钻孔压灌后插钢筋笼灌注桩在黏性土层中的应用

李 阳，邢 威

（1.北京路桥瑞通养护中心有限公司，北京 101300；2.北京市海淀区市政服务集团有限公司，北京 100089）

1 长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩概述

钻孔压灌后插钢筋笼灌注桩是利用钻机钻孔后通过钻杆中心通道泵送混凝土并压至孔中，等混凝土达到一定量后再将钢筋笼吊入混凝土中，最后形成钢筋混凝土灌注桩[1]。长螺旋钻孔压灌桩具有污染小、工期短、成桩质量好、造价低等优点，且此种工艺适应于多种复杂的地质条件，不受地下水位的影响，被广泛地应用在桩基工程的承载桩[2]，特别在硬塑黏性土层中，相较其他桩型，可快速成桩，具有功效高、桩体密实、承载力高等特点，显示出良好的经济与社会效益。下文将以一个工程实例论述长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩在硬塑黏性土层中的应用情况。

2 工程概况

该工程路基以填方形式通过。正线地基处理采用方桩加固，桩长28 m，截面尺寸为0.45 m×0.45 m，设计单桩承载力最大为1 289 kN，正方形布置，桩间距2.4 m。

3 地质、水文、试桩情况

3.1 地质情况

该工程路基以填方形式通过黄淮冲积平原区，地形平坦、开阔，地表水系发育，河渠纵横，交织如网。地层为第四系全新统冲洪积粉质黏土、黏土、粉土、细砂、中砂等。地基土类型形式见表1。

表1 地基土类型

3.2 水文情况

本段范围内地下水主要为第四系孔隙潜水和承压水，孔隙潜水主要赋存于第四系全新粉土中，水位埋深0.6～2.5 m，承压水主要赋存于上更新统粉土、砂类土层中。地下水主要接受大气降水和地表水补给，水位年变化幅度不大。

3.3 原设计方桩试桩情况

根据设计图纸，结合现场勘探实验，现场采用静压法进行了3根方桩试桩施工。第一根桩桩尖进入5-11 Q3al+p11黏土层，明显进尺困难，最终压力值2 450 kN，最终压入深度25.5 m；第二根方桩静压施工，当压入深度达到25 m后，仍然进尺困难，最终压力值2 573 kN，最终压入深度25.57 m；由于前两根桩均未能静压到设计深度，为查找原因，继续获取工艺试验参数，现场开始进行了第三根工艺试桩施工，但仍然无法静压至设计深度，最终压力值2 940 kN，最终压入深度25.3 m，在继续加大压力至3 440 kN时，压桩机抱箍出现明显打滑现象，此时方桩仅下沉8 cm，沉入深度为25.38 m。

经总结分析，方桩进入的持力层Q3al+pl1黏土层，其承载力为160 kPa，为硬塑黏土层，土质十分坚硬，这是造成方桩难以下沉的主要原因。但根据设计要求该区域方桩桩尖必须进入持力层不小于2 m，否则无法满足规范要求，因此不能变更缩短桩长。

4 长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩施工情况

4.1 施工参数

经现场勘查，结合该段路基地质条件及地形地貌，拟在本段路基采用适用于该类硬塑黏土层的长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩，试桩施工参数如下：试桩6根，桩长28 m，桩径0.6 m，按照正方形布置，间距2.4 m；桩体材料按C30混凝土设计，坍落度为220～260 mm；钻进速度为2.9～3.4 m/min，提钻速度为2.4～2.8 m/min。

4.2 钻孔灌注桩工程施工工艺

4.2.1 施工机械

根据试桩的桩径、桩长等参数，选取YTZ30长螺旋钻机，成桩深度0～30 m，成桩直径400～600 mm，钻杆转速21.7 r/min，最大输出扭矩48.4 kN·m，主、副卷扬单绳提升力分别为80 kN、30 kN。

4.2.2 工艺流程

（1）原地面处理

施工范围内原地面处理直接采用人工配合机械清除表层植被，挖除树根，并对施工场地进行平整密实，其承载力应满足机械作业要求，并做好临时排水设施。

（2）测量放样

由测量人员逐根确定试桩位置，并通过插竹签临时标记，尺量复核无误后在孔内灌白灰标记。

（3）钻机就位

长螺旋钻机就位后调整钻杆垂直度并对准桩位中心，钻杆中心与桩位偏差应不大于50 mm，钻机就位后钻机底座应平稳。现场可通过吊垂线方法检查钻杆垂直度，确保其偏差不大于1%。在钻机塔架上标记出入土深度，便于钻进深度的控制。

