梁 朋 屈建民 唐 婭 李棟森 匡焰軍 白 雪

1. 德成建設(shè)集團(tuán)有限公司 湖南 常德 415000；2. 湖南博聯(lián)工程檢測(cè)有限公司 湖南 常德 415000

一般工程中設(shè)計(jì)的現(xiàn)澆混凝土實(shí)心樁，其樁身豎向軸心受壓承載力計(jì)算值遠(yuǎn)大于基樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值。為了在確保承載力的同時(shí)，能節(jié)省多余的混凝土，工程上出現(xiàn)了大直徑現(xiàn)澆混凝土空心樁、筒樁和管樁等，但現(xiàn)澆混凝土中、小型空心樁仍極少見(jiàn)，其主要原因是目前中、小型空心樁的多種成樁工藝及專利文獻(xiàn)所提供的方法[1-3]，對(duì)降低施工成本的效果極有限。若能研發(fā)出一種低成本的成樁工藝，則現(xiàn)澆混凝土空心樁將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

為解決上述難題，我們摒棄了傳統(tǒng)思維，采取等效替換或轉(zhuǎn)換的辦法，研究出了利用夾芯替代空心且可由夾芯樁轉(zhuǎn)換成空心樁的低成本成樁工藝。

1 現(xiàn)澆混凝土夾芯樁的可行性分析

眾所周知，泥漿護(hù)壁成孔灌注樁在成孔過(guò)程中，對(duì)于不同的地質(zhì)條件，使用了相應(yīng)合理密度的泥漿來(lái)防止孔壁坍塌，同時(shí)泥漿循環(huán)上涌又將成孔的渣土送出孔口。這一神奇的泥漿護(hù)壁工作原理，給我們一個(gè)很大的啟示：在樁體新澆混凝土中先預(yù)埋的鋼管內(nèi)或后沉入的鋼管內(nèi)灌入某種合理密度的護(hù)壁夾芯材料，令其及時(shí)填充拔管留下的空間，防止處于流塑狀態(tài)的混凝土筒壁坍塌，就能實(shí)現(xiàn)施工的連續(xù)性，制作出與空心樁等效的夾芯樁。若有必要令?yuàn)A芯樁成為空心樁體時(shí)，可在夾芯體內(nèi)注入高壓水流沖出夾芯材料，抽干水就能形成理想的空心樁。

2 護(hù)壁夾芯材料的選擇

護(hù)壁夾芯材料無(wú)需全等同于泥漿對(duì)泥漿護(hù)壁成孔灌注樁成孔的雙作用，只需對(duì)處于流塑狀態(tài)的混凝土內(nèi)筒壁進(jìn)行有效護(hù)壁即可。經(jīng)分析，要求夾芯材料的合理密度應(yīng)約等于新澆混凝土的密度。若密度相差太大，則極易發(fā)生相互滲透或筒壁坍塌，影響樁身質(zhì)量。

選擇夾芯材料時(shí)，還應(yīng)考慮對(duì)拔管引起的側(cè)阻值要小、孔隙率低、廉價(jià)易取等因素。經(jīng)對(duì)超高密度泥漿、多種散粒材料、砂石混合泥漿等性能的綜合比較分析，初步結(jié)論為：

1）宜優(yōu)先選用合理密度的砂石混合泥漿作為夾芯材料，其具有可泵送、易操作、價(jià)廉、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但注意拔管過(guò)程中應(yīng)停止振管。

2）有條件的場(chǎng)地也可采用山礫石、砂或砂石混合料作為夾芯材料，其較易操作，但價(jià)格稍貴；同時(shí)，拔管阻力相對(duì)較大，拔管過(guò)程中不宜過(guò)分振動(dòng)。

3 模擬夾芯樁試驗(yàn)

