含硬岩层的潜孔锤引孔灌土打入管桩法基础设计研究

何余钧，林惠庭，何建亮，唐 俊，周文超

（1、长宇（珠海）国际建筑设计有限公司 广东 珠海 519100；2、珠海市斗门区建设工程质量监督检测站 广东 珠海 519125；3、珠海市建安集团有限公司 广东 珠海 519000）

0 前言

预应力高强混凝土管桩（以下简称PHC 管桩）具有单桩承载力高，施工速度快，经济效应明显等优点，PHC 管桩在广东沿海地区广泛应用。锤击管桩只能进入N'=50 的强风化岩层1～2 m，静压桩至多只能压到该层表面。如果遇到“上软下硬，软硬突变”的地层，即上面覆盖层全是软弱土层，下面就是中风化岩层，中间缺失一层强风化岩层，这种地质条件普通打（压）桩法就不适合［1］。依据《锤击式预应力混凝土管桩工程技术规程：广东省标准DBJ/T 15-22—2021》［2］第4.3.4条对于基岩以上的覆盖层为淤泥等松散土层，其下直接为中风化花岗岩或微风化花岗岩，或中风化、微风化岩面上只有较薄的全风化或强风化岩层的地质条件，宜采用植桩工法或其他有效措施后采用锤击或振动成桩。

国内学者对于“上软下硬，软硬突变”的地层中PHC 管桩的沉桩方法以及承载性能开展了一些理论和试验研究。目前主要方法有潜孔锤引孔植桩法、静钻根植桩法、随钻根植桩法。植桩法普遍采用预钻成孔，孔内灌注砂浆或者细石混凝土后植入管桩的做法。赵伟等人［3］介绍了大直径风动潜孔锤引孔技术在含漂石砾砂层预制桩施工中的成功应用；王平等人［4-5］对使用风动潜孔锤在巨石、中粗砂填海区进行引孔钻进工艺开展试验研究；王雄旭［6］对硬岩孤石地质条件下液压潜孔锤旋挖钻机组合施工技术进行研究；方伟定等人［7］对静钻根植桩的设计、施工与试验开展研究；李纪胜等人［8］介绍了静钻根植桩在东城国贸中心的成功应用；王卫东等人［9-10］对上海地区静钻根灌浆植桩成桩效果与质量试验、承载特性现场试验开展研究；曾国等人［11］结合珠海市某工程实例详细阐述了引孔嵌岩预制管桩施工与设计的方法。

珠海地处广东省中部沿海、珠江三角洲的南部前缘，地貌单元以冲积平原和海积平原为主，软土分布范围广泛，沉积物以淤泥层占陆地总面积的50%～60%，局部厚度达50 m 以上［12］，PHC 管桩占珠海地区建筑桩基工程总数的85%以上，已成为该地区最主要的建筑桩型［13］。本文结合工程实例，对“上软下硬，软硬突变”的地层中PHC管桩采用潜孔锤引孔灌土打入管桩法的基础设计进行分析，引孔后孔内灌砾质黏性土再打桩，可以为今后潜孔锤引孔灌土打入管桩的实践与研究提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

珠海某生产基地建设项目位于珠海市斗门区，一期总建筑面积共229 640.75 m2，其中地上187103.35m2，地下42 537.40 m2。地上5 层，地下1 层。框架结构体系。抗震设防烈度7 度（0.1g），设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类。地基基础设计等级为乙级，采用PHC500（AB 型，壁厚125）管桩基础，桩端持力层为强风化花岗岩，锤击沉桩，入岩深度不少于3d（d为桩身直径）。

1.2 工程地质

根据本工程岩土勘察报告，场地内各土层由上至下分述如下，相关参数详如表1所示。

表1 各地层工程特性指标值Tab.1 Each Layer Engineering Characteristic Index Value

⑴人工填土层（Qml）：①素填土：松散状，稍湿，以耕植土为主，该层在场地内均有分布，平均厚度0.56 m。

⑵ 海陆交互相沉积层（Qmc）：①淤泥：流塑，饱和。该层在场地内均有分布，平均厚度8.56 m。②粗砂：稍密，饱和。成份石英为主，底部含较多黏性土。该层在场地内局部分布，平均厚度1.36 m。