（4）成孔、成桩

关闭钻头阀门，向下移动钻头至地面开始钻进。钻至设计孔深后采用混凝土输送泵进行压灌混凝土施工，混凝土灌注至设计桩顶时的投料量不应小于设计灌注量，为确保截除桩头后的桩顶混凝土强度和质量满足设计要求，混凝土需超灌至桩顶标高以上30 cm。

（5）清土

长螺旋钻孔法属于排土成桩工艺，施工过程中，由挖机对排出的土及时进行清除，混凝土灌注完成后，桩顶四周应平整，并由人工对桩顶混凝土面上的泥土进行清除。

（6）钢筋笼加工、下放

现场采用15 m长钢筋笼，在钢筋加工场加工完成后使用平板车运输至现场，采用长螺旋钻机上的卷扬机或汽车吊进行起吊下放。桩身混凝土灌注完成后应立即进行钢筋笼插入施工（如图1所示）。钢筋笼下放时，在顶部设置1台平板振动器，先依靠钢筋笼自重缓慢下沉，钢筋笼下放困难时，开启平板振动器，确保钢筋笼下放至设计深度。钢筋笼下放速度应控制在1.2～1.5 m/min，下沉过程中，由专人负责检查和指挥，确保钢筋笼始终保持垂直。

图1 钢筋笼吊放示意图

（7）桩间土开挖

试桩施工完毕后应注意对施工后的桩头进行保护，防止重型机械碾压，待桩体混凝土达到设计强度70%后开始清理桩间土，采用小型机械配合人工进行清除，避免造成桩顶标高以下的桩身断裂和桩间土的扰动。

4.3 施工技术要点与注意事项

4.3.1 钻机注意事项

钻进进尺过程中每钻进1 m或电流表突变时记录一次电流值变化，并将地质情况、钻进速度一并记录。若达到设计桩长时，电流值出现减少的趋势应及时与设计地质相对比，确保桩尖按设计要求深入持力层土层。钻进过程中应有技术人员旁站，钻进速度宜控制在2.9～3.4 m/min，达到指定位置后需要空转30 s左右，从而保证桩径大小符合设计要求、钻渣清除彻底，并起到护壁的作用。先将钻杆上提20 cm后再泵送混凝土，当钻杆顶端排气孔有混凝土浆液喷出后可判断钻杆中心管内已经充满了混凝土，这时匀速提管将提管速读控制在2.4～2.8 m/min，拔管过程中应控制导管始终埋入混合料内1 m左右，避免旋转钻头，避免泥土掉入，以免形成断桩，施工过程中需要专业人员检查泵压是否正常，弯头和钻杆状态是否正常，泵管是否堵塞。拔管速度相对泵料能力较小时易造成堵管，反之钻头与已灌注的混凝土之间易产生空隙，造成局部缩颈或地下水通过孔壁渗入造成断桩。桩与墩柱相连接的情况（无承台），墩柱钢筋应与桩基内钢筋采用单面焊接，焊接长度为10倍钢筋直径。桩基施工完成后，严禁在桩周围取土，致桩外露造成隐患。桩基检测方式采用声测管检测法。

4.3.2 钢筋笼下方技术要点

在钻孔灌注桩施工过程中，钢筋笼上浮是影响桩基工程的主要因素之一，在灌注混凝土时，通常存在钢筋笼上浮现象，产生这一现象的主要原因是钢筋笼受到泥浆和新拌混凝土向上的浮力与向下运动时与泥浆混凝土产生的端头阻力与摩擦力之和大于自身重力与固定机械的锚固力。钢筋笼上浮会影响灌注桩的质量，也是产生塌孔的主要原因，严重时会引起工程事故，造成工程延期以及经济损失。为避免钢筋笼上浮应在灌注混凝土的过程中应注意以下三个施工阶段。

