馬曉武，孫杰飛，鄭建國(guó)

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 引 言

旋挖成孔灌注樁，目前在國(guó)際工程項(xiàng)目的地基與基礎(chǔ)中應(yīng)用十分廣泛，尤其是對(duì)荷載要求較高或有著動(dòng)荷載的基礎(chǔ)，普遍采用旋挖成孔灌注樁。該工藝優(yōu)點(diǎn)明顯：性價(jià)比高、施工周期較短、工藝成熟、單樁承載力較高[1]等等。但由于鉆孔灌注樁施工工藝的特殊性，其承載力受施工中的因素影響較大，特別是孔底沉渣嚴(yán)重影響樁承載力的發(fā)揮[2]。因此，施工過(guò)程中加強(qiáng)孔底沉渣厚度的控制與檢測(cè)，是保證鉆孔灌注樁施工質(zhì)量和樁基承載力的關(guān)鍵措施，而大部分樁基工程中，孔底沉渣二次清孔的環(huán)節(jié)會(huì)被忽視，未能引起足夠的重視。本文結(jié)合某海外項(xiàng)目實(shí)例對(duì)海邊復(fù)雜地層使用灌注樁工藝時(shí)孔底沉渣的二次清孔方法效果及保證措施進(jìn)行探討和建議。

1 項(xiàng)目背景

南美某電廠擬在原機(jī)組南側(cè)擴(kuò)建一臺(tái)高功率機(jī)組，廠址地貌屬于河灣與三沖河沖積平原相接地帶，南部與山脈相連，北鄰加勒比海，距離海邊的直線距離不足300 m。

根據(jù)勘察報(bào)告揭露所示，地基巖土層由上而下的簡(jiǎn)要分述為下：

①雜填土：主要成分為建筑垃圾，結(jié)構(gòu)較為松散，N平均值為9，抗壓離散性較大，一般層厚為0.60～0.95 m。

②珊瑚礁：灰白色，溶蝕現(xiàn)象明顯，溶孔少量發(fā)育，呈中等風(fēng)化狀，一般層厚為0.50～6.80 m。

③粉砂：根據(jù)該層密實(shí)度差異，分三個(gè)亞層，其中③-1層飽和、松散-稍密，一般層厚 1.00～14.10 m；③-2層連續(xù)性較差，飽和、中密，一般層厚 0.90～9.10 m；③-3層連續(xù)性也較差，飽和、密實(shí)，一般層厚1.30～6.80 m。

④黏土：深灰、灰黑色，含多量朽木碎屑，具濃烈的腥臭味，可塑狀態(tài)，N平均值為9，抗壓離散性略大，一般層厚為0.40～8.40 m。

⑤粉土：根據(jù)該層密實(shí)度差異，分兩個(gè)亞層，其中⑤-1層飽和、稍密，一般層厚 2.00～3.70 m；⑤-2層飽和、中密，一般層厚1.00～13.90 m。

⑥中粗砂：灰白、褐黃色為主，飽和、密實(shí)，N平均值為65，較硬，一般層厚為0.70～15.60 m。

⑦粉細(xì)砂：黃褐色為主，飽和、密實(shí)，分布連續(xù)性差，一般層厚為1.30～8.80 m。

⑧粉質(zhì)黏土：褐黃、黃褐色，偶見(jiàn)鐵質(zhì)結(jié)核，局部呈半成巖狀態(tài)，土體中裂隙較發(fā)育，堅(jiān)硬狀態(tài)，一般層厚為0.50～11.30 m。

⑨礫巖：灰白色為主，巖性較堅(jiān)硬，中等風(fēng)化，一般層厚為0.60～1.20 m。

⑩泥質(zhì)砂巖：該層巖性十分復(fù)雜，有砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖，空間分布連續(xù)性很差，鑒于上述幾種巖石物理力學(xué)性質(zhì)相差不大，統(tǒng)一定義為泥質(zhì)砂巖。根據(jù)風(fēng)化程度，劃分為兩個(gè)亞層，其中⑩-1層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，程度不均，局部呈砂狀、土狀，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，節(jié)理裂隙面光滑；⑩-2層為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖性相對(duì)完整，節(jié)理裂隙少量發(fā)育。N平均值為123，最大可達(dá)214，變異系數(shù)0.34。

為了確定該項(xiàng)目工程地質(zhì)條件下灌注樁工藝的可行性，明確施工過(guò)程中質(zhì)量控制范圍的重點(diǎn)，為持力層選擇提供一定的依據(jù)，對(duì)該工藝應(yīng)當(dāng)進(jìn)行試樁。

2 試樁設(shè)計(jì)

