鉆孔壓灌后插鋼筋籠灌注樁在黏性土層中的應(yīng)用

李 陽，邢 威

（1.北京路橋瑞通養(yǎng)護(hù)中心有限公司，北京 101300；2.北京市海淀區(qū)市政服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100089）

1 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁概述

鉆孔壓灌后插鋼筋籠灌注樁是利用鉆機(jī)鉆孔后通過鉆桿中心通道泵送混凝土并壓至孔中，等混凝土達(dá)到一定量后再將鋼筋籠吊入混凝土中，最后形成鋼筋混凝土灌注樁[1]。長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁具有污染小、工期短、成樁質(zhì)量好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，且此種工藝適應(yīng)于多種復(fù)雜的地質(zhì)條件，不受地下水位的影響，被廣泛地應(yīng)用在樁基工程的承載樁[2]，特別在硬塑黏性土層中，相較其他樁型，可快速成樁，具有功效高、樁體密實(shí)、承載力高等特點(diǎn)，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。下文將以一個(gè)工程實(shí)例論述長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁在硬塑黏性土層中的應(yīng)用情況。

2 工程概況

該工程路基以填方形式通過。正線地基處理采用方樁加固，樁長(zhǎng)28 m，截面尺寸為0.45 m×0.45 m，設(shè)計(jì)單樁承載力最大為1 289 kN，正方形布置，樁間距2.4 m。

3 地質(zhì)、水文、試樁情況

3.1 地質(zhì)情況

該工程路基以填方形式通過黃淮沖積平原區(qū)，地形平坦、開闊，地表水系發(fā)育，河渠縱橫，交織如網(wǎng)。地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、細(xì)砂、中砂等。地基土類型形式見表1。

表1 地基土類型

3.2 水文情況

本段范圍內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水和承壓水，孔隙潛水主要賦存于第四系全新粉土中，水位埋深0.6～2.5 m，承壓水主要賦存于上更新統(tǒng)粉土、砂類土層中。地下水主要接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，水位年變化幅度不大。

3.3 原設(shè)計(jì)方樁試樁情況

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)采用靜壓法進(jìn)行了3根方樁試樁施工。第一根樁樁尖進(jìn)入5-11 Q3al+p11黏土層，明顯進(jìn)尺困難，最終壓力值2 450 kN，最終壓入深度25.5 m；第二根方樁靜壓施工，當(dāng)壓入深度達(dá)到25 m后，仍然進(jìn)尺困難，最終壓力值2 573 kN，最終壓入深度25.57 m；由于前兩根樁均未能靜壓到設(shè)計(jì)深度，為查找原因，繼續(xù)獲取工藝試驗(yàn)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)開始進(jìn)行了第三根工藝試樁施工，但仍然無法靜壓至設(shè)計(jì)深度，最終壓力值2 940 kN，最終壓入深度25.3 m，在繼續(xù)加大壓力至3 440 kN時(shí)，壓樁機(jī)抱箍出現(xiàn)明顯打滑現(xiàn)象，此時(shí)方樁僅下沉8 cm，沉入深度為25.38 m。

經(jīng)總結(jié)分析，方樁進(jìn)入的持力層Q3al+pl1黏土層，其承載力為160 kPa，為硬塑黏土層，土質(zhì)十分堅(jiān)硬，這是造成方樁難以下沉的主要原因。但根據(jù)設(shè)計(jì)要求該區(qū)域方樁樁尖必須進(jìn)入持力層不小于2 m，否則無法滿足規(guī)范要求，因此不能變更縮短樁長(zhǎng)。

4 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁施工情況

4.1 施工參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合該段路基地質(zhì)條件及地形地貌，擬在本段路基采用適用于該類硬塑黏土層的長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁，試樁施工參數(shù)如下：試樁6根，樁長(zhǎng)28 m，樁徑0.6 m，按照正方形布置，間距2.4 m；樁體材料按C30混凝土設(shè)計(jì)，坍落度為220～260 mm；鉆進(jìn)速度為2.9～3.4 m/min，提鉆速度為2.4～2.8 m/min。

