長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁的施工質(zhì)量控制

高彥凱

（中鐵十一局集團(tuán)第六工程有限公司，湖北 襄陽 441003）

長螺旋鉆孔技術(shù)是基礎(chǔ)樁基中的重要工序，其用巨大的扭轉(zhuǎn)力向下切削土體，通過鉆桿上抬將切削的土體帶出土層，形成樁孔，同時進(jìn)行混凝土壓灌工序[1]。在目前的樁基施工中，已經(jīng)出現(xiàn)利用“超流態(tài)”技術(shù)制作而成的基樁，在工程實(shí)踐中效果顯著，整體施工質(zhì)量控制較好。實(shí)踐表明：使用超流態(tài)混凝土壓灌樁搭配長螺旋鉆孔的施工技術(shù)，能使基樁的單樁承載力和復(fù)合受力等整體基樁應(yīng)力傳遞更好，上部結(jié)構(gòu)施工完成后，整體沉降值及承載力優(yōu)于常規(guī)混凝土灌注樁[2]。由此說明，對長螺旋鉆孔的超流態(tài)混凝土壓灌樁施工質(zhì)量控制進(jìn)行研究，有重要意義。

1 長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)樁工藝原理

長螺旋鉆孔配合超流態(tài)混凝土，二者結(jié)合的混凝土壓灌樁能顯著提高施工質(zhì)量[3]。為研究長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)樁工藝，需要對其原理進(jìn)行分析。

長螺旋鉆孔示意如圖1 所示，通過擴(kuò)底鉆頭不斷切削，能完整填充樁底空間。在液壓擴(kuò)張組件的加壓機(jī)械運(yùn)動作用下，不斷旋轉(zhuǎn)帶來土層的運(yùn)動，形成樁孔，然后用配置好的超流態(tài)混凝土進(jìn)行壓灌填筑。與傳統(tǒng)鉆孔灌注樁相比，其特點(diǎn)是施工速度快，能使孔內(nèi)灌注不受樁土運(yùn)動的影響[4]，其灌注質(zhì)量比普通灌注樁好，不會出現(xiàn)縮徑和斷樁的情況[5]。

圖1 長螺旋鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 鉆孔及壓灌工藝的數(shù)學(xué)分析

在啟動鉆孔后，螺旋鉆機(jī)葉片隨軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，切削土塊隨鉆桿提升至孔口，將鉆屑帶出，如圖2 所示。確定鉆桿鉆孔的角速度ω，葉片鉆孔帶出的離心力使土層中土塊向樁孔壁四周運(yùn)動，不斷與形成的孔壁接觸而形成摩擦阻力F；如果要使土塊沿葉片向上運(yùn)動，必須有克服土塊重力的反作用力和葉片旋轉(zhuǎn)與土塊間產(chǎn)生的摩擦力，該力學(xué)統(tǒng)一狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）所示。

圖2 長螺旋葉片鉆孔提升過程

式中：k1和k2分別為兩個方向的分力F1和F2的組合系數(shù)，賦值在0～1，通常由地質(zhì)情況和鉆桿角速度ω的值及方向決定。G為長螺旋鉆桿的自重。

為使壓灌順利工作，而不發(fā)生噴漿或壓入困難。需要對提升土體螺旋速度進(jìn)行研究。在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)長螺旋鉆處于低速旋轉(zhuǎn)時，輸送至地面的土呈條狀；而當(dāng)高速作業(yè)時，輸送至地面的土呈球狀。由此可知，低速工況下，土是被擠到地面；高速工況下，土體是沿葉片滑滾而出的。因此，土體螺旋提升速度v如公式（2）所示。

式中：n為鉆桿轉(zhuǎn)速均值；vt為切削速度；R1為長螺旋葉片半徑；R2為軸半徑。

通過上述分析，可以確認(rèn)在長螺旋鉆孔壓灌過程中，實(shí)際鉆進(jìn)速度與ω、n關(guān)系很大。土體螺旋提升速度v提升，鉆進(jìn)速度也會提升。當(dāng)確定鉆桿轉(zhuǎn)速ω時，需要以壓灌速度是否能滿足克服土體螺旋提升速度為充分條件。

