肖霞林

(成綿樂鐵路客運專線有限責任公司 ,四川成都 610051)

人工挖孔樁的承載力及施工優(yōu)勢分析

肖霞林

(成綿樂鐵路客運專線有限責任公司 ,四川成都 610051)

人工挖孔樁因其施工過程中易發(fā)生事故而倍受爭議。是否應該徹底放棄人工挖孔樁?文章通過對人工挖孔樁和鉆孔樁在承載力和施工各方面的對比分析,闡述了人工挖孔樁的工程應用優(yōu)勢,對于提高人工挖孔樁的競爭力具有積極意義。

人工挖孔樁; 承載力; 施工; 優(yōu)勢

人工挖孔樁具有施工簡便、噪音小、震動少、工期短、成本低、施工質(zhì)量可靠等優(yōu)點,被廣泛應用于高層建筑、橋梁及隧道工程的基礎(chǔ)工程中。但人工挖孔樁因挖孔人員在地下施工,活動空間小,工作環(huán)境惡劣,地下條件復雜,若忽視安全操作,易發(fā)生人身傷亡事故,施工安全風險大。正因為人工挖孔樁在施工過程中易發(fā)生事故,因此在大規(guī)模鐵路客運專線等基礎(chǔ)建設(shè)的今天,很多人建議徹底放棄人工挖孔樁,取而代之以鉆孔樁或打入樁。能否徹底放棄挖孔樁?筆者將從人工挖孔樁的承載力和施工兩方面分析進行對比分析。

1 人工挖孔樁與鉆孔樁的承載力對比

要回答能否徹底放棄人工挖孔樁,用鉆孔樁取代人工挖孔樁這個問題,首先需要從人工挖孔樁相對于鉆孔樁的技術(shù)優(yōu)勢來分析。

1.1 單樁軸向承載力計算公式

根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(TB 10002.5-2005)》中的規(guī)定,對于鉆(挖)孔灌注樁,當視為摩擦樁時,其單樁軸向受壓承載力容許值[P]的計算公式如下:

式中:[P]為樁的容許承載力(kN);U為樁身截面周長(m);fi為各土層的極限摩阻力(kPa);li為各土層的厚度(m);A為樁底支撐面積(m2),按設(shè)計樁徑計算;[σ]為樁底地基土的容許承載力(kPa);m0為樁底支承力折減系數(shù);

1.2 單樁軸向承載力主要影響因素對比

由以上公式可以看出,由于人工挖孔樁與鉆孔樁的成孔方式不同,導致參數(shù)U、fi、A及m0取值的不同,進而導致二者單樁軸向承載力的差異。

1.2.1 樁身截面周長U的差異

人工挖孔樁在施工時為防止塌孔需要設(shè)置護壁,護壁一般采用標號不低于樁基的混凝土材料,并做成階梯形,護壁的內(nèi)、外齒形作用將樁與護壁連為整體,可將護壁視作樁的一部分,因此,挖孔樁的周長大于相同設(shè)計孔徑的鉆孔樁的周長。

1.2.2 各土層極限摩阻力fi的差異

人工挖孔后孔壁為原狀土,土與樁之間的摩擦力較大;而機械鉆孔成孔后,由于泥漿護壁將產(chǎn)生 2～3mm的泥皮(當泥漿稠度控制不當時,泥皮厚度更大),泥皮降低了樁土之間的摩擦力,因此就樁側(cè)土與樁之間的極限摩阻力而言,人工挖孔樁大于機械鉆孔樁。