4.2 鉆孔灌注樁工程施工工藝

4.2.1 施工機(jī)械

根據(jù)試樁的樁徑、樁長(zhǎng)等參數(shù)，選取YTZ30長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)，成樁深度0～30 m，成樁直徑400～600 mm，鉆桿轉(zhuǎn)速21.7 r/min，最大輸出扭矩48.4 kN·m，主、副卷揚(yáng)單繩提升力分別為80 kN、30 kN。

4.2.2 工藝流程

（1）原地面處理

施工范圍內(nèi)原地面處理直接采用人工配合機(jī)械清除表層植被，挖除樹根，并對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整密實(shí)，其承載力應(yīng)滿足機(jī)械作業(yè)要求，并做好臨時(shí)排水設(shè)施。

（2）測(cè)量放樣

由測(cè)量人員逐根確定試樁位置，并通過插竹簽臨時(shí)標(biāo)記，尺量復(fù)核無誤后在孔內(nèi)灌白灰標(biāo)記。

（3）鉆機(jī)就位

長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)就位后調(diào)整鉆桿垂直度并對(duì)準(zhǔn)樁位中心，鉆桿中心與樁位偏差應(yīng)不大于50 mm，鉆機(jī)就位后鉆機(jī)底座應(yīng)平穩(wěn)?，F(xiàn)場(chǎng)可通過吊垂線方法檢查鉆桿垂直度，確保其偏差不大于1%。在鉆機(jī)塔架上標(biāo)記出入土深度，便于鉆進(jìn)深度的控制。

（4）成孔、成樁

關(guān)閉鉆頭閥門，向下移動(dòng)鉆頭至地面開始鉆進(jìn)。鉆至設(shè)計(jì)孔深后采用混凝土輸送泵進(jìn)行壓灌混凝土施工，混凝土灌注至設(shè)計(jì)樁頂時(shí)的投料量不應(yīng)小于設(shè)計(jì)灌注量，為確保截除樁頭后的樁頂混凝土強(qiáng)度和質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土需超灌至樁頂標(biāo)高以上30 cm。

（5）清土

長(zhǎng)螺旋鉆孔法屬于排土成樁工藝，施工過程中，由挖機(jī)對(duì)排出的土及時(shí)進(jìn)行清除，混凝土灌注完成后，樁頂四周應(yīng)平整，并由人工對(duì)樁頂混凝土面上的泥土進(jìn)行清除。

（6）鋼筋籠加工、下放

現(xiàn)場(chǎng)采用15 m長(zhǎng)鋼筋籠，在鋼筋加工場(chǎng)加工完成后使用平板車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)上的卷揚(yáng)機(jī)或汽車吊進(jìn)行起吊下放。樁身混凝土灌注完成后應(yīng)立即進(jìn)行鋼筋籠插入施工（如圖1所示）。鋼筋籠下放時(shí)，在頂部設(shè)置1臺(tái)平板振動(dòng)器，先依靠鋼筋籠自重緩慢下沉，鋼筋籠下放困難時(shí)，開啟平板振動(dòng)器，確保鋼筋籠下放至設(shè)計(jì)深度。鋼筋籠下放速度應(yīng)控制在1.2～1.5 m/min，下沉過程中，由專人負(fù)責(zé)檢查和指揮，確保鋼筋籠始終保持垂直。

圖1 鋼筋籠吊放示意圖

（7）樁間土開挖

試樁施工完畢后應(yīng)注意對(duì)施工后的樁頭進(jìn)行保護(hù)，防止重型機(jī)械碾壓，待樁體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后開始清理樁間土，采用小型機(jī)械配合人工進(jìn)行清除，避免造成樁頂標(biāo)高以下的樁身斷裂和樁間土的擾動(dòng)。

4.3 施工技術(shù)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

4.3.1 鉆機(jī)注意事項(xiàng)

