李根紅， 何利超， 張 浩， 馬一凡， 周同和

（1.河南省體育局，鄭州 450000； 2.鄭州大學(xué)，鄭州 450001）

1 研究概況

在地下水位較高的飽和粉土和粉細(xì)砂層中進(jìn)行CFG樁施工時(shí)常遇到樁頂標(biāo)高低于設(shè)計(jì)標(biāo)高，樁淺部發(fā)生嚴(yán)重縮頸、樁身夾泥、斷樁等質(zhì)量問(wèn)題. 采用長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵送混凝土工藝施工CFG樁時(shí)，在驅(qū)動(dòng)鉆具向下鉆進(jìn)過(guò)程中，螺旋葉片對(duì)孔周土具有剪切、擠壓和振動(dòng)作用，方波等［1］認(rèn)為螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中的剪切、振動(dòng)作用使飽和粉土和砂土層中能量積累，發(fā)生孔隙水壓力上升和土層液化. 打樁提鉆過(guò)程中，由于提鉆瞬間的抽吸作用［2］，導(dǎo)致孔內(nèi)出現(xiàn)短暫的真空狀態(tài)，孔底某一時(shí)刻為真空時(shí)，相當(dāng)于10 m高的水頭差，當(dāng)鉆桿提升較快時(shí)，這種抽吸作用將導(dǎo)致鉆孔周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的孔隙水?dāng)y帶泥砂向孔底流動(dòng)，形成孔底虛土. 黃泛區(qū)高水位土層中存在的微承壓水也是飽和砂土和粉土中樁身發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題的原因. 孫瑞民等［3］分析認(rèn)為鄭州市區(qū)具有這種巖土特征的地層多分布在鄭州東北部，地表下一定深度范圍內(nèi)的粉土易失水、易被擾動(dòng)，具有輕微液化可能. 場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水位高，分成上層潛水和下層微承壓水，這種土受擾動(dòng)易產(chǎn)生液化、產(chǎn)生流變、造成臨近地基土向孔內(nèi)流動(dòng)，使得地面下沉或表層地基土變形過(guò)大，是造成CFG樁產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因之一. 樁淺部產(chǎn)生嚴(yán)重縮頸、樁身夾泥、斷樁等質(zhì)量問(wèn)題的可能原因還有泵送混凝土?xí)r提鉆速度過(guò)快，混凝土充盈系數(shù)較小等. 劉彥林等［4-7］基于工程實(shí)例，對(duì)CFG樁成樁過(guò)程中所產(chǎn)生的斷樁、堵管、竄孔等質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的預(yù)防措施和處理方法，提出了施工過(guò)程中的注意事項(xiàng)，為CFG樁的工程應(yīng)用提供了很好的參考. 孫歆碩等［8］基于長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土樁在軟弱地層難以成孔、成孔后樁端有虛土、樁頂浮漿不易清除、鋼筋籠下放困難等問(wèn)題，并研究分析了長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土樁的施工特點(diǎn)和關(guān)鍵步驟.

以上研究聚焦于長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工過(guò)程中土體剪切液化、孔隙水壓力上升、土體流動(dòng)等，但對(duì)樁身縮頸產(chǎn)生的另兩個(gè)不容忽視的問(wèn)題缺乏研究和探討，即軟黏土的超固結(jié)性和樁周土體受擾動(dòng)后抗剪強(qiáng)度降低. 在某一工況條件下，超固結(jié)土或擾動(dòng)后樁周的土壓力大于未凝固流態(tài)混凝土側(cè)壓力時(shí)，可能產(chǎn)生對(duì)混凝土的擠壓效應(yīng)，加劇了上述問(wèn)題的產(chǎn)生.

