长螺旋钻孔压灌桩与静压桩施工工艺对比

伏廷绍，范炳欢，何俊峰



长螺旋钻孔压灌桩与静压桩施工工艺对比

伏廷绍，范炳欢，何俊峰

(云南南方地勘工程总公司，云南 大理671000)

摘要：长螺旋钻孔压灌桩工艺和静压桩工艺在实际工程施工中，各自都存在着较大的缺陷。经过反复实践，先采用长螺旋钻机取土引孔后，再实施工静压桩处理的方案，如此施工方案，既可以保证桩身质量和单桩承载力，又能有效地消除静压桩的挤土效应影响。

关键词：长螺旋钻孔；混凝土桩；挤土效应。

笔者长期从事地基处理工程工作，在现场灌注桩中长螺旋钻孔压灌桩和静压桩施工的应用较多，但它们各自都存在着较大的缺陷。经过反复实践，若把两者很好的结合起来，可扬长避短取得较好的效果。

1长螺旋钻孔压灌桩施工的优势及问题

笔者曾在云南嵩明县万年城一期建筑工程的地基处理中，针对本项目工程地质以可塑态的粉质粘土、有机质土、细(粉)砂、可塑态的粘土、圆砾等地层为主，并且软硬互层现象突出的地质实际，采用了长螺旋钻孔压灌砼、后置钢筋笼的桩基础工艺。本项目共施工2181根工程桩(不含补桩)，总桩长48407.5m，砼实际总灌量为13395m3；桩径均为Φ500；钢筋笼为通长配置，其外径均为Φ400。

1.1　长螺旋钻孔压灌桩施工工艺和技术措施

长螺旋钻孔压灌桩的原理是利用高压砼来置换钻孔的土体；桩身砼是直接从钻杆中心压入孔中，采用超流态泵输送砼的技术；提钻和成桩同步进行，因此在淤泥、流沙、流塑态粘土、砂砾石层等复杂地质条件下，也能顺利成桩；最后压入钢筋笼到设计标高，再振拔导管至孔口，完成单桩施工的工序。其工艺流程见图1。

图1长螺旋钻孔压灌桩工艺流程图

Fig.1Technological Flow Chart of Long Spiral Drilling Hole Pressure Grouting Pile

长螺旋钻孔压灌桩的技术措施：

(1)混凝土：均采用细石商品混凝土，长桩用C30砼，短桩用C25砼；骨料级配：粗骨料粒径在4.75mm~9.5mm之间；细骨料(机制砂)粒径在0.045mm~0.075mm之间，含砂率为47%；掺合料：粉煤灰的细度模数Mx=2.7~2.9，加量为水泥用量的23%；矿粉的密度、7天或28天的活性指数、流动度比等符合GB/T14086—2008技术指标要求，其加量为水泥用量的15%；外加剂：聚羧酸缓凝高效减水剂，其加量为水泥用量的2.5%；砼的坍落度为180±20mm；混凝土的水胶比为0.45。

(2)焊接件和原件的检测：抗拉、抗弯曲试验合格后，才使用；

(3)桩位确定：以设计坐标和建设方提供的控制坐标确定每一个桩位；

(4)拔导管速度的控制：其拔管速度必须≤1.6m/min；

(5)垂直度的控制：钻头对桩位和导管击压钢筋笼时，其垂直度必须≤1%；

(6)地泵注砼频率：钻到设计桩底标高时，钻杆上提0.3m~0.50m后，必须停留10～20S(确保孔底和钻杆内均注满砼)后，才能继续提钻杆；在边拔钻杆边注砼的过程中，严禁旋转钻杆，以免造成桩身夹泥的质量事故；注砼的频率要适中，确保桩身砼连续和K值达到设计要求(设计要求K=1.20~1.30)；

