灰岩地区强螺旋灌注桩应用初探

李继魁，许汉华，李 阳，刘启玉，刘明江

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

强螺旋灌注桩是一种采用大直径螺旋入土岩的干作业钻进成孔，达到设计深度后进行泵送混凝土压灌、后置钢筋笼成桩的灌注工艺。适应于各类风化土、碎石土、漂卵石层以及软～中等硬质岩层等复杂、坚硬地层的钻进成孔、成桩。其适用的岩石饱和单轴抗压强度一般fr≤60MPa，松散岩石粒径一倍桩径。尤其在针对灰岩地区入岩、溶洞等有良好的施工效益和质量效果。具入岩速度快、入岩质量好、桩身质量保障、单桩竖向承载力高等特点。现成桩直径为Φ500mm～1000mm，深度≤32m。其单桩竖向承载力设计值2000KN～10000KN，对完整和较完整的灰岩地基可采用岩石的抗压强度和桩身强度中的低值作为单桩竖向承载力设计值。

刘钟[1]等为了深入研究新型螺旋挤土灌注桩（SDS桩）和长螺旋灌注桩（CFA桩）在承载变形性状方面的差异性，对SDS桩相对于CFA桩承载力的提高幅值及其技术优势的内在机理进行了分析与探讨。胡焕校[2]研究在极限加载范围内，用双曲线法能较好地预测全螺旋灌注桩的单桩极限承载力，拟合曲线与实测的曲线比较吻合且预测的结果偏于安全，预测结果的偏差与地层情况关系不大。吴敏[3]等对全螺旋灌注桩-螺纹桩的承载力机理进行了初步探讨，比较了螺纹桩与传统直线型灌注桩竖向承载力的基本特性，探讨了螺纹桩设计计算方法。

1 场地工程地质条件

研究区地表下发育隐伏溶沟(槽)、溶脊、漏斗、石芽，部分钻孔揭露的覆盖层厚度达到30m以上，同时相邻钻孔揭示基岩埋藏很浅。上述情况表明地下发育隐伏溶沟(槽)、漏斗，造成基岩起伏剧烈。场地基岩为石灰岩，岩层均被第四系土层覆盖，岩溶形态主要表现为地下岩溶，岩层面起伏大，岩溶形态以溶洞（隙）为主。根据波速测试，嵌岩桩桩端持力层二叠系阳新组（P1y）中风化石灰岩压缩波速度Vpm在2497（m/s）～3316（m/s）之间，新鲜岩石压缩波速度Vpr在3181（m/s）～4617（m/s）之间，波速比为0.64～0.78，岩体完整性指数为0.41～0.61。本场地施工阶段勘察对所有柱下均布设了不少于一个钻孔，钻孔深度要求大于中风化灰岩持力层5.0m，以指导灌注桩的实际施工桩长。施工勘察查明的土洞、岩溶及中风化夹层，溶沟、溶芽等不利地质条件实际要复杂得多，桩基见溶洞率为11.73%，局部垂向出现了2组溶洞，最大洞高8.30m；同一承台（三桩）间的最大基岩面落差达17.30m。

2 关于入岩的可靠性问题

在岩石地区成桩施工时，桩端应确保进入持力层一定的深度，设计一般要求进入中等风化岩≥0.50m。为确保入岩深度的可靠，需要通过对桩位进行施工勘察，以查明其地层情况，指导桩基施工对桩长和入岩深度的准确性。同时，施工中应注意在进入中风化岩石段入岩速度、声音、钻速、返渣等的变化，并进行及时、详细的记录。当施工中需要穿越多组坚硬地层时，需要对照勘察钻孔柱状图予以记录和核对，确保真实的持力层入岩深度可靠性。施工中的成孔过程同时是对钻探成果的验证。

3 关于对混凝土特性的要求

由于强螺旋灌注桩混凝土的灌入一般采用泵送混凝土压灌，且一般还需进行钢筋笼的后期插入，因此应满足泵送压灌和钢筋笼插入两方面的要求。泵送、压灌混凝土，主要是在坍落度方面，即坍落度控制在180mm～220mm；钢筋笼的插入，主要是考虑钢筋笼钢筋横向之间的间隙对碎石通过性的要求，特别是钢筋笼较长、间距较密时。故一般选择细石混凝土，细石粒径以0.5cm为佳，不大于1.5cm。混凝土中碎石和砂，应严控含泥量，对其风化程度也有严格的要求，要求以中等风化程度以下的硬质岩石为骨料。在特殊情形下，可采用添加剂改善混凝土的特性，如缓凝剂、防冻剂等，添加剂的参量，应通过配比试验来进行控制。

4 施工注意事项

4.1 桩位的测量和标高的控制

当在施工采用引孔+成桩的二次工艺时，须在成桩灌注前对桩位进行复核，并采取必要的措施纠正桩位偏差。桩位偏差则体现桩位测量放线的事前和事中控制上。在实际的施工中，作业班组多是将混凝土直接灌注到地面。鉴于此，需对其设计指标、工艺等进行针对性说明或要求。设计宜适当提高对桩顶超灌或保护桩长的要求。在工艺性上，如条件许可，应尽量降低施工作业面的标高，以达到混凝土的保护桩长所设计的标高为宜，以0.50m～1.00m为佳。