朱鐵梅等［9-11］研究了混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的側(cè)向壓力，其研究表明未凝固的混凝土具有流動(dòng)性，產(chǎn)生像流體一樣的壓力傳遞，隨著混凝土澆筑高度的增加，下部流動(dòng)性質(zhì)的混凝土對(duì)于模板或周?chē)耐馏w有很大的側(cè)向壓力. 隨著混凝土逐漸凝固，側(cè)向壓力逐漸變小. 影響混凝土側(cè)向壓力的因素有水泥的種類和用量、骨料特性、水灰比、化學(xué)摻合料、澆筑速度、澆筑方式、混凝土溫度、模板尺寸等. 粗骨料含量越高，初始側(cè)向壓力越低，澆筑后隨時(shí)間下降的速度越快；水含量提高，水泥顆粒周?chē)畬雍穸仍龊?，顆粒間的距離增加使內(nèi)聚力下降，顆粒的絮凝作用降低. 進(jìn)一步研究可知：當(dāng)水灰比增大，側(cè)向壓力的下降速度變快；高效減水劑的類型對(duì)初始側(cè)向壓力的影響是有限的，這是因?yàn)槌跏紓?cè)向壓力主要受內(nèi)摩擦角的影響，側(cè)向壓力隨時(shí)間下降的速度主要受內(nèi)聚力的影響；澆筑速度對(duì)混凝土側(cè)向壓力的影響至關(guān)重要，澆筑速度越快，側(cè)向壓力就越大，相反，澆筑速度降低，混凝土側(cè)向壓力降低. 趙建忠等［12］根據(jù)結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立計(jì)算模型，通數(shù)值模擬分析提出了自密實(shí)混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)模塊鋼板的側(cè)壓力特點(diǎn). 史曉婉、裴新意等［13-14］揭示了泵送自密實(shí)混凝土澆筑側(cè)壓力的分布規(guī)律，分析了實(shí)測(cè)側(cè)壓力值與流態(tài)計(jì)算值之間的關(guān)系.

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［15］《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50660—2011），混凝土側(cè)向壓力：

式中：γc為混凝土容重，可取24 kN/m3；h 為混凝土澆筑高度.

國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土側(cè)壓力進(jìn)行了大量的測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)混凝土側(cè)壓力分布從澆筑面向下至最大側(cè)壓力處，基本遵循三角形分布，達(dá)到最大值后，側(cè)壓力為矩形分布. 以樁為例時(shí)，假定如圖1.

有理論分析與試驗(yàn)表明，混凝土側(cè)壓力主要影響因素如下：

1）在一定澆筑速度下，混凝土的凝結(jié)時(shí)間隨溫度的降低而延長(zhǎng)，從而增加其有效壓力.

2）機(jī)械振搗的混凝土側(cè)壓力比手工搗實(shí)增大約56%.

3）側(cè)壓力隨坍落度增大而增大，當(dāng)坍落度從70 mm增大到120 mm時(shí)，其最大側(cè)壓力約增加13%.

4）摻加劑對(duì)混凝土的凝結(jié)速度和稠度有調(diào)整作用，從而影響到混凝土的側(cè)壓力，緩凝、稠度小混凝土一般可以增加側(cè)向壓力.

圖1 孔內(nèi)混凝土與土側(cè)向壓力分布示意Fig.1 Distribution of concrete lateral pressure

5）隨混凝土重力密度、超灌高度的增加而增大.

黏性土層發(fā)生某種程度超固結(jié)的原因主要是由于地表水或地下水靜水位發(fā)生變化，超固結(jié)黏土土壓力要大于正常固結(jié)黏土，但計(jì)算理論和試驗(yàn)方法仍處于進(jìn)一步研究階段［16-21］. 糾永志和黃茂松［22］通過(guò)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)對(duì)不同超固結(jié)比下飽和軟黏土的K0系數(shù)及超固結(jié)軟土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，常用的K0系數(shù)計(jì)算公式過(guò)高地估算較大超固結(jié)比時(shí)的K0值，提出K0超固結(jié)軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度公式. 楊仲元［23］通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)靜止土壓力系數(shù)隨超固結(jié)比的增大而增大的規(guī)律. 當(dāng)超固結(jié)比超過(guò)2.5時(shí)，靜止土壓力系數(shù)與超固結(jié)比為非線性關(guān)系，可用指數(shù)函數(shù)來(lái)近似表示.《河南省基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DBJ 41/139—2014）［24］提出超固結(jié)土靜止土壓力系數(shù)可采用K0= OCR(1-sin φ′s)進(jìn)行計(jì)算. 王國(guó)富等［25］依托濟(jì)南地鐵工程勘察，采用原位土體水平壓力測(cè)定儀（KSB）對(duì)濟(jì)南西北部黃河厚沖積層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與原位旁壓試驗(yàn)、室內(nèi)側(cè)壓力儀K0試驗(yàn)結(jié)果以及考慮黏性土內(nèi)摩擦角、塑性指數(shù)的K0計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，分析表明，KSB測(cè)試結(jié)果以指數(shù)形式插值推定原位靜止土壓力系數(shù)更優(yōu)；20 m深度范圍內(nèi)黃河沖積層黏性土可近似為正常固結(jié)飽和狀態(tài)，K0介于0.4～0.7之間并隨埋深減小.