3.1 模擬夾芯樁的試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

夾芯樁能否成功，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是夾芯材料護(hù)壁是否可靠。本試驗(yàn)選用較不利的粒徑20 mm的碎石和相對(duì)密度為1.72的泥漿，分別作為夾芯材料。模擬樁的試驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)夾芯材料處于樁內(nèi)的成形狀態(tài)、夾芯材料與混凝土相互滲透的影響程度以及拔管的阻力大小等。

3.2 模擬夾芯樁的制作過(guò)程簡(jiǎn)述

將長(zhǎng)4.1 m、DN400 mm的HDPE雙壁波紋管立于平整的地面，其周邊搭設(shè)可靠的操作架；HDPE雙壁波紋管管內(nèi)插入外徑為165 mm（內(nèi)徑為160 mm）、長(zhǎng)為4.5 m的鋼管，且垂直居中；先向HDPE雙壁波紋管與鋼管之間灌注坍落度為200 mm的C25混凝土，后向鋼管內(nèi)投入高1 m的碎石，且在碎石頂蓋上一塊φ155 mm木膠板（用于隔離上部泥漿），再灌入相對(duì)密度為1.72的黏土泥漿至高3.1 m，并用竹竿反復(fù)穿插消除氣塞，然后在不振動(dòng)時(shí)以0.3 m/min速度立即拔出鋼管。模擬樁豎向剖面如圖1所示。

圖1 模擬樁豎向剖面

3.3 觀測(cè)、試驗(yàn)

1）觀測(cè)。在拔管過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)混凝土和泥漿均有下沉現(xiàn)象?；炷翝仓?0 d后，放倒樁身，在樁底碎石段截取1節(jié)600 mm長(zhǎng)筒體，在泥漿段截取2節(jié)600 mm筒體。觀測(cè)到碎石節(jié)基本成形，混凝土漿體浸入碎石周邊孔隙，深度3～4 mm，周邊碎石被嵌固形成犬牙狀。觀測(cè)2個(gè)泥漿節(jié)，均成形良好，其孔徑同鋼管內(nèi)徑。

2）試驗(yàn)。澆筑后的第24 d，由湖南博聯(lián)工程檢測(cè)有限公司對(duì)3節(jié)筒體進(jìn)行了鉆芯取樣并試壓，其強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25。

3.4 模擬試驗(yàn)小結(jié)

模擬樁試驗(yàn)時(shí)采用高密度純泥漿和碎石分別作為護(hù)壁夾芯材料，均獲得護(hù)壁成功，但出現(xiàn)的問(wèn)題基本上同此前初步性能分析的情況：純泥漿灌入流速很慢，極易發(fā)生氣塞，拔管速度需控制在0.3 m/min內(nèi)，拔管后管內(nèi)黏附的泥漿較多，顯然這不利于工程樁成樁；利用孔隙較大的碎石等散粒材料時(shí)，混凝土的部分漿體流失，同時(shí)不能泵送，因而影響施工速度，且材料價(jià)格偏高，不適合工程利用。通過(guò)前述的夾芯材料分析和模擬樁試驗(yàn)結(jié)果，為下一步工程試驗(yàn)樁采用砂石混合泥漿作為護(hù)壁夾芯材料奠定了基礎(chǔ)。

4 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌夾芯樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

后沉管擠土擴(kuò)徑夾芯樁的試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證后沉管夾芯樁的砂石混合泥漿護(hù)壁可靠性；探究后沉管夾芯樁的正確施工方法；進(jìn)行壓樁試驗(yàn)，對(duì)比混凝土實(shí)心樁與后沉管擠土擴(kuò)徑夾芯樁承載力的差異。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試樁制作過(guò)程簡(jiǎn)介

試樁地點(diǎn)為常德市某工程項(xiàng)目地下室基坑鄰近的ZK49位，實(shí)心樁與夾芯樁間距約7 m。ZK49位的相關(guān)地勘資料如圖2所示。長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁在粉土、粉砂中的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為52、38 kPa，在圓礫中的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為110 kPa，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為3 600 kPa。

