水泥土复合PHC管桩施工技术探析

黄志辉

（厦门海投工程建设有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

预应力高强度混凝土（Pre-stressed High-strength Concrete）管桩简称PHC管桩，具有施工速度快、抗压强度高和施工简便等优点，在地基处理和桩基工程中得到广泛应用，但是在管桩施工过程中，如果遇到深厚的卵石层、砂层或者砾石层等地层时，进尺较为困难，管桩进入土层还会产生一定的挤土效应。水泥搅拌桩具有造价低和工艺简单等优点，在止水帷幕和软基处理等工程应用较广，但是水泥搅拌桩的单桩承载力较低，无法有效地抵御上部荷载的重压[1]。如果利用水泥搅拌桩将硬夹层处理成松软的水泥土桩，在水泥搅拌桩中打入PHC管桩来承担竖向荷载，水泥搅拌桩提供侧摩阻力，则两种工艺的优势会得到充分利用与发挥，取得较好的经济效益。水泥土桩+PHC管桩则成为水泥土复合PHC管桩，本文结合工程案例，分析水泥土复合PHC管桩施工技术的应用。

1 工程概况

三宝海西物流园A地块5～21#楼、地下室及室外工程位于漳州市侨兴二号路北侧，漳华路东侧，其中5#～14#楼为地上8层，1层为商铺和架空绿化，2～8层均为商业，15#、18#、20#、21#楼均为地上6层，除了20#楼1～6层均为商业，其余楼都是1层为商铺和架空绿化，2～6层均为办公，19#楼为地上5层，1层为商铺，2～5层均为办公，15-1#楼、16-1#楼、18-1#楼均为地上1层，使用功能为设备用房或者商铺，地下室为1层，主要为设备用房和机动车车库之用。该工程总建筑面积约为85964.37m2，上部结构类型为框架结构，地下室结构类型为框剪结构。工程所属区域的地质情况如下：①素填土，主要成分为黏性土，呈松散～稍密状态，部分夹杂碎石，层厚0.70～1.40m；②粉质黏土，岩质风化完全，呈可塑～硬塑状态，层厚1.80～3.10m；③残积砾质黏性土，石英颗粒占15%～20%左右，灰褐色，属可塑状态，层厚2.50～4.70m；④细砂，局部混有黏性土，黏性土占8%～12%左右，呈稍密状态，层厚3.90～7.20m；⑤粉质黏土，呈软塑状态，层厚1.60～4.30m；⑥中砂，呈密实～中密状态，局部混有粒径为5～8mm 的卵石，卵石含量占10%左右，层厚8.60～13.20m；⑦全风化花岗岩，岩芯呈土状，风化完全，层厚4.10～6.30m；⑧砂土状强风化花岗岩，节理发育，岩石结构基本破坏，层厚3.30～5.60m；⑨碎块状强风化花岗岩，岩石破碎，浅褐灰色，风化强烈，层厚8.30～13.50m；⑩中风化花岗岩，岩层强度高，块状结构，层厚5.40～6.90m。勘探数据显示，稳定地下水位埋深约3.5～4.8m。

2 桩基方案的确定

桩基设计方案为旋挖桩，成孔方式选用泥浆护壁方式，由于地下水位高和砂层深厚等原因，桩基在成孔时塌孔较为严重，成孔困难，塌孔处理既费时又费钱，单桩成孔时间较长，桩基施工工期较短，泥浆护壁成孔方式难以实施。根据砂层深厚、地质特征提出砂层所处地方采用钢护筒进行护壁的方法，但是钢护筒价格较高，处理地质问题的费用较高，经济性较差[2]。桩基设计方案更改为预应力PHC管桩，由于深厚砂层照样很难顺利穿透，需要引孔后再沉桩，桩型改变后，布桩形式和数量均发生较大的变化，管桩沉桩速度快的优点依然无法弥补其造价高的缺陷。召开专题会议研究后，桩基方案换成水泥土复合PHC管桩，采用搅拌钻机钻进土体形成水泥搅拌桩，再将PHC管桩同心植入水泥搅拌桩中，从而形成复合桩。通过钻进、喷浆和搅拌，使得砂层性质得以改变，为后续的管桩植入提供良好的便利条件，从而解决了深厚砂层难以穿透和容易塌孔等技术难题。该工程水泥搅拌桩的直径为800mm，水泥掺量为18%，水泥为P·O 42.5，管桩选用预应力PHC管桩，桩径为500mm，采用静压沉桩方式，设计要求桩端嵌入碎块状强风化花岗岩2.0m。

