人工挖孔桩的承载力及施工优势分析

肖霞林

(成绵乐铁路客运专线有限责任公司 ,四川成都 610051)

人工挖孔桩的承载力及施工优势分析

肖霞林

(成绵乐铁路客运专线有限责任公司 ,四川成都 610051)

人工挖孔桩因其施工过程中易发生事故而倍受争议。是否应该彻底放弃人工挖孔桩?文章通过对人工挖孔桩和钻孔桩在承载力和施工各方面的对比分析,阐述了人工挖孔桩的工程应用优势,对于提高人工挖孔桩的竞争力具有积极意义。

人工挖孔桩; 承载力; 施工; 优势

人工挖孔桩具有施工简便、噪音小、震动少、工期短、成本低、施工质量可靠等优点,被广泛应用于高层建筑、桥梁及隧道工程的基础工程中。但人工挖孔桩因挖孔人员在地下施工,活动空间小,工作环境恶劣,地下条件复杂,若忽视安全操作,易发生人身伤亡事故,施工安全风险大。正因为人工挖孔桩在施工过程中易发生事故,因此在大规模铁路客运专线等基础建设的今天,很多人建议彻底放弃人工挖孔桩,取而代之以钻孔桩或打入桩。能否彻底放弃挖孔桩?笔者将从人工挖孔桩的承载力和施工两方面分析进行对比分析。

1 人工挖孔桩与钻孔桩的承载力对比

要回答能否彻底放弃人工挖孔桩,用钻孔桩取代人工挖孔桩这个问题,首先需要从人工挖孔桩相对于钻孔桩的技术优势来分析。

1.1 单桩轴向承载力计算公式

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范(TB 10002.5-2005)》中的规定,对于钻(挖)孔灌注桩,当视为摩擦桩时,其单桩轴向受压承载力容许值[P]的计算公式如下:

式中:[P]为桩的容许承载力(kN);U为桩身截面周长(m);fi为各土层的极限摩阻力(kPa);li为各土层的厚度(m);A为桩底支撑面积(m2),按设计桩径计算;[σ]为桩底地基土的容许承载力(kPa);m0为桩底支承力折减系数;

1.2 单桩轴向承载力主要影响因素对比

由以上公式可以看出,由于人工挖孔桩与钻孔桩的成孔方式不同,导致参数U、fi、A及m0取值的不同,进而导致二者单桩轴向承载力的差异。

1.2.1 桩身截面周长U的差异

人工挖孔桩在施工时为防止塌孔需要设置护壁,护壁一般采用标号不低于桩基的混凝土材料,并做成阶梯形,护壁的内、外齿形作用将桩与护壁连为整体,可将护壁视作桩的一部分,因此,挖孔桩的周长大于相同设计孔径的钻孔桩的周长。

1.2.2 各土层极限摩阻力fi的差异

人工挖孔后孔壁为原状土,土与桩之间的摩擦力较大;而机械钻孔成孔后,由于泥浆护壁将产生 2～3mm的泥皮(当泥浆稠度控制不当时,泥皮厚度更大),泥皮降低了桩土之间的摩擦力,因此就桩侧土与桩之间的极限摩阻力而言,人工挖孔桩大于机械钻孔桩。

1.2.3 桩端截面积A的差异

人工挖孔桩通常在桩端要进行扩底形成扩大的桩端,因此就桩端截面积而言,人工挖孔桩要大于相同设计孔径的机械钻孔桩。

1.2.4 桩底支承力折减系数 m0的差异

机械钻孔桩的桩底沉渣层较难清理干净,《铁路桥涵工程施工质量验收标准 (TB10415-2003)》[2]中规定浇筑水下混凝土前应清底,桩底沉渣允许厚度为:摩擦桩不应大于300mm,柱桩不应大于 100mm,建筑、公路和铁路客专标准也均对沉渣厚度有允许要求,这说明在机械钻孔桩的孔底不可避免的存在沉渣软弱层,从《铁路桥涵地基和基础设计规范(TB 10002.5-2005)》表 6.2.2-6[1]中可知,钻孔桩的桩底支承力折减系数m0均小于1.0;而挖孔桩则可以将孔底清理干净,因而挖孔桩的桩底支承力折减系数一般可取 1.0。因此,就桩底支承力折减系数(公路设计规范称为清底系数)而言,人工挖孔桩大于机械钻孔桩。