鉆進(jìn)進(jìn)尺過程中每鉆進(jìn)1 m或電流表突變時(shí)記錄一次電流值變化，并將地質(zhì)情況、鉆進(jìn)速度一并記錄。若達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)時(shí)，電流值出現(xiàn)減少的趨勢(shì)應(yīng)及時(shí)與設(shè)計(jì)地質(zhì)相對(duì)比，確保樁尖按設(shè)計(jì)要求深入持力層土層。鉆進(jìn)過程中應(yīng)有技術(shù)人員旁站，鉆進(jìn)速度宜控制在2.9～3.4 m/min，達(dá)到指定位置后需要空轉(zhuǎn)30 s左右，從而保證樁徑大小符合設(shè)計(jì)要求、鉆渣清除徹底，并起到護(hù)壁的作用。先將鉆桿上提20 cm后再泵送混凝土，當(dāng)鉆桿頂端排氣孔有混凝土漿液噴出后可判斷鉆桿中心管內(nèi)已經(jīng)充滿了混凝土，這時(shí)勻速提管將提管速讀控制在2.4～2.8 m/min，拔管過程中應(yīng)控制導(dǎo)管始終埋入混合料內(nèi)1 m左右，避免旋轉(zhuǎn)鉆頭，避免泥土掉入，以免形成斷樁，施工過程中需要專業(yè)人員檢查泵壓是否正常，彎頭和鉆桿狀態(tài)是否正常，泵管是否堵塞。拔管速度相對(duì)泵料能力較小時(shí)易造成堵管，反之鉆頭與已灌注的混凝土之間易產(chǎn)生空隙，造成局部縮頸或地下水通過孔壁滲入造成斷樁。樁與墩柱相連接的情況（無承臺(tái)），墩柱鋼筋應(yīng)與樁基內(nèi)鋼筋采用單面焊接，焊接長(zhǎng)度為10倍鋼筋直徑。樁基施工完成后，嚴(yán)禁在樁周圍取土，致樁外露造成隱患。樁基檢測(cè)方式采用聲測(cè)管檢測(cè)法。

4.3.2 鋼筋籠下方技術(shù)要點(diǎn)

在鉆孔灌注樁施工過程中，鋼筋籠上浮是影響樁基工程的主要因素之一，在灌注混凝土?xí)r，通常存在鋼筋籠上浮現(xiàn)象，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是鋼筋籠受到泥漿和新拌混凝土向上的浮力與向下運(yùn)動(dòng)時(shí)與泥漿混凝土產(chǎn)生的端頭阻力與摩擦力之和大于自身重力與固定機(jī)械的錨固力。鋼筋籠上浮會(huì)影響灌注樁的質(zhì)量，也是產(chǎn)生塌孔的主要原因，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起工程事故，造成工程延期以及經(jīng)濟(jì)損失。為避免鋼筋籠上浮應(yīng)在灌注混凝土的過程中應(yīng)注意以下三個(gè)施工階段。

第一階段：混凝土液面、導(dǎo)管都在鋼筋籠底部以下。在該階段，剛開始灌注混凝土，鋼筋籠未接觸到混凝土。此時(shí)，由于混凝土液面距離鋼筋籠底端還有一段距離，兩者沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故該階段鋼筋籠沒有受到向上的合力（包括側(cè)粘力、摩擦力、端頭阻力）。鋼筋籠受到的合力作用主要包括自身的重力G，泥漿給的浮力F1，這個(gè)階段上浮力弱，F(xiàn)1幾乎為零，G遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F1。這個(gè)階段浮力可以忽略，只要避免泥團(tuán)包裹鋼筋籠就可以。

第二階段：混凝土上升開始進(jìn)入鋼筋籠，導(dǎo)管在底部。這時(shí)，由于導(dǎo)管慢慢的提升，混凝土液面開始接觸鋼筋籠，而導(dǎo)管還在鋼筋籠底端。此時(shí)，鋼筋籠受到向下的合力是自身的重力G、向上合力F為泥漿的浮力F1和混凝土給予合力F2（側(cè)粘力、摩擦力、端頭阻力、浮力）。第二階段往往是最容易發(fā)生鋼筋籠上浮的階段。由于混凝土從導(dǎo)管中流出，由于其密度較大，不僅給了更大的浮力和側(cè)粘力，還給予了鋼筋籠向上的摩擦力和端頭阻力。通過之前的實(shí)驗(yàn)可以得出，在同等條件下，鋼筋籠上浮幾率會(huì)隨著鋼筋籠根數(shù)、主筋直徑、圈直徑、的增大而增大，也就是說鋼筋籠越大施工難度越大。在同等條件下，隨著混凝土液面上升上浮力越大，也就是說隨著施工的推進(jìn)，施工難度越大。

