滨海地区复杂地质条件下植入法沉桩施工技术*

陈智鸿，蓝明红，陈景镇，蒋 晨，陈 黔

(中建四局建设发展有限公司，福建 厦门 361006)

0 引言

桩基根据桩身材料分为刚性桩(混凝土桩、钢管桩)、柔性桩(深层搅拌桩)、散体材料桩(碎石桩)；根据施工方法分为旋喷桩、灌注桩、锤击桩、静压桩；根据受力方式分为端承桩、摩擦桩、端承-摩擦桩、摩擦-端承桩[1]。随着承载力要求的提高，传统桩型及施工方法已经不能满足实际工程要求，国内外学者开始探索新的桩型和施工方法。

冷伍明等[2]通过试验和数值模拟方法，探究螺纹桩桩身轴力及桩侧摩阻力分布规律，分析桩顶荷载作用下桩身与桩周土体的变形规律，揭示螺纹桩竖向承载机理，并讨论螺纹结构参数对螺纹桩承载力的影响。刘汉龙等[3]为探究高喷插芯组合桩(简称 JPP)的荷载传递机制，以大型土工试验模型槽为依托，进行JPP桩、灌注桩和高压旋喷水泥土桩静荷载对比试验。任连伟等[4]利用有限差分软件FLAC3D对JPP群桩竖向承载特性进行数值模拟分析，讨论桩数、桩间距、桩长、不同组合形式、不同水泥土弹性模量等对竖向承载特性的影响。郭尤林等[5]提出固体(混凝土)-散体(碎石散体材料)串联组合桩，并推导串联组合桩鼓胀变形的理论计算方法，探讨串联组合桩的鼓胀变形机理。王建等[6]采用ABAQUS有限元软件，对黏土地基中劲性复合桩的单桩水平承载性能进行研究，重点分析水平荷载-位移关系曲线、桩体材料受拉损伤因子分布、水平极限承载力等结果。白晓宇等[7]进行大直径泥浆护壁钻孔灌注桩单桩竖向抗压静荷载试验及桩身力学测试，对比分析灌注桩注浆与否的承载性状、变形特性及影响因素。后注浆技术克服灌注桩桩端虚土的技术难题，但施工工艺复杂、周期长。

近些年，单一桩型已无法满足需求，复合、组合桩型研究深受国内学者的青睐[8-10]，但是桩基工程的地域差异性很强，针对特定地区的地质条件，所适用的施工工艺参考资料有限。植入法沉桩是灌注桩和预制管桩成桩工艺的组合，具有这两种桩型成桩工艺的优点，应用前景广阔。本文结合厦门市新体育中心项目，介绍其施工工艺及关键工序施工要点，并通过应用效果，分析总结施工质量控制措施(见图1)。

图1 厦门市新体育中心项目效果

1 植入法沉桩

植入法沉桩指预先采用钻机或其他成孔设备在桩位处成孔，成孔孔径略大于预制管桩直径，成孔后向孔内灌注一定强度的水泥浆、混凝土等胶凝材料，并在凝固前通过钢套筒控制桩身平面定位和垂直度，将预制管桩植入孔内的施工工法，特点如下：①适用于滨海地区腐蚀环境、孤石率高、需穿越硬夹层或厚砂层、厚度大的松软土层等复杂地质中的预制管桩沉桩施工；②具有成孔速度快、无明显挤土效应、全施工过程质量可控的优点；③可根据设计图纸需求合理选择桩端持力层或有效桩长，以提高配桩效率；④采用旋挖成孔方式，可有效提升预制管桩水平抗剪承载力和竖向承载力；⑤植桩成孔深度控制原则是桩端能进入设计要求的持力层及保证设计有效桩长的前提下，尽量减少植桩成孔深度；⑥灌注的水泥土、混凝土或固桩液能增强管桩后期桩身侧阻力，以达到设计荷载要求。