由以上对比分析可知,人工挖孔桩的这 4个主要参数均大于机械钻孔桩,而这 4个参数与单桩轴向承载力成正比,因此,人工挖孔桩的单桩轴向承载力大于机械钻孔桩。

1.3 施工中导致钻孔桩承载力不足的主要原因

1.3.1 泥皮过厚

钻孔过程中为护壁防止塌孔,尤其是通过卵石之类粗颗粒土层时,便加大泥浆稠度,虽能顺利成孔,但会在孔壁形成一层泥皮,材料性能差、比重大的稠泥浆所形成的泥皮过厚,这将减小桩土之间的摩阻力。陈文进[3]等研究过泥皮厚度对桩承载力的影响,认为当泥皮厚度不超过 7mm时,仍能满足按规范所采用的参数计算出的承载力,但泥皮厚度超过 7 mm后,单桩的极限承载力就会急速下降。

1.3.2 孔底沉渣过厚

无限制地加大泥浆稠度还会导致孔底沉渣相应积聚过厚,造成清孔不易。正常情况下,桩底有少量沉渣,在混凝土灌注过程中,在混凝土下泄的冲击力作用下,大部分沉渣会浮至混凝土顶面或被挤到边角处,不会形成软弱层,但桩底沉渣过厚时,混凝土下泄未能将沉渣冲出上浮,而大部分仍留在桩底形成软弱垫层。软弱垫层将导致桩底反力严重降低,从而使桩的承载力降低、沉降量加大。

1.4 承载力可靠性比较

1.4.1 对地质条件的把握

由于人工挖孔桩施工过程中能够实时对桩侧和桩底的土质和岩层性质进行直接观察,因而能够准确把握桩孔处的地质条件,能够根据地质条件及时修改桩的孔径与长度以保证挖孔桩具有可靠的承载力。而钻孔桩则仅依靠钻渣取样进行地质判断,直观性和准确性不及人工挖孔桩。

1.4.2 桩体混凝土的浇筑

人工挖孔桩的桩身混凝土是在干作业条件下进行浇筑,而钻孔桩的混凝土则要进行水下混凝土的浇筑。如果施工不当,水下混凝土的浇筑容易断桩和钢筋笼上浮等问题,这都将影响桩的质量,进而影响桩的承载力的可靠性。

2 人工挖孔桩与钻孔桩的施工对比

2.1 施工的质量控制对比

人工挖孔桩,监理和设计人员可以直接下到孔底进行观察和检查,直接在孔底取样试验,获得的地质资料和施工数据更为直接准确,施工可以根据实际情况及时修改桩的结构尺寸。同时,人工挖孔桩一般采取的混凝土护壁,整个桩孔上下规则,形成一层混凝土模板,使得成孔质量高,可以做到每一根桩完全符合设计要求,且可以为满足特殊情况设置不同的桩径,使得桩的几何尺寸可以较精确的符合设计要求,可靠性高。而钻孔桩由于采用是泥浆护壁,桩孔四周由于受机械、泥浆的扰动以及桩侧水压力和土压力的影响,一般容易剥落、塌孔、扩孔或缩孔的现象,整个孔身断面呈不规则的锯齿形状,桩体几何结构可靠性差。另一方面,由于人工挖孔桩大多孔内积水较少,不需采用水下灌注方式,桩底沉渣能清除干净,可以加强混凝土的振捣和质量控制,减少桩身混凝土的质量控制难度,更容易保证桩身混凝土的质量。

2.2 施工工期对比

以成绵乐铁路客运专线双流机场隧道的明挖深基坑围护桩施工为例,该深基坑围护桩基根据工程实际,采取分段落施工。在成都的砂卵石层地质条件下,取一个施工区段长240m范围的 200根深 15m的围护桩进行比较。在该施工段落里投入 15台旋挖钻机,按每台钻机平均进尺 10m/d计算,整个成孔工期需 20 d。而采用人工挖孔桩的施工方案,在完成试桩承载力验证后,即可多工作面轮班平行作业,施工中最多可安排 200个班组,每个班组 4人。按平均每根桩基进尺速度2m/d计算,整个成孔工期需7.5 d,较钻孔桩工期缩短一半多。由此可见,虽然钻孔桩单根成桩效率高,但就整个施工区段的围护桩基工期而言,人工挖孔桩由于不受周边地形等施工条件影响,可多点平行作业,在整体施工工期方面还是有明显优势的。

2.3 施工造价对比

由于人工挖孔桩不需要使用钻机,不需要配置护壁泥浆,也不存在泥浆处理问题,因此人工挖孔桩的施工成本远低于机械钻孔桩。成绵乐铁路客运专线参考四川平原地区人工费用标准,人工挖孔桩平均造价 800元/m3,而钻孔桩平均造价为 2200元/m3。另一方面,由于钻孔桩往往实际桩身平均直径比设计大,一般 1.25m桩径的钻孔桩实际成孔桩径达到 1.3m,且需超灌桩头,造成多灌注的混凝土比例达到了 8%。另外,人工挖孔桩一般不采用水下混凝土灌注方法,可优化调整混凝土配合比和适当减少水泥用量,降低工程造价。