2 縮頸與斷樁產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理分析

2.1 施工力學(xué)作用

長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、剪切會(huì)使孔隙水壓力上升，新近沉積得粉土和砂土可能發(fā)生液化. 樁周液化土重新固結(jié)的過(guò)程，將引起樁身混凝土體積的變化.

長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、剪切引發(fā)孔隙水壓力上升、新近沉積粉土、砂土的液化. 樁周液化土重新固結(jié)的過(guò)程，將引起樁身混凝土體積變化.

該體積變化量不能由充盈系數(shù)得到補(bǔ)償時(shí)將引起上部樁身混凝土的下沉及樁孔內(nèi)的混凝土可能被拉斷或“拉細(xì)”（如圖2），形成淺部斷樁或縮頸. 此外，因施工操作不規(guī)范，壓灌混凝土的泵送與提鉆不協(xié)調(diào)，等原因，可在孔底形成空隙引起樁身混凝土下沉，加劇了這一進(jìn)程. 當(dāng)土層分布為粉土、粉質(zhì)黏土交互層狀態(tài)時(shí)，上部樁身可能形成“糖葫蘆”狀.

圖2 成樁質(zhì)量效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of concrete pile quality effect

2.2 土力學(xué)作用

長(zhǎng)螺旋壓灌法采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔，鉆至孔底后利用混凝土泵車(chē)通過(guò)管道和鉆桿空腔將混凝土壓灌至孔底后，邊提升拔出鉆桿邊壓灌混凝土形成CFG樁. 這一過(guò)程中，因鉆具回轉(zhuǎn)振動(dòng)、剪切、壓灌等作用，對(duì)黃泛區(qū)新近沉積的粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂土的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，降低其抗剪強(qiáng)度，并可能引起粉土、砂土液化. 液化處產(chǎn)生擴(kuò)徑，引起擴(kuò)徑上部樁身流態(tài)混凝土產(chǎn)生下拉荷載；未液化處的黏性土土體抗剪強(qiáng)度降低，此時(shí)上覆土層厚度未發(fā)生改變，樁孔壁側(cè)向土壓力必然增加；對(duì)于樁周存在超固結(jié)黏性土?xí)r，因主動(dòng)土壓力較大，當(dāng)鉆桿移除后，將對(duì)流態(tài)混凝土產(chǎn)生擠壓作用（圖3）. 當(dāng)符合下列條件時(shí)可能產(chǎn)生縮頸：

圖3 樁側(cè)土擠壓流態(tài)混凝土作用示意Fig.3 Schematic diagram of the squeeze effect of surrounding soil on fluid concrete

式中：γc為混凝土容重；hi為縮頸處至樁頂混凝土澆筑面距離，超灌樁長(zhǎng)一般按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的10%；γi為土重度；h為縮頸處至施工地面距離. Ka為主動(dòng)土壓力. 不難理解，當(dāng)施工面距樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高距離越大時(shí)，左式大于右式的可能性越大.

上部樁身某段樁周為超固結(jié)土或軟土?xí)r，該段未凝固的混凝土對(duì)樁孔壁的側(cè)壓力可能小于樁側(cè)主動(dòng)土壓力. 縮頸、斷樁最可能發(fā)生在超固結(jié)的粉質(zhì)黏土、軟土層中.

綜上所述，當(dāng)某處混凝土補(bǔ)充量小于需求量，且同時(shí)受到一定的土壓力擠壓時(shí)，最有可能形成縮頸或斷樁.

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某工程地下1層，地上18層，剪力墻結(jié)構(gòu)，采用CFG樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，樁頂標(biāo)高-4.2 m，樁徑400 mm，樁長(zhǎng)16.5 m進(jìn)入第⑦層.

場(chǎng)地地貌單元屬于黃淮沖積平原，地面平坦，地下水為第四系潛水，位于自然地面以下5.5～6.5 m. 工程地質(zhì)條件，各層土抗剪強(qiáng)度與標(biāo)貫擊數(shù)等參數(shù)如表1、表2、圖4所示.