⑶残积土层（Qel）：砂质黏性土：可塑～硬塑状。为花岗岩风化残积土。该层在场地内局部分布，平均厚度2.69 m。

⑷基岩层（γ52（3））：①全风化花岗岩：硬塑状，岩芯遇水易软化。属极软岩，极破碎。校正平均击数39.4击。该层在全场地内广泛分布，平均厚度3.19 m。该层无规律分布微风化孤石。②强风化花岗岩：岩体破碎，裂隙发育，属极软岩，极破碎。校正平均击数55.4击。该层在全场地内普遍分布，平均厚度2.69 m。③中风化花岗岩：岩体破碎，裂隙极发育。岩芯为碎块状、短柱状，岩石坚硬程度为软岩。饱和单轴抗压强度值frk=28.0 MPa，天然单轴抗压强度值frp=31.0 MPa。该层在全场地均有分布。

1.3 特殊不良工程地质情况

根据本工程岩土勘察报告，场地内对预制桩的设计以及沉桩有较大影响的不良地质情况如下：

⑴孤石无规律的分布在全风化花岗岩土层中。管桩沉桩过程遇到孤石会造成断桩，难以进入有效的持力层。

⑵局部地段存在“上软下硬，软硬突变”的地层，上面覆盖层全是软弱土层，下面就是强风化、中风化花岗岩层或中风化花岗岩面上只有较薄的全风化花岗岩或强风化花岗岩。管桩若按正常的锤击沉桩方式，桩入岩深度难以满足要求且容易断桩；桩范围内土层分布及特点如图1所示。

图1 桩范围内场地土层剖面Fig.1 Each Layer Engineering Characteristic Index Value

2 沉桩方案选择

为保证桩有效地进入持力层及入岩深度，需采取引孔措施。大直径风动潜孔锤能有效穿过孤石，穿进中风化花岗岩层。若采用钻机预钻成孔，孔内灌注砂浆或者细石混凝土后植入管桩的常规做法面临两个主要问题：①桩底完全固结后基坑开挖过程中容易出现断桩。采取回填砾质黏性土后挤压密实使桩底实际约束状态介于铰接与固结之间有利于控制桩身的质量；②结合地区工程经验，孔内灌注砂浆或细石混凝土施工质量不容易控制。故本项目采用大直径风动潜孔锤引孔，成孔后孔内回灌砾质黏性土，具有施工便捷质量可控的优点。针对特殊不良工程地质情况分别处理如下：

⑴对于偶遇孤石，硬夹层或中风化碎块等，预制桩施工采用潜孔锤引孔机进行引孔，引孔孔径D=550 mm，引孔后锤击沉桩，使PHC 管桩桩端进入有效的持力层。

⑵存在“上软下硬，软硬突变”的地层，软弱土层下面就是强风化花岗岩层的区域采用潜孔锤引孔机引孔，引孔孔径D=550 mm，入岩深度满足3d并加上桩尖高度，也就是1.65 m。潜孔锤引孔后孔内回灌砾质黏性土，充盈后再采用液压锤桩机锤击沉桩。收锤时以贯入度作为控制条件，桩长为参考条件，同时有效桩长不少于8 m。

⑶存在“上软下硬，软硬突变”的地层，软弱土层下面就是为中风化花岗岩或中风化花岗岩面上只有较薄的全风化花岗岩或强风化花岗岩的区域采用潜孔锤引孔机引孔，引孔孔径D=650 mm，入岩深度1.65 m。潜孔锤引孔后孔内回灌砾质黏性土，充盈后再采用液压锤击桩机锤击沉桩。收锤时以贯入度作为控制条件，桩长为参考条件，同时有效桩长不少于8 m。

3 单桩竖向抗压承载力特征值确定

3.1 单桩竖向抗压承载力特征值确定

单桩竖向承载力特征值须通过静载荷试验确定，试验方法应符合国家行业标准《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106—2014》第4 章关于单桩竖向静载荷试验的规定。