圖2 ZK49位的相關(guān)地勘資料（柱狀圖）

施工操作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

1）先打一根直徑600 mm的長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁，混凝土坍落度為200 mm，強(qiáng)度為C30。樁入土深度11.21 m，進(jìn)入圓礫層約2.03 m，事后樁機(jī)移位。

2）用專用打鋼管樁的設(shè)備，提吊已灌滿坍落度為200 mm砂石混合泥漿的φ 350 mm鋼管（預(yù)制樁尖φ375 mm），按振動(dòng)沉管灌注樁全長(zhǎng)復(fù)打的工藝要求，振沉約9.58 m（夾芯入圓礫層約400 mm）后以0.8 m/min速度拔出鋼管。觀察到振沉鋼管進(jìn)入原混凝土樁體的速度較快（振動(dòng)錘動(dòng)力為300 kN），孔口有少量混凝土溢出，孔頂樁徑未見(jiàn)擴(kuò)大；拔管很輕松、順暢，夾芯料已全部進(jìn)入樁體內(nèi)。分析孔頂樁徑未見(jiàn)擴(kuò)大的主要原因是表土較硬，樁頂混凝土上部無(wú)約束而溢出。

3）在完成夾芯樁后，在距夾芯樁約7 m處，另打一根直徑600 mm實(shí)心樁，其入土深度為11.65 m，進(jìn)入圓礫層2.03 m。

現(xiàn)場(chǎng)試樁剖面如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試樁剖面

4.2 2種樁體的豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算

根據(jù)豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)規(guī)范公式，并用圖示相關(guān)參數(shù)代入，可得出實(shí)心樁的承載力標(biāo)準(zhǔn)值QUK＝2 162.71 kN；對(duì)于沉管擠土擴(kuò)徑夾芯樁，設(shè)原樁徑為D1，樁尖直徑為D2，則效應(yīng)擴(kuò)徑值D＝（）1/2＝0.71 m，由此得出沉管擠土擴(kuò)徑夾芯樁的承載力標(biāo)準(zhǔn)值（考慮樁尖的折算作用高度為0.2 m）Q'UK＝2 674.58 kN。

為了求得較準(zhǔn)確的對(duì)比數(shù)據(jù)，假定實(shí)心樁與夾芯樁同長(zhǎng)，此時(shí)的承載力標(biāo)準(zhǔn)值Q''UK＝2 119.60 kN。

樁體夾芯后，其承載力按估算值的提高率ρ＝（Q'UKQ''UK）/Q'UK＝26%。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)心樁和擴(kuò)徑后的夾芯樁做破壞性試壓，試壓報(bào)告指出：實(shí)心樁試壓結(jié)果為1 980 kN（＜估算值QUK＝2 162.71 kN），夾芯樁試壓結(jié)果為2 880 kN（＞估算值Q'UK＝2 674.58 kN）。

由以上數(shù)據(jù)可得出：原樁體擠土擴(kuò)徑夾芯后，樁的承載能力得到較大提高，且提高值大于估算值。

5 簡(jiǎn)介幾種夾芯樁的施工方法

5.1 預(yù)埋管夾芯樁

預(yù)埋管夾芯樁多用于干作業(yè)成孔的中、小樁型。該方法主要是節(jié)約了樁體多余的混凝土部分，且樁成形質(zhì)量好，本文的模擬樁是很好的例證。

其施工順序?yàn)椋呵謇順犊住跞刖又衅?、安放鋼筋籠→安放鋼管且校正→鋼管內(nèi)先灌入50 cm左右高的混凝土，再灌滿砂石混合泥漿→澆灌鋼管外周混凝土→拔管初始振動(dòng)鋼管，拔管過(guò)程中停止振動(dòng)。部分施工過(guò)程如圖4～圖6所示。

圖4 成孔后安放鋼筋籠

圖5 安放鋼管、灌夾芯料

圖6 鋼管外灌混凝土

5.2 后沉管夾芯樁

后沉管夾芯樁可用于除人工挖孔樁外的各類型現(xiàn)澆混凝土灌注樁。后沉管夾芯樁擴(kuò)大了原樁徑，提高了原樁的承載力，成樁速度快，但沉管和拔管時(shí)要嚴(yán)格落實(shí)鋼管垂直居中措施。