2 工程概况

厦门市新体育中心项目位于厦门市翔安区，总建筑面积约230 400m2，其中体育馆(配套综合训练馆)约155 000m2，建筑高度为17.28～48.12m，场地地貌为冲洪积阶地与滨海滩涂交接地带；游泳馆建筑面积约75 400m2，建筑高度为18.21～40.86m，场地地貌为滨海滩涂区。采用桩基础，桩基设计等级为甲级，为预应力高强混凝土管桩(PHC桩)。

1)岩土层分布 场地地基岩土层主要由人工填土、海积层、冲海积层、冲洪积层、坡洪积层、残积土及基岩风化层等组成。建设场地跨越不同地貌单元，拟建场地地层结构较复杂，岩土层种类较多，且其分布、埋深、厚度及性能变化较大。分布饱和软土淤泥质土或砂土，且综合厚度较大，基岩风化层岩面起伏变化大，孤石异常发育(孤石遇见率平均达35%，大部分孤石呈串珠状，且揭露厚度较大)，孤石分布概率如图2所示(图中阴影部分为弧石大概率集中发育区)。

图2 孤石概率分布

2)水文地质条件 场地地质条件为湿润区强透水层中的地下水。地下水对混凝土结构具弱～中腐蚀性，综合按中腐蚀性考虑；钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水状态下具微～弱腐蚀性，综合按弱腐蚀性考虑；在干湿交替带具强腐蚀性。

3)PHC桩基础说明 采用桩型为PHC600-130-AB，单桩竖向抗压承载力特征值为2 800kN,单桩竖向抗拔承载力特征值为800kN，桩身混凝土强度等级为C80，桩端持力层为砂砾状强风化花岗岩，桩底进入持力层深度≥1.0m。防腐蚀处理措施如下：桩身混凝土内掺入钢筋阻锈剂和有效矿物掺合料，预应力钢筋混凝土保护层厚度≥40mm。采用旋挖钻机成孔直径为800mm，孔内居中植入直径600mm的PHC桩，后浇筑有效桩长2/3体积量的C25水下细石混凝土，再锤击PHC桩直至设计标高。

3 植入法沉桩施工工艺

植入法沉桩施工工艺如下：施工前期准备→BIM技术应用→放桩位线→埋设钢护筒→护壁泥浆制备→旋挖钻孔及检测→清孔→下导管→浇筑水下混凝土→安装钢套筒→锤击沉桩准备→锤击沉桩→锤击沉桩收锤→桩孔安全防护→验收。

4 关键工序施工要点

4.1 BIM技术应用

1)BIM建模 由于岩土层的不均一性、基岩风化的差异性及孤石发育随机性，钻孔间的地层界线均按一般规律推测，与实际情况存在差异。因此，施工时需考虑因勘探精度、钻孔移动、风化差异及孤石等因素导致勘察资料与实际地层情况有所差异的影响。通过整合勘探孔地质情况数据，将离散的勘探孔地质信息从“点-线-面”回归到连续三维地质分布情况，整体三维地质模型如图3所示。

图3 三维地质模型

2)桩长预判 根据试验桩确定的收锤标准和入岩深度等关键信息，将三维地质模型关联桩基模型，预判有效桩长，提高现场桩基施工配桩精度，如图4所示。

图4 桩长预判模型

4.2 旋挖成孔

1)放桩位线 在现场地面上用红色油漆标出每个桩位点，桩上标定桩位中心，施工过程中测量人员实时跟进测量控制及补点复测。

2)埋设钢护筒 放置钢平台，进行护筒埋设。护筒定位时应先复核桩位，然后以桩位为中心，定出相互垂直的十字控制桩线，并作十字栓点控制，挖护筒孔位，吊放入护筒，同时用十字线校正护筒中心及桩位中心，使之重合，并保证护筒中心位置与桩中心偏差在50mm以内。所采用的钢护筒直径大于钻头直径，护筒顶标高应高于施工面200～300mm，并确保筒壁与水平面垂直。