1.2.3 樁端截面積A的差異

人工挖孔樁通常在樁端要進行擴底形成擴大的樁端,因此就樁端截面積而言,人工挖孔樁要大于相同設(shè)計孔徑的機械鉆孔樁。

1.2.4 樁底支承力折減系數(shù) m0的差異

機械鉆孔樁的樁底沉渣層較難清理干凈,《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準 (TB10415-2003)》[2]中規(guī)定澆筑水下混凝土前應清底,樁底沉渣允許厚度為:摩擦樁不應大于300mm,柱樁不應大于 100mm,建筑、公路和鐵路客專標準也均對沉渣厚度有允許要求,這說明在機械鉆孔樁的孔底不可避免的存在沉渣軟弱層,從《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(TB 10002.5-2005)》表 6.2.2-6[1]中可知,鉆孔樁的樁底支承力折減系數(shù)m0均小于1.0;而挖孔樁則可以將孔底清理干凈,因而挖孔樁的樁底支承力折減系數(shù)一般可取 1.0。因此,就樁底支承力折減系數(shù)(公路設(shè)計規(guī)范稱為清底系數(shù))而言,人工挖孔樁大于機械鉆孔樁。

由以上對比分析可知,人工挖孔樁的這 4個主要參數(shù)均大于機械鉆孔樁,而這 4個參數(shù)與單樁軸向承載力成正比,因此,人工挖孔樁的單樁軸向承載力大于機械鉆孔樁。

1.3 施工中導致鉆孔樁承載力不足的主要原因

1.3.1 泥皮過厚

鉆孔過程中為護壁防止塌孔,尤其是通過卵石之類粗顆粒土層時,便加大泥漿稠度,雖能順利成孔,但會在孔壁形成一層泥皮,材料性能差、比重大的稠泥漿所形成的泥皮過厚,這將減小樁土之間的摩阻力。陳文進[3]等研究過泥皮厚度對樁承載力的影響,認為當泥皮厚度不超過 7mm時,仍能滿足按規(guī)范所采用的參數(shù)計算出的承載力,但泥皮厚度超過 7 mm后,單樁的極限承載力就會急速下降。

1.3.2 孔底沉渣過厚

無限制地加大泥漿稠度還會導致孔底沉渣相應積聚過厚,造成清孔不易。正常情況下,樁底有少量沉渣,在混凝土灌注過程中,在混凝土下泄的沖擊力作用下,大部分沉渣會浮至混凝土頂面或被擠到邊角處,不會形成軟弱層,但樁底沉渣過厚時,混凝土下泄未能將沉渣沖出上浮,而大部分仍留在樁底形成軟弱墊層。軟弱墊層將導致樁底反力嚴重降低,從而使樁的承載力降低、沉降量加大。

1.4 承載力可靠性比較

1.4.1 對地質(zhì)條件的把握

由于人工挖孔樁施工過程中能夠?qū)崟r對樁側(cè)和樁底的土質(zhì)和巖層性質(zhì)進行直接觀察,因而能夠準確把握樁孔處的地質(zhì)條件,能夠根據(jù)地質(zhì)條件及時修改樁的孔徑與長度以保證挖孔樁具有可靠的承載力。而鉆孔樁則僅依靠鉆渣取樣進行地質(zhì)判斷,直觀性和準確性不及人工挖孔樁。

1.4.2 樁體混凝土的澆筑

人工挖孔樁的樁身混凝土是在干作業(yè)條件下進行澆筑,而鉆孔樁的混凝土則要進行水下混凝土的澆筑。如果施工不當,水下混凝土的澆筑容易斷樁和鋼筋籠上浮等問題,這都將影響樁的質(zhì)量,進而影響樁的承載力的可靠性。