其施工順序?yàn)椋簶扼w混凝土澆筑完成→安放樁尖和繩墊→振沉鋼管→管內(nèi)灌滿砂石混合泥漿→振沉鋼筋籠→拔管初始振動(dòng)鋼管，拔管過(guò)程中停止振動(dòng)。部分施工過(guò)程如圖7～圖9所示。

圖7 成孔后灌注混凝土

圖8 沉鋼管后灌夾芯料

圖9 沉鋼筋籠后拔管

5.3 大直徑夾芯樁

大直徑夾芯樁施工時(shí)，采用單管夾芯的鋼管直徑和施工設(shè)備將受到一定限制，可以采用多管埋置方式或后沉多管方式進(jìn)行（圖10～圖13）。

圖10 預(yù)埋管剖面示意

圖11 后沉管剖面示意

圖12 預(yù)埋管成樁截面

圖13 后沉管成樁截面

1）大直徑干作業(yè)成孔夾芯樁施工順序?yàn)椋呵蹇住醴胖行匿摴艿撞慷ㄎ黄鳌惭b鋼筋籠→安裝中心鋼管→吊掛附鋼管→吊掛鋼筋箍→泵送混凝土，令混凝土也進(jìn)入各管內(nèi)不少于50 cm高→分別同步在管內(nèi)灌入砂石混合泥漿、管外泵入混凝土→拔出附鋼管→拔出中心鋼管。

2）大直徑泥漿護(hù)壁成孔灌注夾芯樁施工順序基本同大直徑干作業(yè)成孔夾芯樁，只是原管內(nèi)泥漿濃度較低，需另置換高密度砂石混合泥漿。注意砂石混合泥漿投入的增高值應(yīng)等同于鋼管外混凝土的增高值。

3）后沉多管大直徑夾芯樁施工方法基本上是第5.2節(jié)和第5.3節(jié)的工藝組合，即施工順序?yàn)椋涸瓨痘炷翝仓瓿伞癯林行匿摴懿⒐鄪A芯料→對(duì)稱振沉各鋼管并灌夾芯料→無(wú)振動(dòng)條件下拔出各鋼管。

6 綜合效益分析

6.1 樁體直接費(fèi)（成本）經(jīng)濟(jì)效益分析

不同類型樁的成樁工藝有差別，但預(yù)埋管法和后沉管法形成的夾芯部分價(jià)格基本相同。

1）以本地區(qū)市場(chǎng)信息價(jià)，按振動(dòng)沉管樁費(fèi)用再進(jìn)行材料換算，可得每1 m3夾芯柱的費(fèi)用為354.26元。

2）對(duì)于預(yù)埋管法施工夾芯樁，只能從預(yù)拌混凝土中獲得節(jié)約，C30市場(chǎng)價(jià)為440元/m3，則每使用1 m3夾芯柱節(jié)約費(fèi)用為85.74元。

3）對(duì)于后沉管法施工夾芯樁，因沉管擴(kuò)大樁徑后單樁承載力提高，其每使用1 m3夾芯柱節(jié)約費(fèi)用為原樁型每1 m3成樁費(fèi)用減去每1 m3夾芯柱費(fèi)用。如：長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌夾芯樁每使用1 m3夾芯柱可節(jié)約費(fèi)用750元/m3左右，泥漿護(hù)壁沖孔夾芯樁每使用1 m3夾芯柱可節(jié)約費(fèi)用1 020元/m3左右等。

從上例粗略估算可知：后沉管法施工夾芯樁比預(yù)埋管法施工夾芯樁的直接經(jīng)濟(jì)效益好很多。另外，后沉管法提高了單樁承載力，則原群樁受力承臺(tái)下的樁數(shù)量減少，相應(yīng)地減少了群樁承臺(tái)的體量，降低了工程成本。