3)护壁泥浆制备 制备泥浆相对密度为1.23，并对孔内泥浆浆面以下1m处及离孔底以上1m处各取一次试样进行测试，若达不到标准规定，应及时调整泥浆性能。新制泥浆应静置24h，测试合格后方能使用。旋挖斗提升出地面时要及时补浆，以保持孔内泥浆面高度。

4)旋挖钻孔及成孔检测 植桩法旋挖钻孔孔深为设计有效桩长及入岩≥1m的控制旋挖深度，孔底以设计持力层(砂砾状强风化花岗岩、浅层孤石或砂砾状强风化花岗岩中孤石)控制桩落底，成孔直径宜比预制桩直径或截面外接圆直径≥200mm(根据桩长与倾斜度综合控制)。钻进过程中，一定要保持泥浆面不得低于护筒顶400mm。提钻时，须及时向孔内补浆，以保持泥浆面不得低于护筒顶400mm。利用测绳、泥浆密度计等仪器，共同测定桩孔各项参数，植桩旋挖孔沉渣应小于50mm。

5)清孔 第1次清孔采用钻机放慢钻速，利用双底捞渣钻头全部带出悬浮沉渣的方式进行。第2次清孔采用泥浆正循环清渣，将泥浆管放置于孔底沉渣附近，开启泥浆泵，快速运动的泥浆冲刷扰动桩底沉渣，沉渣在泥浆中泛起，被上升循环的泥浆携带排出。清孔完以后应确保沉渣厚度<50mm。

4.3 浇筑混凝土

1)浇筑混凝土采用漏斗结合导管，漏斗与导管位置应使用隔水塞球胆(直径与导管内径相同)封闭，隔水塞球胆用铁丝固定在漏斗边，待漏斗内混凝土放满后剪断铁丝。

2)选择合适的导管，导管直径为250mm。导管底端下至孔底标高上300～500mm。应有足够的混凝土储备量，导管一次埋入混凝土灌注面以下≥0.8m，导管埋入混凝土深度宜为2～6m。

3)混凝土灌注过程中，始终保持导管位置居中，专人指挥提升导管，当最后一次拔管时，缓慢提拔导管，避免孔内上部泥浆压入桩中，混凝土灌注完成后及时拔出护筒。

4)混凝土浇筑量为预估有效桩长2/3旋挖孔深体积量，施工时根据不同桩位进行计算。

4.4 锤击沉桩

1)安装钢套筒 为控制管桩植入过程偏位及垂直度偏差，管桩沉桩前在护筒内侧套设钢套筒装置，该装置与旋挖护筒紧密固定，防止该装置在旋挖护筒内发生位移，钢套筒内径略大于管桩外径尺寸，宜控制在2～4cm。

2)锤击沉桩准备 为保证预制管桩植入水下混凝土不流入桩芯，在管桩桩顶使用铁片对桩芯进行封闭焊接，防止泥浆及土石方填埋桩芯。桩基吊装就位时，桩尖吊入钢套筒内侧，同时复核管桩垂直度。通常用千斤顶、枕木、铁垫块调整滚筒水平，并控制桩架垂直度。用桩架精确调整桩身垂直度，第1节桩的垂直度允许偏差为0.5%，管桩施打过程中采用垂线及全站仪等检查垂直度，确保桩身垂直度控制在1%以内。

3)锤击沉桩 植入桩沉桩过程中，待管桩自由下沉停止后，空锤锤击沉桩，沉桩稳定以后，重锤低击使桩能够正常贯入(穿)混凝土；桩头与桩帽间的弹性垫层不应小于120～150mm(宜用纸板、棕绳等)。锤击沉桩过程应连续，尽量缩短接桩间歇时间，防止水下混凝土初凝无法沉桩等问题。