2 人工挖孔樁與鉆孔樁的施工對比

2.1 施工的質(zhì)量控制對比

人工挖孔樁,監(jiān)理和設(shè)計人員可以直接下到孔底進行觀察和檢查,直接在孔底取樣試驗,獲得的地質(zhì)資料和施工數(shù)據(jù)更為直接準確,施工可以根據(jù)實際情況及時修改樁的結(jié)構(gòu)尺寸。同時,人工挖孔樁一般采取的混凝土護壁,整個樁孔上下規(guī)則,形成一層混凝土模板,使得成孔質(zhì)量高,可以做到每一根樁完全符合設(shè)計要求,且可以為滿足特殊情況設(shè)置不同的樁徑,使得樁的幾何尺寸可以較精確的符合設(shè)計要求,可靠性高。而鉆孔樁由于采用是泥漿護壁,樁孔四周由于受機械、泥漿的擾動以及樁側(cè)水壓力和土壓力的影響,一般容易剝落、塌孔、擴孔或縮孔的現(xiàn)象,整個孔身斷面呈不規(guī)則的鋸齒形狀,樁體幾何結(jié)構(gòu)可靠性差。另一方面,由于人工挖孔樁大多孔內(nèi)積水較少,不需采用水下灌注方式,樁底沉渣能清除干凈,可以加強混凝土的振搗和質(zhì)量控制,減少樁身混凝土的質(zhì)量控制難度,更容易保證樁身混凝土的質(zhì)量。

2.2 施工工期對比

以成綿樂鐵路客運專線雙流機場隧道的明挖深基坑圍護樁施工為例,該深基坑圍護樁基根據(jù)工程實際,采取分段落施工。在成都的砂卵石層地質(zhì)條件下,取一個施工區(qū)段長240m范圍的 200根深 15m的圍護樁進行比較。在該施工段落里投入 15臺旋挖鉆機,按每臺鉆機平均進尺 10m/d計算,整個成孔工期需 20 d。而采用人工挖孔樁的施工方案,在完成試樁承載力驗證后,即可多工作面輪班平行作業(yè),施工中最多可安排 200個班組,每個班組 4人。按平均每根樁基進尺速度2m/d計算,整個成孔工期需7.5 d,較鉆孔樁工期縮短一半多。由此可見,雖然鉆孔樁單根成樁效率高,但就整個施工區(qū)段的圍護樁基工期而言,人工挖孔樁由于不受周邊地形等施工條件影響,可多點平行作業(yè),在整體施工工期方面還是有明顯優(yōu)勢的。

2.3 施工造價對比

由于人工挖孔樁不需要使用鉆機,不需要配置護壁泥漿,也不存在泥漿處理問題,因此人工挖孔樁的施工成本遠低于機械鉆孔樁。成綿樂鐵路客運專線參考四川平原地區(qū)人工費用標準,人工挖孔樁平均造價 800元/m3,而鉆孔樁平均造價為 2200元/m3。另一方面,由于鉆孔樁往往實際樁身平均直徑比設(shè)計大,一般 1.25m樁徑的鉆孔樁實際成孔樁徑達到 1.3m,且需超灌樁頭,造成多灌注的混凝土比例達到了 8%。另外,人工挖孔樁一般不采用水下混凝土灌注方法,可優(yōu)化調(diào)整混凝土配合比和適當減少水泥用量,降低工程造價。

由多個工程項目統(tǒng)計結(jié)果顯示[4-6],人工挖孔樁的施工成本僅為機械鉆孔樁的 40%～50%,人工挖孔樁顯示出優(yōu)越的經(jīng)濟效益。

2.4 施工的環(huán)境影響對比

機械鉆孔樁在施工過程中在對環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染的同時,如果對護壁及清孔過程中的泥漿處理不當將會對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的污染,而處理泥漿會花費大量資金。人工挖孔樁則對環(huán)境無污染,挖出的土方還可供工程進行填土作業(yè)使用。特別是在城市周邊和居民集聚區(qū),如成綿樂鐵路客運專線的機場路隧道位于居民區(qū)地段附近,采用人工挖孔樁可有效減少對附近居民的夜間居住環(huán)境的干擾,人工挖孔樁突顯其環(huán)境影響方面的絕對優(yōu)勢。