表1 土層條件及參數(shù)Tab.1 Soil conditions and parameters

表2 第⑤層砂土顆粒分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of sand particles in the ⑤layer

圖4 地質(zhì)剖面Fig.4 Geological section

采用長(zhǎng)螺旋泵送混凝土施工工藝，施工完成后進(jìn)行承載力與質(zhì)量檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果顯示單樁豎向承載力特征值不滿足設(shè)計(jì)要求，低應(yīng)變檢測(cè)抽查數(shù)量242 根，其中Ⅳ類樁211 根. 開(kāi)挖檢查發(fā)現(xiàn)CFG 縮頸樁數(shù)較多，發(fā)生在基底，如圖5所示.

圖5 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖至基底照片F(xiàn)ig.5 Photos of site excavation

3.2 孔壁土壓力對(duì)樁身質(zhì)量影響的計(jì)算分析

孔壁土壓力與混凝土側(cè)向應(yīng)力計(jì)算分析，超固結(jié)黏性土側(cè)向土壓力為

式中：K0= OCR(1-sin φ′s)，黃泛區(qū)超固結(jié)黏性土的超固結(jié)比，一般地 OCR =1～2.

樁側(cè)土壓力與混凝土側(cè)向壓力計(jì)算結(jié)果如圖6 所示. 實(shí)例工程基礎(chǔ)埋置深度4 m，基底位于第③層粉質(zhì)黏土，土層力學(xué)指標(biāo)如表1 所示，土層重度取γ=20 kN/m3，假定取 OCR =1. CFG樁施工時(shí)，混凝土設(shè)計(jì)超灌（超出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高）1 m，實(shí)際超灌量為2 m. 可以看出，基底位置處樁孔側(cè)壁土的側(cè)向壓力（不考慮樁周土體擾動(dòng)）為Ps0=63 kPa，而此處混凝土對(duì)樁孔壁的側(cè)向壓力為Pc0=48 kPa，小于樁側(cè)土壓力Ps0，具備了產(chǎn)生縮頸的條件.

圖6 樁孔側(cè)壓力計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of lateral pressure

隨深度增加，混凝土側(cè)向壓力、孔壁土壓力將增加，假定取 OCR =1.5，根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算埋深10 m處土的側(cè)向壓力（不考慮樁周土體擾動(dòng)）為Ps0=163.5 kPa，此處的混凝土側(cè)向壓力為Pc0=192 kPa，大于樁周土側(cè)壓力Ps0，產(chǎn)生縮頸的可能性將會(huì)降低. 以上計(jì)算表明，CFG樁上部淺層存在超固結(jié)黏性土或軟土?xí)r，具有產(chǎn)生縮頸的條件.

3.3 樁側(cè)土體液化對(duì)上部樁身質(zhì)量的影響分析

由表1可知，本工程第⑤層為平均厚度7.6 m的粉砂. 由圖4可知，地下水位位于設(shè)計(jì)樁頂以下大約1.5～2.0 m. 前已述及，在水位以下的新近沖積形成的粉砂、粉土施工CFG樁時(shí)，樁側(cè)第⑤層土體易受螺旋鉆桿擠壓、剪切、振動(dòng)作用發(fā)生液化，第⑤層液化后產(chǎn)生擴(kuò)徑造成混凝土充盈系數(shù)大于正常值的情況；當(dāng)混凝土泵送流量與鉆桿提升速度不匹配、混凝土泵送量不足時(shí)，液化處擴(kuò)徑會(huì)導(dǎo)致上部樁身混凝土的下沉，上部超灌混凝土不能及時(shí)補(bǔ)充將產(chǎn)生淺部斷樁，補(bǔ)充量不足將產(chǎn)生縮頸. 此外，從圖5中可以看出，可能因土層厚度、均勻性和超灌情況、泵送前拔管高度不同等原因，同一標(biāo)高處不同部位情況不盡相同. 因此，設(shè)計(jì)施工時(shí)，需要根據(jù)不同土層分布情況制定相應(yīng)的措施.

4 設(shè)計(jì)與施工對(duì)策

通過(guò)以上分析可知，黃泛區(qū)粉土、粉質(zhì)黏土交互土層高水位條件下，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土工藝施工CFG樁時(shí)，應(yīng)采取措施防止樁頂嚴(yán)重下沉、縮頸、斷樁等質(zhì)量問(wèn)題. 根據(jù)以上分析，提出采用以下對(duì)策.

4.1 設(shè)計(jì)措施

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性施工確定混凝土充盈系數(shù)，防止犯“經(jīng)驗(yàn)主義”的錯(cuò)誤影響施工質(zhì)量.