国内尚无潜孔锤引孔灌土打入管桩法单桩竖向承载力特征值的计算公式。相近公式有：①《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》［14］第5.3.5 条的计算方法；②文献［2］第4.2.4.4 条及条文说明对预钻成孔，孔内灌注砂浆或者细石混凝土后植入管桩工法的单桩竖向抗压承载力特征值的估算采用类似灌注桩承载力的计算公式；③《随钻跟管桩技术规程：JGJ/T 344—2014》［15］第4.3.2～4.3.5 条及条文说明中提到对随钻跟管桩为部分挤土桩，其桩侧摩阻力大于钻（冲）孔灌注桩，小于静压或锤击预应力混凝土管桩，初步估算时推荐其侧摩阻力按文献［14］推荐的泥浆护壁钻（冲）孔桩的极限侧阻力标准值取值；④《静钻根植桩基础技术规程：浙江省标准DB33/T 1134—2017》［16］第4.3.5条及条文说明中提出对于钻孔植桩预制桩施工对周边土体的加强作用，侧摩阻力参数可按岩土工程勘察报告提供的预制桩参数进行取值，端阻力特征值可按岩土工程勘察报告提供的预制桩参数根据桩端土性进行折减。分别依据上述规范相关规定进行估算，珠海市本地区检测结果统计显示液压锤沉桩的PHC500管桩单桩竖向抗压承载力特征值Ra常规取2 000 kN。

3.1.1 桩端持力层强风化花岗岩的管桩

对于桩端持力层强风化花岗岩的管桩，尚未完成自重固结的土类不计算其侧摩阻力。入岩深度l为1.5 m。

⑴锤击沉桩过程中因管桩对孔内的砾质黏性土产生挤压作用导致桩侧土挤压密实，桩的侧摩阻力以及桩端阻力参照地质报告中预制桩的参数取值，单桩竖向抗压承载力特征值计算参照文献［14］第5.3.5 条的计算方法估算，计算公式为

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值；u为桩身周边长度；qsia为桩侧阻力特征值；li为第i层土的厚度；qpa为桩端阻力特征值；Ap为桩底端横截面面积。本文qsia=120 kPa，qpa=6 500 kPa。根据式⑴，Ra=1 557 kN。相对珠海市Ra常规取值2 000 kN，计算结果偏小。

⑵单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［2］第4.2.4.4条的计算方法估算，计算公式为

式中：qsia取文献［14］中表5.3.5-1 中选取灌注桩侧摩阻力极限值的区间高值的0.5 倍；qpa取文献［14］中表5.3.5-2 中选取灌注桩侧摩阻力极限值的区间高值的0.5倍。本文qsia=100 kPa，qpa=1 100 kPa。根据式⑵，Ra=451 kN。相对珠海市Ra常规取值2 000 kN，计算结果严重偏小，该公式不合理。

⑶单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［15］第4.3.2条的计算方法估算，计算公式为

式中：因桩侧未注浆，qsik取文献［14］表5.3.5-1 中泥浆护壁钻孔桩极限侧阻力标准值取值，qpk按文献［15］表4.3.2-2 中取值。本文qsik=200 kPa，qpk=1 800 kPa。根据式⑶，Quk=823 kN，故Ra=412 kN。相对珠海市Ra常规取值2 000 kN，计算结果严重偏小，该公式不合理。

⑷单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［16］第4.3.5条的计算方法估算，计算公式为

式中：qsik按勘察报告中预制桩桩侧阻力标准值取值；qpk按勘察报告中预制桩桩端阻力标准值乘以折减系数0.6。本文qsik=240 kPa，qpk=7 800 kPa。根据式⑷，Quk=2 094 kN，Ra=1 047 kN。相对珠海市Ra常规取值2 000 kN，计算结果严重偏小，该公式不合理。

3.1.2 桩端持力层中风化花岗岩的管桩

对于桩端持力层为中风化花岗岩的管桩，入岩深度满足3d，桩承载力主要来自桩端阻力，不考虑其侧摩阻力。

⑴单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［14］第5.3.9条的计算方法，计算公式为

本文暂取ξr=1.0。根据式⑸，Qrk=5495kN，Ra=2748kN。相对珠海市Ra常规取值2 000 kN，计算结果偏大。需调整ξr取值为0.7～0.8，则Ra接近常规取值2 000 kN。

⑵单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［2］第4.2.4.4条的计算方法估算，计算公式为

式中：C1按照文献［2］第10.2.4条规定取值。本文C1=0.4。根据式⑹，Ra=2 434 kN。相对珠海市常规取值2 000 kN，计算结果偏大，该公式不合理。