第三階段：混凝土液面逐漸蓋住鋼筋籠、導(dǎo)管也進(jìn)入鋼筋籠。在該階段，灌注混凝土的持續(xù)進(jìn)行并勻速提管，導(dǎo)管也開始進(jìn)入鋼筋籠，混凝土液面持續(xù)上升。此時(shí)，鋼筋籠受到的合力作用主要包括自身的重力G、泥漿的浮力F1、混凝土給予的合阻力F合（側(cè)粘力、摩擦力）和鋼筋籠下部混凝土對(duì)其的錨固力F2。由于導(dǎo)管進(jìn)入鋼筋籠內(nèi)部，此時(shí)鋼筋籠受到向上的阻力少了端頭阻力，同時(shí)隨著混凝土液面的持續(xù)上升，初始的混凝土給予了向下的錨固力，使得向上合力減小而向下的合力增大，故鋼筋籠受到的總合力還是向下的。下部凝固的混凝土給予的錨固力在持續(xù)變大，故比較安全。

4.3.3 灌注泥漿和混凝土的注意事項(xiàng)

首先，泥漿和混凝土指標(biāo)也很重要，是保證灌注樁質(zhì)量的主要因素，級(jí)配必須嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求，水泥不得低于42.5的普通硅酸鹽，碎石大小直徑需要控制在（5-16 mm）∶（16-25 mm）=4∶6；加1%的外加劑，并提前充分?jǐn)嚢瑁ＷC良好的和易性。灌注前，清孔工作很重要，將孔里殘留的巖粉和殘?jiān)ㄟ^置換方式擠出孔內(nèi)泥漿填滿混凝土。置換后孔內(nèi)泥漿相對(duì)密度在1.0～1.1之間，減小了混合漿體的密度，防止了泥漿粘稠凝結(jié)阻礙下放鋼筋籠。另外清理好樁孔周圍土塊以防止掉下產(chǎn)生斷樁或者塌孔等現(xiàn)象。其次，需要把握好混凝土凝結(jié)時(shí)間，如果施工有耽誤可適當(dāng)添加緩凝劑，這樣既能保持混凝土良好的和易性也能保證灌注過程中混凝土有足夠的流動(dòng)性，從而降低鋼筋籠下放阻力。最后控制好溫度、運(yùn)輸距離和塌落度。當(dāng)混凝土到達(dá)施工地點(diǎn)時(shí)，檢查均勻性和塌落度是否符合要求。一般樁徑＜1.5 m時(shí)，混凝土塌落度為180～220 mm；樁徑＞1.5 m時(shí)，混凝土塌落度適為160～200 mm。

4.4 試樁效果

對(duì)6根試樁均進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測(cè)，低應(yīng)變檢測(cè)：所檢測(cè)6根樁的樁身完整性均合格；靜荷載試驗(yàn)：所檢測(cè)6根樁的單樁豎向抗壓承載力特征值為1 289 kN，滿足設(shè)計(jì)要求；取芯檢驗(yàn)：所檢測(cè)的6根CFG樁其樁身砼連續(xù)、完整、斷口較吻合，砼膠結(jié)良好，抽檢部分砼強(qiáng)度代表值≥30 Mpa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁在硬塑黏性土層中可正常成樁，且成樁質(zhì)量較好，樁身強(qiáng)度及承載力均滿足要求[3]。

5 結(jié)束語

作為一種施工簡(jiǎn)便的地基處理新技術(shù)，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠灌注樁在硬塑黏性土層中的成功應(yīng)用，保證了現(xiàn)場(chǎng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的成樁質(zhì)量，其廣泛的適應(yīng)性、高效的成樁方式和良好的工程效果確保了地基處理的順利進(jìn)行，為后期的土方填筑打下了基礎(chǔ)，從而加快了施工速度，為工程的順利開展創(chuàng)造了條件。