深基坑支護(hù)旋挖成孔灌注樁施工技術(shù)研究

摘 要：旋挖成孔灌注樁具有提高地基承載力、控制地基沉降以及防止塌孔等特征，因此在建筑工程施工中廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合湖南省溆浦縣盧峰鎮(zhèn)污水處理廠的工程實(shí)例，在針對(duì)旋挖成孔灌注樁施工的預(yù)處理池基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)旋挖成孔灌注樁的施工要點(diǎn)與施工工藝進(jìn)行闡釋，重點(diǎn)對(duì)旋挖成孔灌注樁施工所面臨的沉降問題進(jìn)行系統(tǒng)性分析，分別針對(duì)旋挖樁底沉渣的施工控制問題提出解決措施，為解決基坑開挖引起土體作用力的相關(guān)問題提供支持。

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)；旋挖成孔灌注樁；沉渣控制

中圖分類號(hào)：TU 47" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

建筑樁基在承載力與沉降控制方面具有優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)，其中，旋挖成孔灌注樁因其具備成孔速度快、承載力高、受力穩(wěn)定以及沉降變形幅度小等特征，適用于多數(shù)地質(zhì)條件，逐漸成為國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)樁基礎(chǔ)施工的主要形式[1]。因此，針對(duì)污水處理廠基坑支護(hù)的施工要求，旋挖成孔灌注樁在工程建設(shè)中起著重要的作用。

1 項(xiàng)目介紹

溆浦縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施及配套管網(wǎng)工程PPP項(xiàng)目-盧峰鎮(zhèn)污水處理廠為新建工程，建設(shè)地點(diǎn)位于溆浦縣盧峰鎮(zhèn)高田村護(hù)邑塔下溆水河邊，污水處理廠直通031縣道，交通便利，滿足施工運(yùn)輸要求。廠區(qū)占地面積為33800㎡，設(shè)計(jì)污水處理規(guī)模為30000m3/d，采用A2O法結(jié)合深度處理的工藝。污水處理廠場(chǎng)地周邊較空曠，周邊無重要地下管線及建筑物，場(chǎng)地東側(cè)為溆水河，南面臨近公路邊坡，西面和北面為農(nóng)田菜地。

污水處理工藝流程：城鎮(zhèn)污水提升經(jīng)過粗格柵攔柵渣外運(yùn)→提升泵房→提升至旋流沉砂池沉沙→A2O池→二沉池→污泥回流泵房（污泥回流至A2O池）→污泥濃縮池、調(diào)理池（污泥濃縮后外運(yùn)）→高效沉淀池→絮凝沉淀池→濾布濾池→紫外線消毒池→出水渠排入河道。污水經(jīng)過處理后，尾水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2 灌注樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算

2.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力

在施工過程中，預(yù)處理池基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的主要載荷來源于土壓力。當(dāng)計(jì)算土壓力時(shí)，除了需要考慮土體性質(zhì)以外，還需要考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移方向與位移量，以此判斷壓力類型，主要包括靜止土壓力與主動(dòng)、被動(dòng)土壓力兩種[2]。在基坑開挖過程中，如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，就保持土體靜止且平衡狀態(tài)，此時(shí)受到靜止土壓力，具體計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：E0為靜止土壓力；H為支護(hù)結(jié)構(gòu)件高度；K0為靜止土壓力系數(shù)；γ為土體重度。

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)只能承擔(dān)土體豎向自重力所產(chǎn)生的水平載荷，因此需要根據(jù)靜止土壓力計(jì)算靜止土壓力強(qiáng)度，具體計(jì)算過程如公式（2）所示。

P0=γhK0" " " " " " " " " " （2）

式中：P0為靜止土壓力強(qiáng)度；γ為土體重度；h為計(jì)算點(diǎn)土體厚度。

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在土體以及其他載荷條件下產(chǎn)生移動(dòng)時(shí)，土體在自身重力的作用下沿著滑動(dòng)面下滑，直至平衡，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力為主動(dòng)土壓力。在強(qiáng)外力的作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方土體受擠壓而上移時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力與主動(dòng)土壓力呈反向作用力，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的最大抗力為被動(dòng)土壓力，主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力的計(jì)算過程分別如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：Ea為主動(dòng)土壓力；Ep為被動(dòng)土壓力。