6.2 社會(huì)意義

1）樁基混凝土總用量減少，則水泥用量減少，減少了生產(chǎn)水泥對(duì)環(huán)境的污染。

2）就地利用余土拌制成護(hù)壁夾芯料回灌，減少了余土外運(yùn)和余土（泥漿）對(duì)環(huán)境的污染。

3）后沉管夾芯樁工藝是傳統(tǒng)打樁工藝與沉管夾芯工藝的有機(jī)結(jié)合，且具有互不干擾、施工連續(xù)、操作簡(jiǎn)易快捷、成本低等優(yōu)點(diǎn)，這為今后的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

7 設(shè)計(jì)和施工的注意事項(xiàng)

7.1 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）后沉管夾芯樁的效應(yīng)擴(kuò)徑值可作為基樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的估算依據(jù)；后沉管在穿越硬土夾層時(shí)，幾乎未能擴(kuò)徑，所以當(dāng)樁身軸心受壓時(shí)，其正截面受壓承載力設(shè)計(jì)值，只能由原樁截面減去夾芯面積進(jìn)行計(jì)算。

2）考慮鋼筋的內(nèi)外保護(hù)層厚度，其夾芯直徑應(yīng)至少比原樁直徑小250 mm。

3）后沉管中、小直徑夾芯樁不應(yīng)用于支護(hù)樁或承受較大水平荷載的樁體。

7.2 施工注意事項(xiàng)

1）采用預(yù)埋鋼管施工直徑小于1.2 m的夾芯樁時(shí)，因筒壁厚度較小且有鋼筋籠占位，澆灌混凝土?xí)龅嚼щy，施工時(shí)應(yīng)有可靠的質(zhì)量保證措施。

2）單管預(yù)埋或多管預(yù)埋的中心管下端應(yīng)先在樁孔底安放居中器；居中器宜做成十字形，且在十字桿件端部焊有船形鋼板，其十字形長(zhǎng)度應(yīng)比原樁孔徑小20 mm左右。注意管內(nèi)先灌0.5～1.0 m高混凝土，再灌夾芯料。

3）后沉單管時(shí)，其管底端應(yīng)設(shè)居中器，在沉管過(guò)程中注意按以下操作過(guò)程進(jìn)行：空管自重下沉→下沉停止后校正→灌夾芯料伴振動(dòng)下沉至設(shè)計(jì)深度→再次校正。

4）大直徑樁采用沉管擴(kuò)徑時(shí)，樁頂混凝土不宜全灌滿，應(yīng)留適當(dāng)孔口高度，以免沉管引起的混凝土上擠溢出造成浪費(fèi)。

5）鋼管拔出時(shí)應(yīng)沿原樁軸線方向進(jìn)行，拔管初始可振動(dòng)，在拔管上提過(guò)程中停止振管。

8 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)澆混凝土夾芯樁實(shí)質(zhì)上是現(xiàn)澆混凝土空心樁的等效替代體，結(jié)構(gòu)合理。通過(guò)本文的相關(guān)研究，得出以下結(jié)論：

1）就地利用余土制成砂石混合泥漿作為夾芯材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新澆混凝土內(nèi)筒壁的有效護(hù)壁，從而保證了施工連續(xù)性，這是本研究的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

2）后沉管夾芯樁實(shí)現(xiàn)了無(wú)新增混凝土擠土擴(kuò)徑，提高了單樁承載力，大幅度降低了成本。

3）采用預(yù)埋多管法或后沉多管法可實(shí)現(xiàn)大直徑夾芯樁（空心樁）的施工，其經(jīng)濟(jì)效益將更顯著。

4）夾芯樁的施工工藝是2種傳統(tǒng)簡(jiǎn)易工藝的有機(jī)組合，且操作簡(jiǎn)單，施工快捷，綜合效益顯著。

這些優(yōu)勢(shì)為其更廣泛的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。