由多个工程项目统计结果显示[4-6],人工挖孔桩的施工成本仅为机械钻孔桩的 40%～50%,人工挖孔桩显示出优越的经济效益。

2.4 施工的环境影响对比

机械钻孔桩在施工过程中在对环境产生噪声污染的同时,如果对护壁及清孔过程中的泥浆处理不当将会对环境产生严重的污染,而处理泥浆会花费大量资金。人工挖孔桩则对环境无污染,挖出的土方还可供工程进行填土作业使用。特别是在城市周边和居民集聚区,如成绵乐铁路客运专线的机场路隧道位于居民区地段附近,采用人工挖孔桩可有效减少对附近居民的夜间居住环境的干扰,人工挖孔桩突显其环境影响方面的绝对优势。

2.5 施工的适应性对比

人工挖孔桩对场地几乎没有要求,即使场地狭窄或在场地附近有较密集的建筑群也同样可以施工;而钻孔桩则对场地有一定的要求,通常情况下,钻孔桩在开阔的场地才能施工,要有足够的空间架设钻机,要便于泥浆的排放,在建筑物密集区或地下隧道内常因空间受限而不能采用机械钻孔桩。

人工挖孔桩对施工机具及地形地质的适应性更广,特别是在大直径混凝土灌注桩成孔施工中,机械成孔需要特定的机械设备,需满足一定的地形地质条件,而人工挖孔不受机械和桩径限制,同一场地桩径可根据需要进行多样化设计,遇地下障碍时处理灵活,不仅适用于软土地基,也适用于山区丘陵土质等比较坚硬或存在较多漂石、地形地貌变化较大的地区。

3 总 结

综合以上分析可以看出,人工挖孔桩相对于机械钻孔桩,在承载力高、施工质量易控制、施工工期短、施工的环境影响小、造价低和适应灵活等方面均显示出明显的优势,因此,在当前大规模基础建设情况下,彻底放弃人工挖孔桩,用钻孔桩取代人工挖孔桩是既不现实也不合理的。同时,我国劳动力资源丰富 ,随着高层建筑及大跨度大荷载建筑的增多,公路、铁路交通建设穿越城市周边建筑的情况增多,桩基向大直径灌注桩方向的发展,人工挖孔桩日益显示出其无比的优越性。随着施工设备的改进、施工技术和管理水平的提高,人工挖孔桩必将会全面应用到高层建筑、公共建筑、公路、铁路、水利等各个领域的结构物基础处理工程中。虽然人工挖孔桩施工危险源多,安全风险大,但各参建单位只要牢牢树立“安全第一,预防为主”的观念,认真履行自身职责,充分考虑各种潜在危险 ,采取切实可行的技术管理保障措施,严格按安全技术规程施工,人工挖孔桩施工安全事故是完全可以避免的。

人工挖孔桩在成绵乐铁路客运专线得到了大量应用:结合成都平原地形地质情况,在桥梁桩基础中,当桩长较短(挖深不大于 15m),无不良地质且土层为无地下水或少量地下水时,采用了直径不小于1.25m的人工挖孔桩;在明挖隧道的深基坑围护中也通过采取井点降水措施,部分采用了人工挖孔桩;在既有铁路、公路和城市市区狭窄地段以及需托换桩基时也采用了人工挖孔桩方案。通过严格按照“六位一体”管理要求,通过标准化管理,成绵乐铁路客运专线未出现任何的人工挖孔桩安全质量事故,同时也加快了施工进度,有效地控制了工程投资。

[1] TB 10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[2] TB 10415—2003铁路桥涵工程施工质量验收标准[S]

[3] 陈文进,陈爱萍,蔡登山.钻孔桩承载力偏低的原因分析和处理方法[J].桥梁建设,2001(6):58-61

[4] 苏子贤.挖孔桩与钻孔桩的经济技术比较及挖孔桩技术应用的探讨[J].华东公路,2007(2):10-13

[5] 邬晓光,李群善,张志明.挖孔桩技术在西北高原地区应用的研究[G]∥中国公路学会桥梁和结构工程学会 2002年全国桥梁学术会议论文集.北京:人民交通出版社,2002:592-59

[6] 王代连.论挖孔桩在桂林市应用的可行性和一般设计原则[J].广西土木建筑,1995,20(1):17-19

TU753.3

B

2010-11-01

肖霞林(1978～),工程师。