在實(shí)際施工過程中，如果土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間接觸面光滑，就表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)的背后土體水平無斜角，需要考慮無黏性土與黏性土不同條件下的主動(dòng)與被動(dòng)土壓力強(qiáng)度。在實(shí)際施工過程中，需要考慮墻背可能出現(xiàn)傾斜、粗糙等情況。

2.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與沉降

在施工過程中，由于基坑開挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑外土體沉降、坑內(nèi)土體隆起等，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形一般分為水平位移與豎向位移兩種[3]。水平位移：當(dāng)基坑開挖時(shí)，由于坑內(nèi)土體被動(dòng)壓力減少，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到基坑外部主動(dòng)土壓力作用而產(chǎn)生水平位移。豎向位移：當(dāng)基坑開挖時(shí)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體向坑內(nèi)移動(dòng)時(shí)，在主動(dòng)壓力的作用條件下，樁體會(huì)上升，豎向位移會(huì)產(chǎn)生對(duì)坑底隆起、地表沉降的影響。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算能夠有效分析基坑開挖時(shí)擋土墻與土壓力之間的載荷。具體圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形內(nèi)力的計(jì)算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：d為樁身剪應(yīng)力系數(shù)；a為樁的水平變形系數(shù)；Z為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的截面縱坐標(biāo)；y為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

基坑周邊變形與沉降導(dǎo)致發(fā)生側(cè)向位移，會(huì)對(duì)實(shí)際施工過程帶來巨大影響，當(dāng)坑外土體作用產(chǎn)生明顯位移時(shí)，周邊地表沉降主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部位置[4]。具體沉降的計(jì)算過程參考Reck（土體損失底層位移法），如公式（6）所示。

（6）

式中：S為地面任一點(diǎn)的沉降值；Smax為地面最大沉降值，一般由工程測(cè)繪預(yù)測(cè)得知；x為沉降曲線中心到計(jì)算點(diǎn)的距離；i為沉降槽寬度；H為基坑開挖的深度。

由于旋挖成孔灌注樁旋挖樁機(jī)鉆進(jìn)速度快、取土比較直接，因此孔底沉渣較多，混凝土澆筑容易造成鋼筋籠上浮缺陷，縮頸現(xiàn)象直接影響樁基礎(chǔ)，導(dǎo)致發(fā)生沉降。

3 旋挖成孔灌注樁施工技術(shù)分析

3.1 施工技術(shù)操作要點(diǎn)

3.1.1 旋挖鉆孔灌注樁成孔的注意事項(xiàng)

在實(shí)際施工中，旋挖鉆孔主要選擇鋼護(hù)筒跟孔鉆進(jìn)和泥漿護(hù)壁等措施來解決成孔難題，護(hù)筒埋設(shè)時(shí)必須牢固垂直，機(jī)具就位時(shí)地面要平整，鉆桿垂直，保證樁孔成孔垂直度，控制好孔內(nèi)地下水位標(biāo)高，防止塌孔，當(dāng)成孔時(shí)發(fā)現(xiàn)難于鉆進(jìn)，應(yīng)及時(shí)檢查，防止樁孔出現(xiàn)偏斜、位移，及時(shí)清理孔底沉渣，防止孔底沉渣過多。

3.1.2 方法與基本要求

旋挖鉆成孔是一種依靠伸縮式鉆桿自重與固定桅架上液壓壓力作用，使用鉆斗旋轉(zhuǎn)切削土體，鉆機(jī)伸縮鉆桿將鉆頭提出孔外卸土的工程工藝[5]。目前旋挖成孔灌注樁施工主要有3種方法：濕作業(yè)成孔、干作業(yè)成孔、全護(hù)筒護(hù)壁。在不同地質(zhì)條件下，不同旋挖成孔方法有不同的適用范圍。根據(jù)該污水處理廠旋挖成孔灌注樁質(zhì)量檢測(cè)與鉆孔水位測(cè)量，確定施工誤差范圍，數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)施工允許存在的誤差范圍，結(jié)合該污水處理廠旋挖鉆孔灌注樁的施工要求，針對(duì)場(chǎng)地的調(diào)查與鉆孔水位測(cè)量統(tǒng)計(jì)，確定各土層主要的物理力學(xué)指標(biāo)，數(shù)據(jù)見表2。