灌注樁的常規(guī)試驗(yàn)一般對(duì)單樁豎向抗壓、水平和樁身完整性進(jìn)行驗(yàn)證，孔底沉渣主要影響的是豎向抗壓極限承載力，在此只考慮該種承載力的方案設(shè)計(jì)。

孔底沉渣厚度控制的關(guān)鍵在于二次清孔方法的選擇，由于項(xiàng)目地點(diǎn)位于國(guó)外，當(dāng)?shù)刭Y源不及國(guó)內(nèi)豐富，結(jié)合項(xiàng)目地層情況和當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有資源，擬采用循環(huán)灌漿法和泵吸反循環(huán)法進(jìn)行比較。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)了四組試樁（800 mm樁徑和600 mm樁徑各兩組，有效樁長(zhǎng)約為25～33 m，具體如表1所示），持力層均為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。四組試樁成樁過(guò)程中的主要區(qū)別就在于樁徑和二次清孔的方法不同。下面對(duì)兩種清孔方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

表1 試樁清孔方法及部分參數(shù)Table 1 Test pile hole cleaning methods and some parameters

2.1 循環(huán)灌漿法清孔

循環(huán)灌漿清孔的目的是使沉渣從導(dǎo)管外部流出。外接動(dòng)力（例如空氣）通過(guò)導(dǎo)管注入新制泥漿，泥漿密度根據(jù)不同地層進(jìn)行配置，大約控制在1.15～1.25之間，避免太大或太小而影響清洗效果，帶壓泥漿攜帶沉渣通過(guò)導(dǎo)管與孔壁形成的環(huán)閉空間上返，排出孔口以外，以達(dá)到沉渣清理。這種方法對(duì)于樁長(zhǎng)較短的灌注樁來(lái)說(shuō)，是比較經(jīng)濟(jì)合理的，在該項(xiàng)目的試樁中也達(dá)到了相應(yīng)的效果。

2.2 反循環(huán)清孔

泵吸反循環(huán)清孔的目的是使沉渣從導(dǎo)管內(nèi)部被抽出。利用離心泵的抽吸力量，在導(dǎo)管口處形成負(fù)壓，孔口的泥漿在大氣壓的作用下，經(jīng)導(dǎo)管攜帶沉渣經(jīng)導(dǎo)管中空而上升，通過(guò)膠管從泵中排至沉淀池中。經(jīng)沉淀后的泥漿，以自流的方式自井口流至井底，形成循環(huán)。常用的泵為砂石泵，它要求能排出沉渣而又要有較大的真空度[3]。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果簡(jiǎn)要分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

施工完畢28 d后，待樁身混凝土抗壓強(qiáng)度均達(dá)到 100%，對(duì)四組試樁均進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證承載力效果。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，預(yù)估800 mm直徑和600 mm直徑單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值分別為3 000 kN和1 800 kN。

該項(xiàng)目因地處南美，應(yīng)業(yè)主要求，需共同參照國(guó)內(nèi)JGJ 106和美標(biāo)ASTM-D 1143中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)美標(biāo)中的循環(huán)荷載測(cè)試（8.1.8）[4]：“對(duì)于首次施加的試驗(yàn)荷載增量，在施加相當(dāng)于單樁試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)荷載的 50%、100%和 150%的荷載”，制定了具體的循環(huán)加載數(shù)值如表2所示。

表2 不同樁徑分次循環(huán)加載峰值Table 2 Cyclic loading peak values for different pile diameters

每一次根據(jù)加載峰值來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)程序上國(guó)標(biāo)與美標(biāo)差異不大，都可以通過(guò)觀測(cè)單樁的沉降量來(lái)判斷極限承載力。在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溝通并結(jié)合實(shí)際情況后，大部分的試驗(yàn)程序以美標(biāo)為準(zhǔn)：

（1）以25%的設(shè)計(jì)荷載增量施加各級(jí)荷載。

（2）維持每級(jí)荷載，直到變形速度小于0.25 mm/h，維持時(shí)間不超過(guò)2 h。

（3）總變形應(yīng)小于樁直徑的15%。

（4）在完成最后的荷載增量后，以最大測(cè)試荷載25%的減量進(jìn)行卸載，每級(jí)荷載之間間隔1 h[4]。

循環(huán)灌漿法清孔的800 mm試樁極限承載力不均勻，有兩根試樁在第二次和第三次加載中出現(xiàn)了較大沉降量，并通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定（每小時(shí)沉降量低于0.25 mm），分別在6 750 kN和8 250 kN（見(jiàn)圖1）終止了加載。次循環(huán)分級(jí)加載后，沉降量均符合要求。

圖1 第一組試樁Q-s曲線Fig. 1 Q-s Curve of test piles in group 1

反觀泵吸反循環(huán)法清孔的 800 mm試樁和600 mm試樁，在第三個(gè)循環(huán)中，800 mm和600 mm的試樁在峰值荷載的作用力下位移較小，總沉降量分別為22.49 mm和10.53 mm（圖2）。