2.5 施工的適應性對比

人工挖孔樁對場地幾乎沒有要求,即使場地狹窄或在場地附近有較密集的建筑群也同樣可以施工;而鉆孔樁則對場地有一定的要求,通常情況下,鉆孔樁在開闊的場地才能施工,要有足夠的空間架設(shè)鉆機,要便于泥漿的排放,在建筑物密集區(qū)或地下隧道內(nèi)常因空間受限而不能采用機械鉆孔樁。

人工挖孔樁對施工機具及地形地質(zhì)的適應性更廣,特別是在大直徑混凝土灌注樁成孔施工中,機械成孔需要特定的機械設(shè)備,需滿足一定的地形地質(zhì)條件,而人工挖孔不受機械和樁徑限制,同一場地樁徑可根據(jù)需要進行多樣化設(shè)計,遇地下障礙時處理靈活,不僅適用于軟土地基,也適用于山區(qū)丘陵土質(zhì)等比較堅硬或存在較多漂石、地形地貌變化較大的地區(qū)。

3 總 結(jié)

綜合以上分析可以看出,人工挖孔樁相對于機械鉆孔樁,在承載力高、施工質(zhì)量易控制、施工工期短、施工的環(huán)境影響小、造價低和適應靈活等方面均顯示出明顯的優(yōu)勢,因此,在當前大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)情況下,徹底放棄人工挖孔樁,用鉆孔樁取代人工挖孔樁是既不現(xiàn)實也不合理的。同時,我國勞動力資源豐富 ,隨著高層建筑及大跨度大荷載建筑的增多,公路、鐵路交通建設(shè)穿越城市周邊建筑的情況增多,樁基向大直徑灌注樁方向的發(fā)展,人工挖孔樁日益顯示出其無比的優(yōu)越性。隨著施工設(shè)備的改進、施工技術(shù)和管理水平的提高,人工挖孔樁必將會全面應用到高層建筑、公共建筑、公路、鐵路、水利等各個領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)處理工程中。雖然人工挖孔樁施工危險源多,安全風險大,但各參建單位只要牢牢樹立“安全第一,預防為主”的觀念,認真履行自身職責,充分考慮各種潛在危險 ,采取切實可行的技術(shù)管理保障措施,嚴格按安全技術(shù)規(guī)程施工,人工挖孔樁施工安全事故是完全可以避免的。

人工挖孔樁在成綿樂鐵路客運專線得到了大量應用:結(jié)合成都平原地形地質(zhì)情況,在橋梁樁基礎(chǔ)中,當樁長較短(挖深不大于 15m),無不良地質(zhì)且土層為無地下水或少量地下水時,采用了直徑不小于1.25m的人工挖孔樁;在明挖隧道的深基坑圍護中也通過采取井點降水措施,部分采用了人工挖孔樁;在既有鐵路、公路和城市市區(qū)狹窄地段以及需托換樁基時也采用了人工挖孔樁方案。通過嚴格按照“六位一體”管理要求,通過標準化管理,成綿樂鐵路客運專線未出現(xiàn)任何的人工挖孔樁安全質(zhì)量事故,同時也加快了施工進度,有效地控制了工程投資。

[1] TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[2] TB 10415—2003鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準[S]

[3] 陳文進,陳愛萍,蔡登山.鉆孔樁承載力偏低的原因分析和處理方法[J].橋梁建設(shè),2001(6):58-61

[4] 蘇子賢.挖孔樁與鉆孔樁的經(jīng)濟技術(shù)比較及挖孔樁技術(shù)應用的探討[J].華東公路,2007(2):10-13

[5] 鄔曉光,李群善,張志明.挖孔樁技術(shù)在西北高原地區(qū)應用的研究[G]∥中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學會 2002年全國橋梁學術(shù)會議論文集.北京:人民交通出版社,2002:592-59

[6] 王代連.論挖孔樁在桂林市應用的可行性和一般設(shè)計原則[J].廣西土木建筑,1995,20(1):17-19

TU753.3

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2010-11-01

肖霞林(1978～),工程師。