4)接桩 单桩接头不应超过3个，接头应避开地下水干湿交替区域1m以上。接桩采用机械连接结合焊接的措施，并采用电焊封闭端头型钢或钢板的边缘接缝，焊缝深度≥10mm。

机械连接销、连接盒内应涂刷或注入沥青涂料，接头钢配件应涂刷或注入环氧沥青涂料，涂膜总厚度≥320μm。

5)收锤 孔底为砂砾状强风化岩(或部分无法贯穿灌注混凝土)时，按最后3阵贯入度累计≤10cm，每阵≤4cm控制。孔底为强风化岩中的孤石、碎块状强风化岩或中～微风化花岗岩时，以控制桩尖刚好落底为宜(施工中严格比对旋挖成孔深度与桩入土深度，送桩务必做好标记)，严禁在桩尖到底时仍继续锤击。

5 质量控制措施

1)检查混凝土浇筑导管是否变形，存在坑凹、弯曲以及破损或裂缝等问题，并应检查内壁是否平滑，对于新导管应检查内壁是否光滑及有无焊渣，对于旧导管应检查内壁是否有混凝土粘附固结等情况。

2)水下细石混凝土根据现场施工组织时间添加一定量的缓凝剂，以满足植入桩的时间需求。

3)及时调整植入桩填充缓凝型细石混凝土的配合比，避免混凝土粗骨料于孔底一定深度范围内富集，从而导致植入管桩难以完全穿透灌注混凝土的情况，减少植桩过程中混凝土的沉桩阻力。

4)压桩时主机手和地面操作人员必须经常观察桩身垂直度，发现倾斜必须及时调整，垂直度偏差不得大于0.5%。沉桩时应连续一次性将桩沉到设计标高，尽量缩短中间停顿时间，避免在接近持力层时接桩。

5)桩长不够时如要接桩，上、下节桩接头端板坡口应洁净、干燥，且焊接处应刷至露出金属光泽。桩接头焊好后应进行外观检查，检查合格后方可继续沉桩，严禁浇水冷却,自然冷却时间不少于8min。

6 实施效果

编号为A-Z-3的抗压桩位于地勘孔5-ZK63附近，配桩长度为13m，设计桩顶标高2.500m，场地自然地面标高5.660m，持力层为砂粒状强风化花岗岩。成孔经残积砂质黏性土10.2m，全风化花岗岩4.2m，经砂粒状强风化花岗岩层1m，成孔深度15.4m，持力层为砂砾状强风化花岗岩层，有效孔深12.24m。混凝土浇筑量按有效孔深的2/3即4.06m计算，实际混凝土灌注4.5m，混凝土坍落度195mm。植桩过程中，桩底刚好穿透孔底混凝土，进入砂砾状强风化花岗岩层0m，最后3阵贯入度为24，20，16mm，3阵累计贯入度60mm。

A-Z-3抗压桩设计单桩竖向抗压承载力特征值为2 800kN，单桩竖向抗压静载试验检测结果为最大试验荷载7 280kN，对应最大试验荷载沉降量6.13mm，残余变形2.56mm，满足设计要求，基桩低应变法检测为Ⅰ类。

7 结语

1)植入法沉桩即采用旋挖成孔灌注细石混凝土后锤击植入预制桩的成桩工艺。结合钻孔灌注桩和预制管桩的优点，弥补两种桩型的缺点，即保证桩的入岩深度又保证成桩质量。对于处理腐蚀环境下桩基的防腐、孤石发育、预制桩持力层强风化岩面较浅的复杂地质问题优势突出，并可根据设计需要合理选择桩端持力层和控制桩长，桩长和桩基承载力控制的成功率高。

2)植入法沉桩应用于厦门市新体育中心项目，克服地质条件差且场地跨越不同地貌单元、地质结构复杂、局部存在硬夹层、岩面起伏大、孤石率高且呈串珠状等不利因素，取得较好效果。