表

圖2 139#樁體靜載試驗Q-s曲線

后注漿工藝僅改善成樁后樁周土體性質(zhì)，成孔工藝依然采用傳統(tǒng)灌注樁方式，現(xiàn)場也僅完成一組靜載試驗，增加后壓漿雖解決了承載力不足的問題，但塌孔嚴重及鉆進難度大的問題仍然存在，并且后注漿工序的增加也提高了工程成本及工期。

2.3 螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁

螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁技術(shù)，即在施工過程中采用螺桿樁鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓土體成螺母狀，再鉆桿原地非同步正向旋轉(zhuǎn)擠壓螺母土體形成圓柱孔，后管內(nèi)泵送混凝土成樁，其成樁流程如圖3所示[7]。

由于螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁獨特的施工工藝，使得其相較傳統(tǒng)灌注樁具有如下優(yōu)勢：

(1) 鉆機成孔過程中，大扭矩旋轉(zhuǎn)擠壓土體使得樁周土體加密，避免成孔過程中由于孔壁土體應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的松弛效應(yīng)導致的塌孔。

(2) 螺桿鉆具對周圍土體具有良好的護壁作用，無需傳統(tǒng)灌注樁所采用的泥漿護壁，使得樁身與樁周土體良好接觸，充分發(fā)揮樁周側(cè)阻力從而提升單樁承載力。

(3) 傳統(tǒng)樁型取土成孔和泥漿護壁施工過程中產(chǎn)生的渣土落至樁底，形成了難以清除的虛土沉渣，一定程度上降低了樁端承載力，而螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁無虛土沉渣，從而有效提升樁端承載力。

(4) 相較傳統(tǒng)灌注樁，由于螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁樁周側(cè)阻力及樁端承載力的提升，可避免通過增加樁徑或采取后注漿等其他措施提高承載力。

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況，試打過程中，對設(shè)備進行了加大鉆機功率、增加配重、加強鉆頭強度等措施，這些改進成功解決了在較大卵石層和局部片巖中的鉆進問題。通過現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)反映，部分卵石的粒徑超過了40 cm，局部出現(xiàn)的最大巖石厚度超過1 m，遇到這種情況時，雖鉆進很慢，但經(jīng)改進后的鉆頭還是能夠完成鉆進工作，證明了對設(shè)備改進的有效性。

(a) 采用螺桿樁專用成樁設(shè)備，樁機對準樁位；(b) 鉆機下鉆正向同步旋轉(zhuǎn)鉆桿在樁長范圍擠壓土體形成直桿螺母狀土體，鉆桿原地非同步正向旋轉(zhuǎn)擠壓螺母土體后成圓柱狀土體；(c) 保持鉆桿正向旋轉(zhuǎn)和同時提升鉆桿，利用泵壓砼，通過鉆桿芯底泵壓出砼；(d) 全程泵壓砼成螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁

圖3螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁成樁流程

得益于螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁對成孔過程的改善，現(xiàn)場高效地完成了8組試驗樁，進行了靜壓承載試驗，本文選取其中三組的試驗數(shù)據(jù)如表4—表6所示。通過分析表4—表6并依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[5](JGJ 106—2014)的相關(guān)條文規(guī)定，可知抗壓靜載試驗所測試的螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁在自然含水率狀態(tài)及成樁參數(shù)相同的條件下，單樁豎向抗壓承載力極限值為7 200 kN，相應(yīng)特征值可取為3 600 kN，符合設(shè)計要求。

表4 Sza#樁豎向靜載試驗匯總表

表5 436#樁豎向靜載試驗匯總表

3 三種樁基方案的對比分析

根據(jù)三種樁基方案施工過程、力學性能的分析可歸納出如表7所示各類指標的對比情況。顯然螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁在較厚松散雜填土場地可有效成孔，解決傳統(tǒng)灌注樁的成樁問題，使得施工周期可控并且降低成孔困難所導致的施工超支。此外成孔過程無需泥漿護壁及少量取土，從而提高樁身側(cè)阻力及端阻力，在合理降低樁體尺寸的條件下，承載力仍可滿足設(shè)計要求，也可節(jié)約兩道工序的施工成本，最終降低工程造價。

4 結(jié) 論

(1) 螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁成孔過程中，鉆機大扭矩旋轉(zhuǎn)擠壓擠密樁周土體降低孔壁松弛效應(yīng)，從而有效避免傳統(tǒng)灌注樁極易出現(xiàn)的塌孔現(xiàn)象。

(2) 經(jīng)靜載荷試驗驗證，當存在較厚結(jié)構(gòu)松散的雜填土層時，螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁技術(shù)由于鉆具對樁周土體合理擠密從而提升樁周側(cè)阻力，成孔過程中無虛土沉渣使得樁端阻力提高，其單樁豎向抗壓承載力相較機械旋挖成孔灌注樁大幅增加，能夠滿足設(shè)計要求。

(3) 在設(shè)計要求相同的情況下，螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁每延米價格低于后注漿機械旋挖成孔灌注樁，略高于機械旋挖成孔灌注樁，相較后兩者其較高的成孔率及無泥漿護壁、少取土工序可節(jié)約施工成本，縮短施工周期。

(4) 經(jīng)改進后的螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁可用于粒徑大于30 cm的卵石層和存在局部巖石的土層中。

表6 326#樁豎向靜載試驗匯總表

表7 三種樁基方案對比表