用水泥土引孔方式提高PHC管桩承载力*

2015-09-18李安勇

建筑施工 2015年4期

李安勇张浩

1.苏州科技学院土木工程学院苏州 215011；2.苏州中润建设管理咨询有限公司苏州 215006

0 前言

静压PHC管桩是我国应用较为广泛的沉桩方式。在我国分布较广泛的沿江沿河地区，通常在地基浅表存在较深厚密实砂性土层，由于压桩阻力较大，一般采用引孔工艺辅助沉桩，即利用螺旋钻机把桩位处部分砂性土层移除，以减少沉桩阻力。但由于引孔直径需要小于桩径，加上砂性土层孔壁自立性较差，成孔效果不能确保，挤土效应仍较强，往往实际应用中的沉桩阻力还是很大，沉桩标高和桩身质量较难保证，压桩后期的浮桩现象不能有效避免，往往需要桩机复压或由于无法压到设计标高而截桩，影响桩基承载力[1,2]。

本文结合实际工程，采用水泥土桩引孔工艺，即在管桩桩位预先施工水泥土搅拌桩，然后在水泥初凝前静压管桩，所需压桩力大为减少，而单桩竖向承载力增长稳定，较非引孔桩提高约70%，从而所需桩长大大减少，对购桩、压桩和引孔支出等综合成本测算后，成功应用到实际工程，经济效益显著。

本文主要介绍水泥土桩引孔工艺的施工控制技术，高效提高桩侧土强度，增加桩侧摩阻力，使得C80高强管桩和桩周土强度更好匹配，有效发挥高强管桩的性能，最终可靠提高单桩极限承载力，继而达到减少桩长，节约造价的目的。

1 工程背景

苏州高新区某2 幢高层，设计采用PHC-500-120-AB桩型，管桩外径500 mm，壁厚120 mm。单桩竖向抗压极限承载力设计要求不小于4 800 kN，根据地质勘查报告，按常规压桩工艺，需采用不少于40 m的桩长。

因地表浅表存在较多建筑垃圾与原建筑物基础，浅表①1杂填土和①2淤泥质粉质黏土先后清除。与桩基施工相关的工程地质分布状况如下：③2粉质黏土，④1粉土，④2粉砂，⑤粉质黏土，⑥1黏土。桩端持力层为⑥1层黏土。

工程桩有效桩长17 m，成桩时桩身要连续穿过平均厚10 m的密实砂性土层，分别为平均厚4 m的④1粉土层、厚5.00～7.70 m的④2粉砂层，特别是④2粉砂层，标贯击数达56.5，双桥静探锥尖阻力qc峰值达22.69 MPa，平均为13.18 MPa，按常规静压桩，前期压桩已经很困难，后期压桩将更为困难，浮桩、断桩和达不到设计标高等施工问题难以避免，从而影响桩基承载能力[3-5]。

2 不同施工方法单桩承载力的差异性研究

为比较用水泥土引孔对常规非引孔单桩的承载力的增长情况，并探索更可靠的引孔工艺控制方法，对9 根桩进行了10 次慢速维持荷载静载试验。

水泥土桩引孔工艺的基本程序是：在桩位上预先施工比管桩外径大100 mm的水泥土搅拌桩，在搅拌桩施工结束后、水泥初凝前，再静压管桩。引孔控制深度穿过④2粉砂层。水泥的初凝时间可掺入适量的外加剂加以调节，来适应施工班组的实际生产功效。

静载试验分为3 组，第1组中对1 根常规非引孔单桩进行了初压和复压试验。第2组测试了2 根用水泥土引孔工艺的试桩；第3组对用掺入膨润土的改进的水泥土引孔工艺施工3 根试桩，和3 根工程桩分别进行了测试。管桩有效桩长与设计拟采用的桩长一致，统一为17 m。

1）首先进行的是未经引孔、直接压桩的单桩初压和复压静载试验，其Q-s曲线如图1所示。

初压极限承载力为2 840 kN。8 d后复压，加载至3 300 kN后，为较准确测得承载力，荷载分级由300 kN减小为100 kN，测得复压桩极限承载力为3 500 kN，虽较初压增长约20%，但离单桩目标极限承载力4 800 kN还有1 300 kN。

2）第2组用水泥土引孔的2 根桩静载试验，其Q-s曲线如图2所示。

图1 普通静压桩的初压和复压Q-s曲线

图2 常规水泥土桩引孔静压桩的Q-s曲线

2 根桩极限承载力分别为2 880 kN和3 750 kN，第1根桩测试结果与非引孔桩结果很接近，表明水泥土引孔没有起到显著作用，第2根桩测试结果虽有增长，但试验结果与目标承载力4 800 kN相差较大。

第2组用水泥土引孔后，可以判断是桩侧摩阻力没有比原状土显著提高，并且2 根桩承载力相差达到 870 kN，离散性很大，无法满足工程要求。

单纯采用水泥土引孔，由于砂层十分致密，水泥土不易搅拌均匀，搅拌效能较低，从而管桩压入后桩侧摩阻力较原状土提高不稳定，甚至基本没有提高，故提高承载力应从增加水泥土在密实砂层中搅拌均匀性着手。