第一阶段：混凝土液面、导管都在钢筋笼底部以下。在该阶段，刚开始灌注混凝土，钢筋笼未接触到混凝土。此时，由于混凝土液面距离钢筋笼底端还有一段距离，两者没有发生相对运动，故该阶段钢筋笼没有受到向上的合力（包括侧粘力、摩擦力、端头阻力）。钢筋笼受到的合力作用主要包括自身的重力G，泥浆给的浮力F1，这个阶段上浮力弱，F1几乎为零，G远远大于F1。这个阶段浮力可以忽略，只要避免泥团包裹钢筋笼就可以。

第二阶段：混凝土上升开始进入钢筋笼，导管在底部。这时，由于导管慢慢的提升，混凝土液面开始接触钢筋笼，而导管还在钢筋笼底端。此时，钢筋笼受到向下的合力是自身的重力G、向上合力F为泥浆的浮力F1和混凝土给予合力F2（侧粘力、摩擦力、端头阻力、浮力）。第二阶段往往是最容易发生钢筋笼上浮的阶段。由于混凝土从导管中流出，由于其密度较大，不仅给了更大的浮力和侧粘力，还给予了钢筋笼向上的摩擦力和端头阻力。通过之前的实验可以得出，在同等条件下，钢筋笼上浮几率会随着钢筋笼根数、主筋直径、圈直径、的增大而增大，也就是说钢筋笼越大施工难度越大。在同等条件下，随着混凝土液面上升上浮力越大，也就是说随着施工的推进，施工难度越大。

第三阶段：混凝土液面逐渐盖住钢筋笼、导管也进入钢筋笼。在该阶段，灌注混凝土的持续进行并匀速提管，导管也开始进入钢筋笼，混凝土液面持续上升。此时，钢筋笼受到的合力作用主要包括自身的重力G、泥浆的浮力F1、混凝土给予的合阻力F合（侧粘力、摩擦力）和钢筋笼下部混凝土对其的锚固力F2。由于导管进入钢筋笼内部，此时钢筋笼受到向上的阻力少了端头阻力，同时随着混凝土液面的持续上升，初始的混凝土给予了向下的锚固力，使得向上合力减小而向下的合力增大，故钢筋笼受到的总合力还是向下的。下部凝固的混凝土给予的锚固力在持续变大，故比较安全。

4.3.3 灌注泥浆和混凝土的注意事项

首先，泥浆和混凝土指标也很重要，是保证灌注桩质量的主要因素，级配必须严格执行设计要求，水泥不得低于42.5的普通硅酸盐，碎石大小直径需要控制在（5-16 mm）∶（16-25 mm）=4∶6；加1%的外加剂，并提前充分搅拌，保证良好的和易性。灌注前，清孔工作很重要，将孔里残留的岩粉和残渣通过置换方式挤出孔内泥浆填满混凝土。置换后孔内泥浆相对密度在1.0～1.1之间，减小了混合浆体的密度，防止了泥浆粘稠凝结阻碍下放钢筋笼。另外清理好桩孔周围土块以防止掉下产生断桩或者塌孔等现象。其次，需要把握好混凝土凝结时间，如果施工有耽误可适当添加缓凝剂，这样既能保持混凝土良好的和易性也能保证灌注过程中混凝土有足够的流动性，从而降低钢筋笼下放阻力。最后控制好温度、运输距离和塌落度。当混凝土到达施工地点时，检查均匀性和塌落度是否符合要求。一般桩径＜1.5 m时，混凝土塌落度为180～220 mm；桩径＞1.5 m时，混凝土塌落度适为160～200 mm。

4.4 试桩效果

对6根试桩均进行成桩质量检测，低应变检测：所检测6根桩的桩身完整性均合格；静荷载试验：所检测6根桩的单桩竖向抗压承载力特征值为1 289 kN，满足设计要求；取芯检验：所检测的6根CFG桩其桩身砼连续、完整、断口较吻合，砼胶结良好，抽检部分砼强度代表值≥30 Mpa，均满足设计要求。

现场实验检测结果表明，长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩在硬塑黏性土层中可正常成桩，且成桩质量较好，桩身强度及承载力均满足要求[3]。

5 结束语

作为一种施工简便的地基处理新技术，长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩在硬塑黏性土层中的成功应用，保证了现场在复杂地质条件下的成桩质量，其广泛的适应性、高效的成桩方式和良好的工程效果确保了地基处理的顺利进行，为后期的土方填筑打下了基础，从而加快了施工速度，为工程的顺利开展创造了条件。