燕練武，袁 烽，樊軍讓

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)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(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁和日本鋼纖維全螺紋預(yù)制樁的基礎(chǔ)上研制成功的，采用全液壓樁機(jī)鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓土體泵壓混凝土成樁，不使用泥漿護(hù)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(lèi)砂層，粒徑小于30 cm(含石量≤50%)的卵石層、強(qiáng)風(fēng)化巖層等土層。

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

本文中項(xiàng)目所在場(chǎng)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(fù)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(shí)際工程，經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)械旋挖灌注樁、后注漿機(jī)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(duì)螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁的設(shè)備及部分工藝的改進(jìn)、試驗(yàn)、結(jié)果對(duì)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(fù)雜的地質(zhì)中，為以后類(lèi)似工程積累了成功的經(jīng)驗(yàn)，并為螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁這一技術(shù)的進(jìn)一步完善積累了寶貴資料。

本文對(duì)機(jī)械旋挖灌注樁、后注漿機(jī)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(chǎng)地中的應(yīng)用優(yōu)劣及試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了比較，闡述了改進(jìn)后的螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁在這一項(xiàng)目中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

該項(xiàng)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(chǎng)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(chǎng)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(lèi)型。

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

2 三種樁基方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及技術(shù)分析

2.1 機(jī)械旋挖成孔灌注樁

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)樁長(zhǎng)為30.5 m，樁徑0.7 m，選取場(chǎng)地雜填土最厚的三個(gè)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(yàn)公式，可得單樁承載力如表1所示。

表1 單樁承載力計(jì)算表

由于成樁過(guò)程中鉆孔取土導(dǎo)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(shí)對(duì)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(hù)壁、加套筒、局部沖擊成孔等措施，仍然出現(xiàn)了塌孔嚴(yán)重及鉆進(jìn)難度大的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)幾次試打，最終此樁型僅一組靜載試驗(yàn)得以進(jìn)行。試驗(yàn)所得荷載-沉降(Q-s)曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，數(shù)據(jù)匯總于表2。

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

分析靜載試驗(yàn)結(jié)果圖1及表2可以發(fā)現(xiàn)123#試驗(yàn)樁在加載至3 600 kN時(shí)，樁頂荷載-沉降(Q-s)曲線(xiàn)呈陡降型，且本級(jí)荷載作用下的沉降量已超過(guò)前一級(jí)荷載2 880 kN作用下沉降量的5倍。加載至最大試驗(yàn)荷載7 200 kN時(shí)，樁頂沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定且樁頂累計(jì)沉降量超過(guò)80 mm，終止加載。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)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(xiàn)發(fā)生明顯陡降起始點(diǎn)荷載值，沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)(s-lgt)曲線(xiàn)尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載值為單樁豎向抗壓承載力極限值，即2 880 kN，此值遠(yuǎn)小于計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)要求。

圖1 123#樁體靜載試驗(yàn)Q-s曲線(xiàn)

表2 123#樁豎向靜載試驗(yàn)匯總表

通過(guò)分析靜載試驗(yàn)過(guò)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(chǎng)地地基處理將大幅延誤工期增加成本。即便成樁也難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求，若通過(guò)增加樁身尺寸來(lái)提高承載力，首先將明顯增加工程成本，其次樁長(zhǎng)將伸入膠結(jié)卵石層，增加鉆進(jìn)難度，延長(zhǎng)施工周期。

2.2 后注漿機(jī)械旋挖成孔灌注樁

后注漿工藝通過(guò)預(yù)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(bǔ)未注漿灌注樁承載力方面的不足。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)靜載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖2及表3，可知在加載至10級(jí)荷載7 200 kN時(shí)，樁頂荷載-沉降(Q-s)曲線(xiàn)呈緩變漸降型，沒(méi)有出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)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(yàn)所測(cè)試的139#試驗(yàn)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表3 139#樁豎向靜載試驗(yàn)匯總表

圖2 139#樁體靜載試驗(yàn)Q-s曲線(xiàn)

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(chǎng)也僅完成一組靜載試驗(yàn)，增加后壓漿雖解決了承載力不足的問(wèn)題，但塌孔嚴(yán)重及鉆進(jìn)難度大的問(wèn)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(guò)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(dú)特的施工工藝，使得其相較傳統(tǒng)灌注樁具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 鉆機(jī)成孔過(guò)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(guò)程中由于孔壁土體應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的松弛效應(yīng)導(dǎo)致的塌孔。

(2) 螺桿鉆具對(duì)周?chē)馏w具有良好的護(hù)壁作用，無(wú)需傳統(tǒng)灌注樁所采用的泥漿護(hù)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(hù)壁施工過(guò)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(wú)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(guò)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(chǎng)的地質(zhì)情況，試打過(guò)程中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了加大鉆機(jī)功率、增加配重、加強(qiáng)鉆頭強(qiáng)度等措施，這些改進(jìn)成功解決了在較大卵石層和局部片巖中的鉆進(jìn)問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)反映，部分卵石的粒徑超過(guò)了40 cm，局部出現(xiàn)的最大巖石厚度超過(guò)1 m，遇到這種情況時(shí)，雖鉆進(jìn)很慢，但經(jīng)改進(jìn)后的鉆頭還是能夠完成鉆進(jìn)工作，證明了對(duì)設(shè)備改進(jìn)的有效性。

(a) 采用螺桿樁專(zhuān)用成樁設(shè)備，樁機(jī)對(duì)準(zhǔn)樁位；(b) 鉆機(jī)下鉆正向同步旋轉(zhuǎn)鉆桿在樁長(zhǎng)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(shí)提升鉆桿，利用泵壓砼，通過(guò)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(duì)成孔過(guò)程的改善，現(xiàn)場(chǎng)高效地完成了8組試驗(yàn)樁，進(jìn)行了靜壓承載試驗(yàn)，本文選取其中三組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4—表6所示。通過(guò)分析表4—表6并依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)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(yàn)所測(cè)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(jì)要求。

表4 Sza#樁豎向靜載試驗(yàn)匯總表

表5 436#樁豎向靜載試驗(yàn)匯總表

3 三種樁基方案的對(duì)比分析

根據(jù)三種樁基方案施工過(guò)程、力學(xué)性能的分析可歸納出如表7所示各類(lèi)指標(biāo)的對(duì)比情況。顯然螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁在較厚松散雜填土場(chǎng)地可有效成孔，解決傳統(tǒng)灌注樁的成樁問(wèn)題，使得施工周期可控并且降低成孔困難所導(dǎo)致的施工超支。此外成孔過(guò)程無(wú)需泥漿護(hù)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，也可節(jié)約兩道工序的施工成本，最終降低工程造價(jià)。

4 結(jié) 論

(1) 螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁成孔過(guò)程中，鉆機(jī)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(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)存在較厚結(jié)構(gòu)松散的雜填土層時(shí)，螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁技術(shù)由于鉆具對(duì)樁周土體合理擠密從而提升樁周側(cè)阻力，成孔過(guò)程中無(wú)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(jī)械旋挖成孔灌注樁大幅增加，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3) 在設(shè)計(jì)要求相同的情況下，螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓灌注樁每延米價(jià)格低于后注漿機(jī)械旋挖成孔灌注樁，略高于機(jī)械旋挖成孔灌注樁，相較后兩者其較高的成孔率及無(wú)泥漿護(hù)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(jìn)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(yàn)匯總表

表7 三種樁基方案對(duì)比表