圖2 第二組和第四組試樁S-lgt曲線Fig. 2 S-lgt curve of test piles in group 2 and 4

卸載后的塑性變形量分別介于 2.92～4.73 mm之間，可以認(rèn)為兩組試樁尚未出現(xiàn)極限狀態(tài)（圖 3）。

圖3 第二組和第四組試樁Q-s曲線Fig. 3 Q-s curve of test piles in group 2 and 4

3.2 試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)要分析

由于在試驗(yàn)過(guò)程中，循環(huán)灌漿法下的800 mm樁徑試樁出現(xiàn)了不止一次沉降量較大的情況，且達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)，參照一般Q-s和s-lgt曲線的承載力，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工情況綜合考慮[5]，四組試樁的推薦承載力值如表3所示。

表3 承載力取值Table 3 Bearing capacity values

當(dāng)使用泵吸反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔的試樁，兩種樁徑的試樁在沉降量上都表現(xiàn)良好，根據(jù)上述同樣方法，可推薦800 mm樁徑和600 mm樁徑單樁的極限承載力分別取9 000 kN和5 400 kN。

根據(jù)以上檢測(cè)出現(xiàn)的不同情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，分析原因主要有三點(diǎn)：

（1）針對(duì)循環(huán)灌漿法不同樁徑的檢測(cè)結(jié)果，600 mm樁徑的樁施工時(shí)充盈系數(shù)較大，換算等效樁徑接近700 mm，因此，600 mm樁徑的樁承載力相對(duì)較高。

（2）采用循環(huán)灌漿法清孔時(shí)，當(dāng)樁徑較小時(shí)，導(dǎo)管外壁與孔壁之間的泥漿斷面相對(duì)較小，在一定的注入流量下，小直徑的樁必然比大直徑的樁擁有更高的上返流速和沖擊力，相對(duì)提高了清除孔底沉渣的效果。

（3）針對(duì)兩種不同清孔方法的檢測(cè)結(jié)果不同，可以判斷，泵吸反循環(huán)無(wú)論是800 mm或是600 mm均能取得預(yù)想的效果，而不受樁徑大小的影響，在同一個(gè)項(xiàng)目中，如果同時(shí)存在樁徑不同的樁，相比循環(huán)灌漿法，泵吸反循環(huán)法更經(jīng)濟(jì)合理，值得推廣。

整個(gè)廠區(qū)共施工了1 913根灌注樁，采用高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)對(duì)29個(gè)部位的105根灌注樁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，共105根檢測(cè)樁的單樁承載力均能滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 工程樁檢測(cè)結(jié)果Table 4 Test results of engineering piles

4 孔底沉渣厚度控制的質(zhì)量保證措施

根據(jù)上文中試樁的試驗(yàn)結(jié)果，可以正面反映出混凝土灌注前孔底沉渣的厚度對(duì)于單樁承載力的影響。通過(guò)對(duì)施工流程的觀察，該工藝根據(jù)機(jī)械和材料的使用大致可分為三個(gè)流程，分別是成孔、鋼筋籠制作及安裝、混凝土灌注，這些流程都會(huì)對(duì)孔底沉渣厚度有一定的影響，簡(jiǎn)單列舉如下，并提出一些防治措施供參考[6]。

4.1 成孔

該項(xiàng)目鄰近海邊，場(chǎng)地地下水較淺，需進(jìn)行泥漿護(hù)壁濕作業(yè)成孔。項(xiàng)目地處南美加勒比海地區(qū)，考慮運(yùn)輸成本因素，采用了化學(xué)泥漿作為護(hù)壁劑。

護(hù)壁液比重是關(guān)鍵指標(biāo)，如果比重較小，孔內(nèi)泥漿中顆粒難以懸浮，會(huì)較快沉淀至孔底，而鉆頭底部存在較大空隙，每次鉆進(jìn)取土?xí)r都會(huì)殘留部分渣土難以撈起；另外，鉆頭在提升過(guò)程中容易將孔底下部空間形成真空，且當(dāng)鉆頭下放和提升時(shí)，均不時(shí)刮擦孔壁，增加了泥漿中的顆粒懸浮比例，最終造成沉渣量的增加。

針對(duì)以上可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，首先，在施工前通過(guò)試驗(yàn)確定泥漿和水的配比，必要時(shí)也可進(jìn)行試樁成孔對(duì)比沉渣厚度；施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)每根樁成孔前泥漿池內(nèi)的泥漿比重和黏度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前期試驗(yàn)結(jié)果相符。其次，在鉆進(jìn)取土過(guò)程中，鉆頭應(yīng)當(dāng)慢下，不打滿鉆，最大程度的減小與孔壁的接觸，提離孔口時(shí)，對(duì)孔內(nèi)需要有一個(gè)較大量的泥漿補(bǔ)充，避免水壓不夠而導(dǎo)致塌孔。終孔后，應(yīng)當(dāng)使用撈砂鉆頭對(duì)孔底進(jìn)行一次清孔，以保證成孔深度滿足設(shè)計(jì)要求。