樁基檢測(cè)規(guī)范有以下要求。1）須對(duì)樁基工程進(jìn)行樁位、樁長(zhǎng)、樁徑、樁身質(zhì)量和單樁承載力進(jìn)行檢驗(yàn)。2）采用低應(yīng)變法檢驗(yàn)樁身完整性，檢測(cè)數(shù)量不小于樁總數(shù)的40%，且≥10根。3）采用靜載荷試驗(yàn)對(duì)單樁豎向承載力進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)樁數(shù)不少于同條件總樁數(shù)的1%，且≥3根。4）工程樁應(yīng)先檢驗(yàn)樁身完整性檢測(cè)，再抽樣檢測(cè)單樁承載力，應(yīng)在樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高處檢測(cè)樁身完整性。

3.2 旋挖成孔灌注樁的施工工藝

旋挖鉆孔灌注樁施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→護(hù)筒制作、埋設(shè)→鉆機(jī)就位→泥漿制備→鉆進(jìn)成孔→成孔檢查→鋼筋籠制作→下放鋼筋籠及導(dǎo)管→砼灌注→成樁移位→樁頭鑿除→樁基檢測(cè)。

具體操作要點(diǎn)如下。1）施工準(zhǔn)備與測(cè)量放線：地上、地下障礙物都處理完畢，達(dá)到“三通一平”。采用全站儀放樣，由現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)員布設(shè)護(hù)樁并用砼固定，畫出護(hù)樁平面圖，并利用護(hù)樁控制護(hù)筒埋設(shè)。由旋挖鉆機(jī)自動(dòng)調(diào)平并進(jìn)行護(hù)筒中心對(duì)位檢測(cè)。2）制作、埋設(shè)及拔除護(hù)筒：護(hù)筒埋設(shè)安裝采用振動(dòng)錘（打拔機(jī)）將鋼護(hù)筒夾起振壓向下安放到位。用厚16mm鋼板制作鋼護(hù)筒，直徑大于鉆孔樁徑20cm，護(hù)筒長(zhǎng)度不小于6m。當(dāng)埋設(shè)定位護(hù)筒時(shí)，除設(shè)計(jì)有規(guī)定外，護(hù)筒中心與樁中心的平面位置偏差應(yīng)不大于50mm，護(hù)筒在豎直方向傾斜度應(yīng)不大于1%。護(hù)筒按放樣點(diǎn)位埋設(shè)后再用全站儀復(fù)核，保證其中心軸線與樁位中心偏差不大于5cm，并嚴(yán)格保持護(hù)筒豎直。護(hù)筒口頂端高度至少高出地面0.5m，護(hù)筒內(nèi)徑比樁徑大40～60cm。護(hù)筒頂面宜高出地下水位2m，并高出施工地面0.5m，其高度應(yīng)滿足孔內(nèi)泥漿面高度的要求。3）配制泥漿：配制泥漿選擇水化快、造漿能力強(qiáng)、黏度大、含砂率低的黏土或膨潤(rùn)土，但盡量就地取材。在配制泥漿前要根據(jù)鉆孔的體積確定所需泥漿的數(shù)量，泥漿量必須大于鉆孔的容積。配制泥漿選取水化性能較好、造漿率高、成漿快、含砂量少的膨潤(rùn)土或黏土為宜。4）鉆機(jī)就位與鉆孔：在鉆機(jī)就位前，應(yīng)對(duì)主要機(jī)具及配套設(shè)備進(jìn)行檢查，底架應(yīng)平整穩(wěn)定，不能產(chǎn)生位移和沉陷。調(diào)節(jié)下部導(dǎo)向圈、調(diào)直鉆桿、將鉆斗導(dǎo)向尖與樁位對(duì)齊，保證插鉆正確，防止鉆孔偏斜。