2）通過(guò)超固結(jié)土位置的土壓力平衡驗(yàn)算估算超灌混凝土高度，為施工樁長(zhǎng)提供設(shè)計(jì)依據(jù).

3）控制設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，使孔底水頭差控制在一定范圍以內(nèi). 樁長(zhǎng)過(guò)大不僅施工質(zhì)量難以保證，也不利于樁端阻力和樁側(cè)阻力的發(fā)揮.

4.2 施工措施

主要從減小施工擾動(dòng)、控制混凝土下沉、防止負(fù)壓重要三個(gè)方面采取相應(yīng)措施：

1）降低地下水位，一方面減少孔底水頭壓力，另一方面提高軟土固結(jié)度，降低上部樁間軟土搖震反應(yīng)靈敏度.

2）降低施工作業(yè)面標(biāo)高以減少空孔長(zhǎng)度，增加混凝土坍落度，添加緩凝劑、減少稠度，以減少流態(tài)混凝土側(cè)向壓力與樁側(cè)主動(dòng)土壓力的壓力差.

3）采取隔樁、隔排、區(qū)域跳打的施工方案，增加相鄰樁的施工時(shí)間間隔. 該方法有利于樁間土體強(qiáng)度恢復(fù).

4）及時(shí)清理鉆進(jìn)棄土，降低作用在淺部孔壁上的土壓力.

5）控制底部拔管抽真空度和孔底沉渣厚度. 混凝土打開(kāi)閥門(mén)前的提鉆高度嚴(yán)格控制在300 mm 以內(nèi).當(dāng)這一目標(biāo)控制有困難時(shí)（如施工中易發(fā)生混凝土堵管現(xiàn)象），可通過(guò)降低地下水、改變鉆頭開(kāi)門(mén)等方法降低閥門(mén)開(kāi)啟阻力，一方面防止下部形成空孔，另一方面防止樁孔周邊水土流向孔內(nèi).

6）改進(jìn)鉆頭，提高鉆進(jìn)速度，減少鉆進(jìn)對(duì)飽和砂土、粉土剪切擾動(dòng)和能量積累，減弱土體液化態(tài)勢(shì). 控制好鉆桿提升速度，使提升速度計(jì)算得到的混凝土量適當(dāng)小于泵送壓灌量.

以上設(shè)計(jì)與施工措施得到了工程實(shí)踐的驗(yàn)證，產(chǎn)生了良好的技術(shù)效果.

5 結(jié)論

本文運(yùn)用土力學(xué)基本理論和施工力學(xué)方法，分析了黃泛區(qū)高水位條件下粉土、粉質(zhì)黏土互層長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土CFG樁產(chǎn)生縮頸、斷樁的原因、作用機(jī)理，所得結(jié)論如下：

1）引起樁身縮頸、斷樁、樁頂嚴(yán)重下沉的原因?yàn)橄虏繕渡碇苓呁馏w的剪切液化、樁底空樁長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)等產(chǎn)生的樁孔容積增大、液化土體固結(jié)、孔底空隙等引起的樁身混凝土下沉，相應(yīng)縮頸或斷樁位置的超固結(jié)土或軟土土壓力大于該處混凝土側(cè)向壓力等共同作用的結(jié)果.

2）產(chǎn)生上述現(xiàn)象的條件一般為場(chǎng)地地下水位較高、樁長(zhǎng)范圍內(nèi)多為新近沉積的粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土，靈敏度較高，土體抗剪強(qiáng)度底、孔底水頭差較大.

3）縮頸程度或斷樁位置與土層分布條件有關(guān)，斷樁位置多位于樁身上部，施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的措施. 包括延長(zhǎng)相鄰樁施工時(shí)間間隔、提高鉆進(jìn)速度降低長(zhǎng)螺旋回轉(zhuǎn)剪切振動(dòng)；降低地下水位減小樁底水頭差、控制樁底空孔長(zhǎng)度；適當(dāng)增加混凝土超灌高度提高相應(yīng)位置流態(tài)混凝土的側(cè)向壓力等.

4）提出的控制設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、施工前降低地下水水位、增加相鄰樁施工時(shí)間間隙、適當(dāng)增加超灌混凝土高度、控制混凝土壓灌時(shí)的提鉆速度等設(shè)計(jì)與施工措施，可降低長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土樁縮頸、斷樁及樁頂嚴(yán)重下沉發(fā)生的概率.