(7)下放钢筋笼之前，必须把桩顶砼表面的渣土清理干净；

(8)确保导管内“中空”，才能用于击压钢筋笼；

(9)跳打措施的应用：根据地层情况或者桩间距是否小于3d(d为桩径)的情况，以确定是否需要使用“跳打”措施；

(10)钢筋笼的安装高度：当钢筋笼顶部到达设计标高时，即可终止“击压”作业，同时匀速提拔导管；

(11)地泵正常压力值：砼输送泵的工作压力值一般控制在3~4Mpa，并保证提升钻头时有泵压；注砼到桩顶标高后，还需要超灌0.50m~1.00m，以保证桩顶质量。

1.2　长螺旋钻孔压灌桩的检测及其分析

单桩承载力的检测：随机抽出1%的工程桩做静载荷试验，其结果均达到设计值，且其最终沉降量值也远低于规范要求的数值。显然，在桩径、桩长都相同的情况下，该类型桩的承载能力高于振动沉管灌注桩、深搅加芯桩、静压桩等桩型的承载能力。这和长螺旋钻孔压灌桩的充盈系数大，多处出现“超径现象”有极大关系。另外，其理论值(本工程的单桩承载力计算式：Rk=qpAp+μpΣqsili；其中，Rk—单桩竖向承载力标准值，qp—桩端土承载力标准值，Ap—桩身横截面面积，μp—桩身周边长度，qsi—桩周土摩阻力标准值，li—按土层划分的各段桩长)也都低于实测值(16m单桩承载力特征值为1450KN，24m单桩承载力特征值为2150KN)。

桩身质量的检测：随机抽出20%的工程桩做低应变动测试验，其结果是绝大部分桩的桩身质量符合建筑基桩检测技术规范，但有少许桩存在明显缺陷，必须处理后，才能达到验收规范要求。

1.3　桩身质量存在严重缺陷时的补救措施：

(1)接桩措施：其缺陷位置在5m以上时，人工开挖后，采用“接桩”措施，并使用高一个强度等级的砼浇注。

(2)补灌措施：桩中心存在空洞，其内部无水时，使用高一个强度等级的砼补灌并振捣密实即可。

(3)补桩措施：施工中发现严重缺陷在桩的深部时，应采取“补桩”措施。

1.4　长螺旋钻孔压灌桩的优点分析：

(1)长螺旋钻孔压灌桩具有适用地层范围广、低噪音、无振动、无冲击力、施工进度快等优点；

(2)无挤土效应：该类桩不具备静压桩的挤土效应作用，所以，对周边的建筑物、道路、地下管道等设施无挤压、破坏作用。

(3)无竖向剪切破坏作用：长螺旋钻机在向下钻掘成孔的过程中，在竖向方向上对桩周土体没有剪切破坏作用，这就不会降低桩体和桩周土之间的摩阻力。

1.5　长螺旋钻孔压灌桩的缺点分析

(1)长螺旋钻孔压灌桩K值过大，由于地层原因、注砼频率和注砼面要到孔口等因素，导致工程的平均K值达到了1.41，即建筑原材料(砂、石、水泥)的消耗量过大，不节约，属于“浪费型”基础桩。

(2)桩身砼难以振捣密实：一般用22kw单电机锤头驱动导管进行振捣所浇灌的混凝土，因为该型锤头的振动频率和功率均较小，只对钢笼内部的砼有振捣作用，而对保护层内的混凝土的振捣作用很微弱。

(3)桩心易形成空洞：砼坍落度过小，加之拔管速度过快(V拔>1.60m/min)，则极容易在桩身顶部0.00～5.00m范围内形成“空洞”，造成人为质量事故。特别是导管内部被砼堵塞而未采取处理措施，仍用于施工时，更容易在桩身中心位置形成“空洞”，其原因是：下插已堵塞的导管时，会把部分砼量V(V=πD2h/4，D是导管外径，h是导管插入的深度)挤入孔壁内，同时把导管外围和孔壁之间的砼挤得很紧密，让其难以回落到桩中心而形成空洞。