鉆機(jī)頂端應(yīng)用纜風(fēng)繩對(duì)稱拉緊，鉆頭、鉆桿中心與護(hù)筒中心的偏差不大于5cm。開孔孔位必須準(zhǔn)確，孔位偏差不大于5cm，使初成孔壁豎直、圓順、堅(jiān)實(shí)。當(dāng)鉆孔時(shí)，孔內(nèi)水位應(yīng)該高于護(hù)筒底腳0.5m以上或地下水位以上1.5～2m，當(dāng)鉆孔時(shí)，孔口護(hù)筒應(yīng)高出地面50cm，并及時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)充漿液，保持足夠的泥漿壓力。5）成孔檢查與清理：檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是鉆孔傾斜度誤差不大于1%，沉淀厚度符合設(shè)計(jì)要求，樁位誤差不大于50mm。用測(cè)深繩（錘）或手提燈測(cè)量孔深及虛土厚度。虛土厚度等于鉆孔深的差值，虛土厚度不超過10cm。清孔常采用磨盤式撈渣鉆頭撈渣法，可一次或多次進(jìn)行撈渣。在第一次清孔后安放鋼筋籠及導(dǎo)管，再次驗(yàn)孔，若沉碴厚度不滿足施工技術(shù)規(guī)范要求，則須進(jìn)行第二次清孔。采用導(dǎo)管內(nèi)注泥漿循環(huán)清孔，在清孔完成后立即灌注混凝土。6）鋼筋籠加工與安裝：鋼筋籠整體制作，鋼筋籠縱向鋼筋的接頭采用搭接焊，鋼筋籠加勁筋及箍筋與縱筋點(diǎn)焊焊接。在骨架外側(cè)設(shè)置同標(biāo)號(hào)混凝土墊塊控制保護(hù)層厚度，墊塊的間距在豎向不應(yīng)大于2m，在橫向圓周設(shè)置4個(gè)。鋼筋籠采用汽車吊整體起吊安裝。根據(jù)設(shè)計(jì)鋼筋籠底標(biāo)高與孔口標(biāo)高，計(jì)算好鋼筋籠的吊筋或鋼筋籠頂標(biāo)高，鋼筋籠頂端高程的允許誤差為±20mm。鋼筋籠安裝必須垂直吊裝，保證鋼筋籠四周保護(hù)層均勻。在鋼筋籠入孔后應(yīng)準(zhǔn)確、牢固定位，檢查鋼筋頂標(biāo)高，保證鋼筋籠平面位置及高程準(zhǔn)確，防止?jié)仓炷吝^程中發(fā)生變位。7）混凝土灌注：用汽車泵送商品砼澆注砼，在二次清孔完成后，應(yīng)立即灌注水下混凝土。澆筑時(shí)須計(jì)算初灌量，加工好漏斗，漏斗底口要設(shè)置10cm×10cm鐵篦子，防止大粒徑石塊進(jìn)入造成堵管形成斷樁事故，在初灌完畢且無異常情況后，既可連續(xù)灌注混凝土，中途一般不停。當(dāng)灌注混凝土接近樁頂部位時(shí)，應(yīng)計(jì)算混凝土的需求量，精確控制最后一次混凝土灌入量。灌注混凝土頂標(biāo)高宜高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高0.8m～1m，保證鑿除后的樁頭混凝土強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3 旋挖成孔灌注樁施工中沉降特性

在實(shí)際施工過程中，旋挖樁基本為端承樁或者端承摩擦樁，根據(jù)本項(xiàng)目的巖土屬性分析，沉渣對(duì)此類樁體的沉降影響顯著。從樁基礎(chǔ)的載荷傳遞、樁端土與地基土共同承擔(dān)外載荷的關(guān)系分析，在樁側(cè)土體進(jìn)入塑性階段后，樁側(cè)摩擦力不再增加，在樁身下半部分的側(cè)摩擦力達(dá)到極限承載力后，由樁端阻力承擔(dān)樁體載荷。