除此之外，配套設(shè)備的調(diào)整也是關(guān)鍵。因該項(xiàng)目地層中包含泥質(zhì)砂巖，深度較深，鉆機(jī)在鉆進(jìn)至此層時(shí)，鉆桿扭矩逐漸變小，鉆頭斗齒與鉆頭底部平面的角度會(huì)直接影響鉆進(jìn)效率，故需根據(jù)鉆進(jìn)工效隨時(shí)調(diào)整角度。

4.2 鋼筋籠制作及安裝

鋼筋籠制作過(guò)程一般不會(huì)對(duì)沉渣有所影響，但是在鋼筋籠尾部的鋼筋分布上需要注意，避免在運(yùn)輸過(guò)程中導(dǎo)致尾部鋼筋外翻；在鋼筋籠安裝部分，圖紙中都會(huì)對(duì)鋼筋籠中下放有明確要求，主要目的是發(fā)揮鋼筋籠在樁體中的抗剪能力，同時(shí)為了避免在安放鋼筋籠過(guò)程中發(fā)生刮擦孔壁現(xiàn)象。

鋼筋籠的安裝應(yīng)當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)械，垂直下放，并沿鋼筋籠體布置墊塊，幫助其居中，達(dá)到減小刮擦孔壁次數(shù)的效果。

4.3 二次清孔及混凝土灌注

對(duì)于泵吸反循環(huán)法二次清孔，為了使沉渣能順利通過(guò)，泵體內(nèi)的自由通道應(yīng)與導(dǎo)管內(nèi)徑接近。砂石泵的葉片間隙要大，而且要求泵體和葉片有較好的耐磨性。砂石泵的流量根據(jù)導(dǎo)管內(nèi)徑而定，一般為120～240 m3/h，最大可達(dá)500 m3/h。因流量較大，在作業(yè)前，應(yīng)當(dāng)在孔口圍成較大的蓄水圈，以便泵開(kāi)啟時(shí)，能夠及時(shí)給孔內(nèi)補(bǔ)足泥漿，避免塌孔現(xiàn)象。

二次清孔處理沉渣后進(jìn)行混凝土灌注。泥漿中的顆粒懸浮物會(huì)隨著時(shí)間的流逝，慢慢聚集在孔底，并有一定的黏結(jié)能力，從而在孔底形成較為頑固的沉渣，因此，導(dǎo)管安裝的工效也會(huì)對(duì)沉渣厚度有所影響。二次清孔以后，在混凝土灌注的大漏斗中設(shè)置同等標(biāo)號(hào)混凝土隔水球，保證混凝土的初灌量，通過(guò)初灌混凝土的重力作用，在沖出導(dǎo)管底部的一瞬間，將孔底沉渣沖至于混凝土上部，隨后連續(xù)正常灌注，最終成樁?；炷脸豕嗔靠梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得出[7]：

式中：V為初灌混凝土所需數(shù)量，m3；D為樁徑，m；h2為初灌后導(dǎo)管埋深，取值不小于0.8 m；d為導(dǎo)管內(nèi)徑；k為混凝土充盈系數(shù)，不小于1，一般取1.1～1.2，根據(jù)地層和經(jīng)驗(yàn)可擴(kuò)大；h1為孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋管高度時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)混凝土與導(dǎo)管外水柱壓力平衡所需的高度，m，即：

式中：h為孔內(nèi)泥漿高度；γw為泥漿密度，kN/m3；γc為混凝土密度，kN/m3。

混凝土灌注前的導(dǎo)管安裝屬于二次清孔前的最后一道步驟，應(yīng)當(dāng)增加熟練程度，縮短安裝時(shí)間，為后序作業(yè)做好鋪墊。

5 結(jié) 論

（1）旋挖成孔灌注樁工藝是地基處理的重要方法，尤其在提高工業(yè)廠房柱下基礎(chǔ)的承載力上發(fā)揮著重要作用。

（2）混凝土灌注前的孔底沉渣厚度對(duì)灌注樁單樁承載力的發(fā)揮有著至關(guān)重要的影響。

（3）能適應(yīng)多種樁徑的泵吸反循環(huán)法二次清孔在對(duì)單樁承載力要求較高的項(xiàng)目中值得推廣。

（4）文中的孔底沉渣厚度控制措施是以該項(xiàng)目為基礎(chǔ)提出，根據(jù)不同項(xiàng)目的特征應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。