(4)钢筋笼易插偏：当导管垂直度>1%时，在压送钢筋笼的过程中，就极容易把钢筋笼压入到松软的孔壁中，造成钢筋笼严重倾斜或钢筋笼不到位。

(5)钢筋笼送不到位：因为机械故障、停电等因素造成停灌时间过长，即使导管垂直度<1%，但仍然无法把钢筋笼压送到设计标高位置。另外，钢筋笼插偏后，也会导致钢筋笼送不到位。

(6)钢筋笼易变形：虽然使用细石、大坍落度的砼，但在压送钢筋笼过程中，钢筋笼仍然受到砼的较大阻力，致使其加劲筋、外箍筋严重变形，甚至脱落。主筋的变形也在所难免(主要表现为弯曲)。

(7)桩身易出现夹泥现象：①高出孔口的泥块容易向桩心挤压，导致在下放钢筋笼时，就把泥块带入桩身内部和砼混合，造成夹泥现象。②因为导管的垂直度问题，致使钢筋笼刮擦孔壁，把刮落的泥土和砼混合，从而造成桩身夹泥现象。

(8)地下水易侵入砼内部：在安装钢筋笼和拔导管过程中，会大量挤动钢筋笼外围的粗、细骨料，使它们多次移动和排列，在此过程中，就会形成无数条细小水路，使地下水侵入到桩身砼内部，致使砼和钢筋长期遭受地下水的腐蚀作用。

(9)易形成“窜桩”现象：当垂直度>1%，且相邻两桩的桩间距<3d(d为桩径)时，则该相邻两桩极易形成“窜桩”现象。窜桩是指正在施工的桩在深部某处钻碰到相邻的已打桩，让两桩在此处连通，致使相邻已打桩的砼面下沉，或相邻已打桩的某几根主筯下沉，或者使相邻已打桩的砼面和钢筋笼都同时下沉等各种现象。窜桩会降低相邻已打桩的桩身质量，甚至影响已打桩的单桩承载力；会因负荷增大，使电机无法运转或烧毁，导致正在施工桩也难于钻进。

2静压管桩施工的优势及问题

笔者也曾在云南冶金集团曲靖生活基建筑工程地基处理中，针对本项目的工程地质以耕土、粉质粘土、泥炭质土、泥炭、可塑或硬塑态的粘土、粉土等为主，软硬互层现象突出的实际，多采用预应力钢筋预制管桩的处理方式。静压管桩以承载力为主(据桩机上的压力值判断)，施工桩长为辅，即本工程的静压桩为摩擦型桩。该标段共计施工17栋建筑的桩基础，并且均为条形基础。

2.1　静压管桩施工工艺和技术措施

静压管桩施工工艺原理：利用静压桩机把合格的预制管桩压入土体后，直接成桩。其工艺流程见图2。

图2静压桩工艺流程图

Fig.2Technological Flow Chart of Static Pressure Pile

静压管桩施工技术措施：

(1)桩位的确定：以设计坐标和建设方提供的控制坐标确定每个桩位；

(2)垂直度的控制：压桩前，必须测量、控制桩体的垂直度≤1%；

(3)接桩措施：电焊接桩时，须由两人对称焊接，电流要适中，另外，焊接层至少要有2层，并且焊缝必须连续、饱满，不能有施工缺陷(如咬边、夹渣、焊瘤等)；焊接后，要让其自然冷却8～10分钟，严禁用水冷却或焊完即压的错误做法；

(4)控制送桩深度：当桩顶到达设计标高时，即可终止施压；

(5)压力控制：要缓慢而匀速地施压，以免“爆桩”，另外，当最终压力值达到设计要求时，即可终止作业。

2.2　静压桩检测及其分析

单桩承载力的检测：随机抽出1%的工程桩做静载荷试验，其结果均能满足设计要求(试桩承载力值)，但所有检测桩的实测值均低于理论计算值。

桩身质量检测：随机抽出20%的工程桩做低应变动测试验，只有极少数的桩存在焊缝不饱满或断桩(爆桩造成)的缺陷。

2.3　处理断桩的补救措施

(1)接桩：把断桩处的碎渣掏干净后，插入定制的短钢筋笼，并浇灌相同强度等级的细石混泥土到桩顶；(2)补桩：压桩过程中发现“爆桩”后，即应在适当的位置进行补桩处理。