4.2 顶钢筋笼标高及钢筋笼长度的控制

强螺旋在灰岩地区的成桩，加上承台标高缘故，桩长实际差异很大。因而其钢筋笼的制作难以按固定的长度提前加工，从而给其工艺间的衔接带来了困难。施工中，由于成孔后需要及时进行桩身的灌注，钢筋笼的制作按预估长度制作时，这就容易导致钢筋笼在后置过程中标高和长度不一致问题。为解决这一问题，需要对钢筋笼的设计长度进行施工复核；同时需要进行设计方面的优化。现行规范、规程中，钢筋笼为通长配置，但根据灌注桩的实际受力情况，钢筋笼的长度一般大于2/3桩长即可。如果在设计文件中做类似的明确，只规定钢筋笼长度的比例，不作具体长度的要求，则钢筋笼在加工制作上就能获得较标准的长度规格，就能提前进行钢筋笼的制作。

4.3 混凝土充盈系数

在灌注桩施工定额或其施工招投标中，对混凝土充盈系数均作出了明确的设定，实际中，随岩土条件、施工工艺、施工组织等的不同，变化较大。灰岩地区的上覆土层，其充盈系数可按下列数值选用：对黏性残坡积土、冲积层的覆盖层，一般小于1.1，在砂性残坡积、冲积土中一般为1.1～1.25，在沉积等较松散的砂土中，为1.15～1.30，在淤泥质类软土中为1.4～1.8之间，在新近填土层中，为1.2～1.6。对岩石段的灌注，则主要受完整性、裂隙发育及其充填因素影响而变化。混凝土的综合充盈系数，还要考虑到地层中的其它特殊情况，如土洞、松散的块石填土、级配较差的砂卵石层、裂隙发育等，因为混凝土压灌在非机械扩孔的情况下，也会因压力造成混凝土向桩侧、桩底的空隙中充填。在一些地下水流动的地层中，还可能造成混凝土或水泥浆液的流失。钻头及钻杆直径的精度因素也是造成混凝土充盈系数变化的原因。

4.4 二次成桩情况下的桩长控制

当成桩速度总体较慢时，也可选择采用二次成桩的施工工艺，即“成孔+成桩”的工艺组合。当采用同一台桩机作业时，一般更换钻头即可，即通过钻头的变化来进行引孔和灌注的区别。作为引孔的钻头，具有超强的切削和耐磨能力，其钻头的结构和形状也会根据地层的情况来进行专门的设计和加工。作为灌注成桩的钻头，其结构设计上有别于成孔钻头，从而会导致在计算引孔和灌注桩长方面存在误差。这一情况，需要在使用具有一定入岩能力的灌注钻头，同时对桩位标高、桩长进行复核，确保灌注时桩端消除沉渣的措施。当采用不同桩机进行成孔和灌注时，需要对钻杆的直径进行匹配和校验。尤其在成桩过程中，减少对硬质夹层、孤石以及陡倾岩层的影响，及在测量、计算方法上的误差，导致孔底段出现虚土。所以，应尽量采用一次成桩的施工工艺。

5 特殊条件下的成孔和灌注

5.1 复杂水文地质条件下的成孔与成桩

强螺旋桩基处于山前等地下水排泄区、原地表汇水地段、承压含水层时，基岩中的裂隙水会对灌注桩在混凝土初凝之前造成影响及破坏，尤其是受同一裂隙带影响的相邻桩孔，易形成的窜桩，导致桩身的离析、断桩等现象。地下水对桩基施工的影响，在勘察阶段难以对此作出针对性的分析及评价，需要通过施工单位丰富的地区及施工经验，在充分收集勘察资料、现场踏勘、设计要求的前提下，通过对地质环境的调研、考察，从而制定按序次施工的方案，缩短单桩的成桩时间、改善混凝土的的配制方面进行组织，以保障混凝土灌注及成桩的顺利实施。在裂隙水场地着重采用按序次施工，在承压水场地，着重改善混凝土的配制、缩短成桩时间。

5.2 关于岩溶等地下空洞的灌注

灰岩地区的岩溶一类问题，既要在勘察中予以查明，更重要的是在施工中要有切实的措施和预案。强螺旋钻进时，要对岩溶上部的顶板予以钻穿，根据勘察钻探中揭示的是否有充填、充填物质及成分等因素，一般会采用减压或适当提钻的方式保持钻进。岩溶等地下空洞在混凝土灌注时，应对其灌注量要有充分的评估。当估算的溶洞填充量不太大时，可以以填满或填实处理为主。当岩溶的空间较大时，灌入的混凝土量大，可采用坍落度较小、粒径较粗的混凝土灌注，同时以间歇性的灌注方式，必要时添加速凝剂等添加剂。当溶洞内的地下水较丰富，流速较快时，不宜采用直接性的灌注方式，宜采用下入护筒隔离的方式进行灌注。护筒的下入可进行专门的设计和施工，采用专门的机具设备。在一些地下裂隙强发育的场地，在混凝土的灌注时，尚应根据混凝土充盈系数的变化来调整灌注钻杆的提升速度，并控制钢筋笼下入时桩内混凝土的下沉等后期处置。

5.3 填方、软土等地层的灌注

在高填方等松散层场地，因未对填土层进行有效的压实处理，土层中存在较高空隙率，以及在软土等松软地层中成桩灌注时，混凝土的充盈系数通常较高，一般达1.5～2.0。当填土以、松散的建筑垃圾、碎块石等为主时，其充盈系数还会更高。实际的设计、施工中从节省工期、工艺的组合方式、造价的角度上还是比加设护筒等其它措施要合理和经济些，不建议采用护筒等作为专门的护壁措施，更不宜采用泥浆等支护处理。在厚层的软土地层中，还应注意成桩灌注时对相邻桩孔间因混凝土压灌挤压造成的对邻桩强度的影响和损坏；在松散并地下水发育场地，则应注意因混凝土灌注时造成相邻桩间窜桩的影响和破坏。