1.2 超流態(tài)混凝土流變分析

超流態(tài)混凝土流動方式基于壓灌工藝，因此需要以葉片旋轉(zhuǎn)帶動切削土塊，并充分與混凝土拌合為基礎(chǔ)，并且在土層中能克服有關(guān)摩阻力和土體抬升速度[6]。

在長螺旋鉆孔壓灌樁施工過程中，對需要壓灌的超流態(tài)混凝土來說，需要確認(rèn)其流動及變形方式。計(jì)算流變速度如公式（3）所示。

式中：v為超流態(tài)混凝土流變速度；τ為混凝土的切應(yīng)力；η為塑性黏度；τ0為屈服強(qiáng)度。

通過公式（3），可以得出線性與非線性的兩種超流態(tài)混凝土流變速度趨勢模型，如圖3 所示。

圖3 超流態(tài)混凝土流變模型

超流態(tài)混凝土的流變性質(zhì)非常突出，需要用性能較好的水泥配置，通常采用強(qiáng)度低的水泥，其整體水化作用相對較弱，不會出現(xiàn)過于飽和的情況。此外，在使用外加劑的過程中，需要仔細(xì)篩選活性、細(xì)度以及礦物摻料。

2 灌注工藝的力學(xué)問題

2.1 庫倫土壓力分析

壓灌工藝需要克服土體強(qiáng)大自生壓力，填筑抽空部位，從而保證新狀態(tài)下的力學(xué)平衡。在工程實(shí)踐中，鉆孔壓灌施工的問題是對土壓進(jìn)行合理解釋與分析，運(yùn)用庫倫土壓力理論，并將該理論轉(zhuǎn)化為施工步驟。假設(shè)鉆孔土體受力除土壓E外，還包括其自重G和土體維持平衡的支持力R。在形成天然土體穩(wěn)定體的過程中，分別定義δ角和φ角。二者能解釋土體顆粒間的嵌擠摩擦作用，在各自角度下形成的土體穩(wěn)定體能體現(xiàn)真實(shí)土壓工況，如圖4所示。

圖4 土體力學(xué)計(jì)算模型

土壓E的計(jì)算過程，如公式（4）所示。

式中：α、θ、β為土體與各自作用力的角度；φ、ε、δ為土體與各邊所呈角度。在天然狀態(tài)下，土體各層次運(yùn)動錯位，在角度干擾下，會形成復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，直接影響后續(xù)灌注工藝的施工效率。使用長螺旋鉆桿鉆進(jìn)中需要及時提鉆，避免樁孔的自穩(wěn)性受到具體土壓影響而導(dǎo)致滑塌，保證施工質(zhì)量。

2.2 樁土摩阻力分析

在下探鉆土過程中，長螺旋鉆桿會與土體的摩擦產(chǎn)生阻力。成樁后樁土摩阻力最大?；趲靷愅翂豪碚搶δψ枇M(jìn)行研究。長螺旋鉆桿進(jìn)入土層，形成摩擦角，以摩擦角為變量參數(shù)，便于找出側(cè)摩阻力值的變化，土層中的摩擦角如公式（5）所示。

式中：φ為長螺旋鉆桿與土層摩擦角；c為土體黏聚力；σ為鉆桿接觸土體正應(yīng)力值。

通過對摩擦角進(jìn)行分析，可以定量計(jì)算側(cè)摩阻力。須引入相關(guān)參數(shù)，分別為法相土壓力強(qiáng)度P，淤泥土層中法向土壓力系數(shù)Kcn和土層側(cè)壁摩阻力系數(shù)Kcf。計(jì)算在淤泥質(zhì)土層下，側(cè)摩阻力與土壓力的數(shù)量關(guān)系，如公式（6）和公式（7）所示。

式中：Pn和Pcf為摩阻力值；γ為土體重度；z為土層厚度。通過上述計(jì)算可知，長螺旋鉆桿鉆進(jìn)土層需要及時噴漿壓樁，從而減少樁土間的摩擦力。由于土體摩擦角是不變量，因此要使整體鉆桿摩阻變小，提高施工質(zhì)量，必須加強(qiáng)外界潤滑，例如該文提出的摻加超流態(tài)混凝土施工。