2.4　静压桩的优点分析

(1)具有适用地层范围广、无噪音、无振动、无冲击力、场地洁净、施工设备少、质量可靠、施工进度快等特点。

(2)节约施工材料：由预制桩生产厂家根据设计要求进行标准化、批量化生产合格的预制桩，就不存在现场浇灌砼时K值过大的问题，也就从根本上大量的节约了生产原材料，降低了建筑工程施工成本。

(3)易保证桩身直径：采用静压桩施工工艺，能确保桩身直径，完全消除了“超径”或“缩径”的现象，即整根桩的直径均符合设计要求。

(4)易保证桩身质量：静压桩在生产过程中，其密度和强度等级是完全可控的，符合设计要求的，所以，静压桩就克服了“振捣不密实”、“夹泥”、“离析”、“空洞”等施工质量缺陷的问题。

(5)易保证钢筋笼的安装质量：采用静压桩施工工艺，显然已经从根本上解决了长螺旋压灌桩工艺中安装钢筋笼时易出现的变形、插偏、不到位等施工难点。

(6)解决了“窜桩”质量事故：采用静压桩施工工艺，只要保证了加压过程中桩的垂直度，即使不采用“跳打”措施，也不会影响邻近已施工桩的桩身质量。既保证了每根工程桩的桩身完整度，又提高了施工进度，杜绝了“窜桩”现象的发生。

(7)降低截桩工作量：在保证单桩承载力和桩长的情况下，只需送桩到设计桩顶标高位置，其桩顶以上部分可以空置。这样，就大量降低了今后的截桩工作量，同时也节约了施工成本。

2.5　静压桩的缺点分析

(1)爆桩：压桩过程中操作不慎时，容易出现爆桩质量事故。

(2)挤土效应：静压桩属于挤土桩，在压桩的过程中形成的挤土效应，会对周边建筑物、道路、地下管道等设施产生显著的挤压和破坏作用，对相邻已施工桩也会造成挤压，并使其发生位移现象。本项目工程中的H1～H9栋、H10～H17栋、F1～F6栋、F7～F9栋、F10～F13栋、C1～C5栋、G10～G12、J1～J6等8栋建筑的桩，各栋除了最后施工的2～3条轴线上的桩无偏移外，其余各条轴线上的桩均向西偏移了11cm—13cm(偏移量已经超出了验收规范)，另外，H1～H9栋西边的石挡墙已被严重挤裂，局部垮塌。上述8栋建筑的桩基施工方向均为由西向东。

对于上述偏桩现象，可以用圆孔扩张理论做出合理而准确的解析(见图3)。

图3　圆孔扩张问题简图Fig.3　Sketch Map of Circular Hole Expansion Problem

由Mohr-Coulomb屈服准则和圆孔扩张理论推导后，得出沉桩后塑性区半径和圆孔扩张最终半径比(Rp/Ru)为：

①

②

最终扩张应力和塑性区半径关系式为：

③

弹性区的位移场为：

④

弹性区的应力场为：

⑤

⑥

由上述各算式得知：

(1)塑性区半径、最终圆孔扩张应力、弹性区位移、弹性区应力和桩周土的泊松比、内摩擦角、内聚力、压缩模量及桩周土的塑性体积应变有关。

(2)塑性区半径、最终圆孔扩张应力、弹性区位移、弹性区应力等均和桩径成正比关系，即桩径越大，挤土效应越强烈。

(3)桩径不变时，最终圆孔扩张应力、弹性区位移、弹性区应力和土体的内聚力成正比关系，即土体的内聚力越大(土体越硬)，沉桩过程中所产生的挤土效应越强烈。

另外，在圆孔扩张理论的基础上，应用Mohr-Coulomb本构模型进行有限元数值模拟后，得出如下结论：(1)沉桩过程中会产生较大的超孔隙水压力，进一步加剧挤土效应带来的影响。