由此說明，當(dāng)樁側(cè)摩擦阻力達(dá)到極限位移時(shí)，與施工所在土層性質(zhì)有正向相關(guān)性，在硬黏土中位移一般為5～6mm、砂礫性土中位移一般為4～10mm。考慮土體的連續(xù)性，采用載荷傳遞方程能夠準(zhǔn)確計(jì)算樁端處土體與開挖基坑周邊土之間的載荷關(guān)系。具體函數(shù)公式如公式（7）、公式（8）所示。

（7）

（8）

式中：U為樁截面的周長(zhǎng)；Ap為樁的界面積；Ep為彈性模量。

將公式（7）代入公式（8），得到旋挖成孔灌注樁施工中沉降的土層彈性。

大量的巖土試驗(yàn)證明，土體既不是理想彈性體，也不是塑性體，而是一種具備彈塑性屬性的變形材料，考慮樁體在不同彈性土層條件下的情況，載荷傳遞從樁體從上向下沿著樁深的方向呈逐漸遞減的趨勢(shì)，樁端持力層壓縮變形符合壓應(yīng)力豎向位移的關(guān)系，因此，在施工中需要注意的是，此時(shí)樁基礎(chǔ)承受的載荷即是單樁豎向抗壓靜載承載力，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由工字鋼和跳板搭成堆載平臺(tái)，采用堆載法進(jìn)行試驗(yàn)，上面均勻堆放

預(yù)制塊，構(gòu)成加載反力系統(tǒng)，如圖1所示。

4 旋挖成孔灌注樁底沉渣施工控制的措施

4.1 旋挖沉渣

在實(shí)際施工過程中，塌孔以及孔壁泥皮出現(xiàn)掉渣的情況是造成旋挖沉渣的主要原因，因此需要注意孔壁保護(hù)來控制沉渣形成。具體措施如下。1）充分了解施工場(chǎng)地的土體巖層類型、深度以及分布情況，配備專業(yè)的沉渣清理設(shè)備。2）孔口護(hù)筒：一般鋼護(hù)筒選擇10mm鋼板，護(hù)筒內(nèi)徑＞200mm鉆頭直徑，混凝土護(hù)筒≥150mm，混凝土強(qiáng)度≥C25，間距≤200mm，豎向鋼筋≥8mm，螺旋箍筋≤200mm。通常采用灌注反壓混凝土的方法控制沉渣，在旋挖開孔后，在樁塌孔的位置使用C30混凝土灌注反壓（要求反壓高度≤2m），試驗(yàn)表明孔壁護(hù)壁效果良好，能夠有效控制沉渣。

4.2 旋挖沉渣清理

在清理過程中，主要考慮澆筑混凝土對(duì)沉渣上浮的作用力。當(dāng)一次清孔時(shí)，將雙底清渣鉆斗提到距離孔底0.2～0.3m處，并保持空轉(zhuǎn)，將鉆渣吸出，在下鋼筋籠后、灌注混凝土前，需要檢測(cè)沉渣厚度與孔徑，若沉渣過厚，則需要二次清孔，此時(shí)一般采用高壓送風(fēng)以及高壓水槍的沖擊力等清除孔底沉渣，一般要求端承樁沉渣厚度≤50mm，摩擦型樁沉渣厚度≤100mm。

5 結(jié)語

綜上所述，建筑基礎(chǔ)是建筑物的根基，通常建筑物的載荷一般由基礎(chǔ)承擔(dān)。隨著建筑基礎(chǔ)形式與施工技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)大型建筑物以及構(gòu)筑物對(duì)基礎(chǔ)承載力與沉降的控制需求，樁基基礎(chǔ)成為建筑物安全與使用的關(guān)鍵因素。因此，在實(shí)際施工中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的旋挖成孔灌注樁施工需要考慮旋挖灌注樁的承載力，提高旋挖成孔對(duì)沉渣的處理能力，以此提高施工水平，為解決工程問題提出可行性參考。

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