⑶单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［15］第4.3.3条的计算方法估算，计算公式为

本文ξr=1.25。根据式⑺，Qrk=6 868 kN，Ra=3 434 kN。相对珠海市常规取值2 000 kN，计算结果严重偏大，该公式不合理。

⑷单桩竖向抗压承载力特征值计算按照文献［16］第4.3.5条的计算方法估算，计算公式为

本文ξr=0.7。根据式⑻，Qrk=3 847 kN，Ra=1 924 kN。相对珠海市常规取值2 000 kN，计算结果接近，该公式合理。

3.2 工程抗浮问题的解决

本项目上部无塔楼的地下室区域原设计通过自重以及抗拔桩平衡水浮力。基桩的抗拔承载力主要由桩的侧摩阻力以及桩身自重提供，对于不良地质情况区域基桩的抗拔承载力达不到设计要求。通过专业间的协商确定通过以下两个方面去解决地下室抗浮：①增加顶板覆土厚度以及上部无塔楼的地下室区域的底板厚度来增加自身的重量；②将整个场地的黄海高程提高以降低抗浮设计水位。通过上述办法使得整个项目的抗浮满足要求。

3.3 静载试验结果及分析

因本项目地质条件较复杂，且成桩工艺特殊，依据文献［2］第4.2.4条在施工前进行单桩竖向抗压荷载工艺性试验以确定单桩竖向抗压承载力特征值，根据持力层为强风化花岗岩及中风化花岗岩两种情况分别进行试验，分别试验3根，共6根。本项目按常规锤击工法施工的基桩单桩竖向抗压承载力特征值Ra=2 000 kN，采用潜孔锤引孔灌土打入管桩法的基桩单桩竖向抗压承载力特征值Ra=2 000 kN，最大试验荷载为4 000 kN。试验结果统计如表2所示。

表2 各试验桩试验结果Tab.2 Test Results of Each Test Pile

试验结果表明：

⑴采用潜孔锤引孔灌土打入管桩法在清孔满足要求的前提下管桩的Q-s曲线为缓变型，当加载到最大加载量4 000 kN 时桩顶沉降量满足设计要求。单桩竖向极限抗压承载力≥4 000 kN。

⑵正常锤击工法桩Q-s曲线如图2所示，潜孔锤引孔灌土打入管桩法桩端持力层为强风化花岗岩桩Q-s曲线如图3⒜所示，可以看出两者的桩Q-s曲线表现规律基本一致，都是典型的摩擦端承桩的承载受力方式。按照文献［14］第5.3.5 条的计算方法估算时理论计算符合实际受力情况。

图2 正常锤击工法桩桩Q-s曲线Fig.2 Q-s Curve of Normal Hammer-driven Pile

图3 桩Q-s曲线Fig.3 Pile Q-s Curve

⑶根据图3⒝可以看出，在3 根潜孔锤引孔灌土打入管桩法桩端持力层为中风化花岗岩的试验管桩中，2-1#～2-3#桩Q-s曲线基本表现规律一致，桩的侧阻力很小，桩端承担绝大部分的竖向荷载，属于典型的端承桩的承载受力方式，其桩端阻力的计算采用与灌注桩桩端阻力计算类似的理论计算方法符合实际受力情况。

⑷根据图3⒝的2-1#桩试验结果显示：潜孔锤引孔灌土打入管桩法引孔清孔不干净存在淤泥，会导致单桩的抗压承载力性能下降。

4 结论

⑴潜孔锤引孔灌土打入管桩法适用于“上软下硬，软硬突变”的地层条件，按此工法施工的PHC500管桩与正常液压锤击法管桩的单桩竖向抗压承载力特征值Ra能达到2 000 kN的设计要求。

⑵对于潜孔锤引孔灌土打入管桩法且桩端持力层为强风化花岗岩的单桩竖向抗压承载力特征值Ra可按文献［14］第5.3.5条进行估算，锤击沉桩过程中因管桩对孔内的砾质黏性土产生挤压作用导致桩侧土挤压密实，桩的侧摩阻力以及桩端阻力可参照地质报告中预制桩的参数取值。静载试验结果较估算值提高约13%，按方法进行承载力估算有一定的安全储备。

⑶对于潜孔锤引孔灌土打入管桩法且桩端持力层为中风化花岗岩的单桩竖向抗压承载力特征值按文献［14］第5.3.9条嵌岩桩进行估算，对比静载试验结果，发现计算时不计入桩周土总极限侧阻力，需要调整ξr的取值为0.7～0.8，计算结果才合理。