(2)桩土模量比较小时，即土体相对较硬时，水平位移表现为侧向挤出；桩周1m内的土体竖向位移主要表现为下沉，但随径向距离的增加表现为隆起。反之，水平位移表现为向桩中心运动，竖向位移表现为下沉，且下沉量越大。

(3)随着桩的贯入深度增加，会对相邻已打桩造成向上抬起的推举作用，降低相邻桩的承载能力(特别是端承桩)。

(4)单桩情况下，地表桩周土发生最大水平位移量的位置是在径向距离为10d(d为桩径)处；在深度方向，水平位移随着深度增加而增大，其位移量最大值是在桩端以下4d处。

(5)在结构性较强的土体中压桩，会降低土体的强度，导致桩和周边土体之间的摩阻力下降；反之，在挤密作用下，会提高土层的强度，增加桩和周边土体之间的摩阻力。

3长螺旋钻机和静压桩的综合应用

由上述两种桩型的施工对比分析可知，为了降低材料损耗，保证桩身质量和单桩承载能力，并杜绝静压桩在施工过程中产生的挤土效应所带来的负面影响，宜采用长螺旋桩机先取土引孔，再用静压机施工预制桩的技术措施。

3.1　硬土地基的引孔方案

在结构性较强的硬土地基(土体内聚力C0≥50Kpa，压缩系数a1-2<0.5Ma-1的低压缩性土或压缩系数为0.1Ma-1

3.2　软土或松散地基的引孔方案

在结构性较弱的软土或松散地基(土体内聚力C0<50Kpa，压缩系数a1-2≥0.5Ma-1的高压缩性土)中施工静压桩时，应先用长螺旋钻机在设计桩位两侧3d(d为桩径；对于承台桩而言，在承台两边的边桩以外布设引孔即可)处取土引孔到设计桩长位置后，再在设计桩位上施工静压桩。各排“引孔”轴线应和静压机退打的方位相垂直。

3.3　引孔直径

在原桩位上引孔时，钻头和钻杆的直径应比桩径小100mm，才能让桩周土有效地再固结，保证单桩承载力。在设计桩位旁边引孔时，钻头和钻杆的直径和桩径相同，或比桩径大100mm即可。

4结论

(1)单独使用长螺旋钻孔压灌桩工艺，难于保证桩身质量和钢筋笼的安装质量。

(2)仅仅采用静压桩施工工艺，产生的挤土效应容易给周边的建筑、设施和相邻桩带来危害。

(3)如果先引孔再压桩的技术措施，既能保证桩身质量和单桩承力，又能有效地消除挤土效应。

参考文献

[1]《建筑地基基础设计规范》GBJ7—89.

[2]张琴，朱守东.长螺旋干成孔泵压混凝土灌注桩施工技术与质量控制[J].建筑技术，2004.

[3]张海霞.静压桩沉桩挤土效应分析[D]，广州：华南理工大学，硕士论文，2010.

THE COMPARISON BETWEEN PRESSURE GROUTING PILE AND STATIC PRESSURE PILE CONSTRUCTION OF LONG SPIRAL DRILLING

FU Ting-shao，FAN Bing-huan，HE Jun-feng

(YunnanSouthGeneralCompanyofGeoexplorationEngineering，Dali671000)

Abstract：In the long spiral drilling，pressure grouting pile and stastic pressure pile separately have its own serious defect.According to the repeat practice，we use the long spiral drilling for earth drilling and guide hole at first，then carry out processing with the static pressure pile.This scheme not only can ensure the pile quality and the bearing capacity of single pile but also effectively eliminate the soil squeezing effects of static pressure pile.

Key Words：Long Spiral Drilling Hole；Concrete Pile；Soil Squeezing Effect

中图分类号：TU473.1+4

文献标识码：A

文章编号：1004-1885(2015)4-602-6

作者简介：伏廷绍(1970～)，男，云南江川县人， 钻探工程师， 主要从事岩心钻探和地基工程处理工作。

收稿日期：2014-12-30