3 工程案例及質(zhì)量控制

3.1 工程案例施工

青島地鐵4 號線14 工區(qū)登瀛車輛基地項(xiàng)目，位于青島市嶗山區(qū)沙子口街道登瀛社區(qū)、嶗山路以南魚水路西側(cè)。由于現(xiàn)場地層情況復(fù)雜，需要重點(diǎn)保護(hù)周邊環(huán)境，因此選擇長螺旋鉆孔內(nèi)灌超流態(tài)混凝土灌注樁進(jìn)行施工。

在工程施工期間，對壓灌速度及土體螺旋提升速度等施工參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，得到對比指標(biāo)見表1。

表1 不同情況下兩種速度的對比

根據(jù)表1 實(shí)測結(jié)果，在長螺旋鉆孔內(nèi)灌超流態(tài)混凝土灌注樁施工中，考慮壓灌速度和土體螺旋提升速度受到鉆桿、切削、土壓和摩阻影響，可能會影響鉆孔和超流態(tài)混凝土壓灌成型質(zhì)量，在切削土體工況下，壓灌速度v1＞螺旋提升速度v2，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)場工程中，螺旋鉆桿切削土體不是絕對均衡方式，而是受到地層的特殊性限制。在現(xiàn)場施工過程中，如果出現(xiàn)土體切削障礙，就會影響實(shí)際的壓灌速度v1，而切削的土體碎塊隨著螺旋提升，出孔不受地層影響，因此在切削擾動下，會出現(xiàn)壓灌速度v1小于提升速度v2的情況。對比其余工況，均能驗(yàn)證關(guān)于壓灌工藝和流變分析，可以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3.2 質(zhì)量控制分析

超流態(tài)混凝土壓灌樁在長螺旋鉆桿鉆進(jìn)過程中，邊鉆邊壓灌。當(dāng)鉆桿鉆孔完畢，開始提鉆時，鉆桿已經(jīng)同步向孔內(nèi)壓灌。為驗(yàn)證成樁質(zhì)量，對登瀛車輛基地現(xiàn)場施工的前4 根基樁進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，記錄成樁效果。數(shù)據(jù)見表2。

表2 1#-4#基樁施工質(zhì)量記錄表

通過表2 可知，1#-4#基樁整體成樁效果較好。其質(zhì)量控制的3 個主要項(xiàng)目均滿足設(shè)計(jì)要求。對充盈系數(shù)來說，首根樁壓灌后，測量的系數(shù)為1.28，相對正常，2#樁充盈量更大，比1#樁多0.04。說明在壓灌速度與葉片旋轉(zhuǎn)速度恒定不變的情況下，雖然能更好地控制整體施工質(zhì)量，但表征現(xiàn)場所用超流態(tài)混凝土方量會增加，灌注時間也會延長，為協(xié)調(diào)整體施工進(jìn)度和控制成本，3#和4#樁的充盈系數(shù)有所放松，但整體質(zhì)量符合指標(biāo)要求。關(guān)于沉渣厚度方面，4 根基樁均滿足端承樁≤50mm 的設(shè)計(jì)要求。在垂直度控制方面，整體均滿足≤1%的垂直度偏差要求。項(xiàng)目施工質(zhì)量得到保證，再次驗(yàn)證該文方法的可操作性。

4 結(jié)論

該文對長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁施工進(jìn)行分析，從兩種技術(shù)的需求出發(fā)，對目前施工質(zhì)量的整體控制進(jìn)行數(shù)理分析，得到以下3 個結(jié)論：1）限于土層中的巨大土壓力，長螺旋鉆桿切削鉆孔的過程需要關(guān)注整體受力平衡以及土體螺旋提升速度，該參數(shù)直接影響后續(xù)壓灌混凝土的質(zhì)量。2）對鉆孔壓灌工藝進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)，壓灌速度≥土體螺旋提升速度，充分保證超流態(tài)混凝土壓灌樁的質(zhì)量，在超流態(tài)混凝土拌合料的制備過程中需要考慮其流變性質(zhì)。3） 根據(jù)庫倫土壓理論及樁土摩阻力分析，發(fā)現(xiàn)使用長螺旋鉆孔時需要及時提鉆，使超流態(tài)混凝土能迅速地充盈樁孔，避免發(fā)生較大的自穩(wěn)性問題或摩阻力變大導(dǎo)致基樁施工質(zhì)量下降。