3）第3组采用改进的水泥土引孔工艺，掺入膨润土后，3 根试桩的Q-s曲线如图3（a）所示。

第1根试桩加载至5 200 kN后，桩头破碎，其前一级荷载为5 000 kN，荷载试验曲线为缓变形，可以判断单桩竖向极限承载力不低于5 000 kN。为保证试验人员的安全起见，后面的各单桩静载试验最大加载值均取4 800 kN。试桩静载测试结果均不低于4 800 kN。试桩试验成功后，将之用于工程桩，3 根试桩的Q-s曲线如图3（b）所示。工程桩的静载测试结果均不低于4 800 kN。作为3 根工程桩静载试验的辅助检查，随机抽取了12 根工程桩，对其进行高应变测试，各桩测试结果表明其极限承载力也不小于4 800 kN。

图3 改进的水泥土桩引孔静压桩的Q-s曲线

对比第2组和第3组测试结果，可见在密实砂层中，引孔成桩的水泥土均质性好坏，直接影响到桩侧摩阻力的增幅大小与稳定性。利用引孔浆液中掺入膨润土的触变性，让水泥土易于搅拌，使水泥土更为均匀，从而获得较高的稳定可靠的管桩竖向极限承载力。

在工程桩施工过程中，压桩力较常规静压桩施工工艺显著减少，压桩工效比常规压桩大为提高。工程桩的最终压桩力，平均值为1 753 kN，标准差为874 kN，远小于单桩竖向极限承载力4 800 kN，而极限承载力不小于4 800 kN。

对180 根工程桩进行了动载低应变测试，155 根桩测试结果为Ⅰ类桩，在不同深度存在轻度缺陷的Ⅱ类桩25 根，但均可作为正常工程桩使用。利用掺入膨润土的水泥土引孔技术施工的静压管桩，还避免了在这类有深厚砂性压土层的场地施工静压桩时，出现常见的静压桩桩头爆裂、由于浮桩需要复压和各桩桩身有效长度不等或达不到设计标高等不利状况。

3 水泥土引孔工艺静压管桩的施工控制方法

在密实砂层中，使用掺入膨润土的水泥土引孔技术，正是由于膨润土的掺入增强了水泥土混合物的触变性，使得搅拌桩钻头易于在密实砂性土层中搅拌，使水泥土更为均匀，加上水泥土初凝前、管桩压入过程中对水泥土的挤密作用，随着桩侧水泥土强度的发展，桩侧原状土最终被置换为强度更高、与桩侧结合更为紧密的水泥土，从而获得比原状土更高的摩阻力，单桩的竖向极限承载力进而得到大幅度稳定提高。故施工措施上要从使得水泥土在密实深厚砂层中更易于搅拌均匀，与后施工的管桩结合更紧密上探索施工控制技术。

3.1 施工流程

搅拌桩桩位测放→搅拌桩引孔→管桩桩位复测→管桩施工

3.2 搅拌桩工艺控制方法

3.2.1 搅拌桩桩位测放

根据设计图测放桩位，将每根桩位用竹签打入地下做好标志，如在机械行走过程中被压掉，当由于现场不能通视等条件限制，不能用方格网法复测桩位时，应当用极坐标法复测。

3.2.2 搅拌桩引孔工艺控制

1）引孔深度控制。本工程引孔深度以穿过④2粉砂层为目标控制，加上地表以下至桩顶标高以上送桩长度，引孔深度18 m，引孔φ600 mm。桩顶标高以上送桩部分不喷浆。

2）浆液配比控制。根据本工程地层特点和工艺要求，水泥浆的水灰比应严格控制在0.8～1.0范围内。喷浆量按加固土体质量比的12%控制，另掺入水泥质量12%的外加剂，外加剂为以蒙脱石为主要组成部分的膨润土。按每根桩水泥及外加剂计算用量放入搅拌桶，搅拌浆放入集浆池。此外，为严格保证配合比，输浆管空管时要加100 kg水泥浆，事先润滑管道，防止管道吸水而使配合比发生改变。

3）引孔过程控制。采用3 次喷浆、4 次搅拌工艺。搅拌桩成桩工艺包括桩机就位，预搅下沉喷浆，喷浆搅拌上升，重复下沉搅拌，重复喷浆搅拌上升等环节。

试剂：Ni2+贮备液1000mg/L、氢氧化钠溶液，C(NaOH)=2mol/L、氢氧化钠溶液，C（NaOH）=0.1moL/L、硝酸溶液（1：1）、硝酸溶液（1：99）、蒸馏水

具体操作要点如下：

（1）桩位测放：测量控制点交接后，进行桩位测放，测放偏差不大于20 mm。

（2）桩机就位：引孔桩机就位、对中按照预先设定的施工顺序，移机就位、对中、调整机垂直度，确保成桩垂直度偏差不超过1%。

（3）预搅下沉：预搅下沉速度由电气控制装置的电流监测表控制，且钻头必须正向旋转下沉，进入砂层后即可喷浆下沉。

（4）喷浆搅拌上升，下沉至设计桩深，待浆液送至钻头出口时，边喷、边搅拌上升，搅拌必须均匀，喷浆搅拌时钻头的提升（或下沉）速度不宜大于0.5 m/min。

（5）浆液制备及送浆：压浆速度应和提升（或下沉）速度相配合，确保额定浆量在桩身长度范围内均匀分布。

（6）浆液搅拌应均匀，随配随用，放入料筒前使用滤网进行过滤。搅拌人员应认真记录搅拌量，司泵人员应如实记录施工耗浆量。