3 水泥土复合PHC管桩工艺原理

水泥土复合PHC管桩是指采用搅拌钻机将钻头不断切割土体到达指定位置，启动泥浆泵将水泥浆通过钻头上的喷嘴朝周边土体进行喷射和搅拌，从而形成水泥搅拌桩，在水泥土凝固之前将预应力PHC管桩同心压入水泥搅拌桩，从而形成水泥土包裹着PHC管桩的复合桩[3]，如图1所示。该桩型充分地将管桩高承载力和水泥搅拌桩造价低等优势结合起来，从而达到和灌注桩相媲美的承载力效果。当受到上部荷载作用时，将由复合桩中两种桩型共同承担荷载作用。该工程施工工艺分为两部分：一部分是搅拌桩，另一部分是管桩，具体如图2所示。

图1 水泥土复合PHC管桩图

图2 施工工艺图

4 水泥土复合PHC管桩施工技术

4.1 场地的耐力处理

众所周知，PHC管桩压桩机的重量较大，桩机底座覆盖面积较大，对场地的耐力要求较高，如果场地不经过处理加强的话，压桩机在移机过程可能会出现沉陷现象。而该工程表层素填土相对松散，为了避免压桩机在施工中出现不安全因素，经过计算后，在素填土上铺设0.5m厚的石粉并采用压路机进行碾压数遍后，场地的耐力能够满足施工要求。为了防止个别地方石粉被破坏产生受力不均匀情况，在施工现场准备厚钢板，必要时采用钢板铺筑在行机路线上。

4.2 搅拌桩机的确定

搅拌桩机选用多功能钻机（如图3所示），该钻机采用先进的绞接式立柱和双斜支撑，支撑与立柱均选用油缸进行调节，钻机底盘较大，纵向规格为8.0m×2.0m，而两个横向规格为10.8m×1.8m，立柱直径为920mm，该钻机深度最大可达55m，立柱的垂直度调整速度快，底盘平稳可靠，可以根据地质情况选择加压钻进，拥有2个动力头，钻机动力十足，钻进速度快，并能保证叶片搅拌次数≥300次，行走方式为步履式，移机灵活。静压管桩的桩机选用常规的抱压式压桩机，型号为ZYJ600，压桩速度快，管桩焊接采用CO2气体保护焊。

图3 搅拌桩机图

4.3 搅拌桩施工准备

桩位测量定位之后，其桩位偏差值应符合规范要求。多功能钻机行走至桩位时，利用自身底盘稳定性和液压系统对立柱进行调整，使立柱垂直度符合规范要求[4]。钻杆中心线与桩位保持同一直线上，架设2台经纬仪对钻杆垂直度进行校正和复核，要求垂直度偏差≤0.5%。水泥浆在砂层中凝结速度相对较快，为了给后续管桩施工提供足够的施工间歇时间，拟在水泥浆中掺入生石灰和膨润土[5]，经过多次试验确定水泥浆配合比为水泥∶生石灰∶自来水∶膨润土=1.00∶0.09∶1.60∶0.05，为了准确地计量和下料，选用智能拌浆系统，只要在操作端输入各个材料的数量和配合比设计情况，即可实现自动称量下料，搅拌时间应符合规范要求，水泥浆搅拌后还应过滤再排放到储浆桶中，并在桶中安装搅拌装置防止浆液出现沉淀离析现象。

4.4 搅拌桩钻进成桩

为了防止输浆管路出现堵塞现象，在钻头切土下沉前应少量喷浆。由于多功能钻机采用先进的电脑云质量控制体系，在电脑端将水泥搅拌桩的钻深、钻进速度、喷浆量、搅拌次数以及成桩工艺模式等相关施工参数输入后，钻机根据电脑指令进行自动钻进成桩，而施工过程钻机的相关参数则通过传感器实时在电脑端显示，比如钻头所处深度、电流值、动力头下压力、钻头钻进速度、钻机扭矩和钻杆垂直度等，根据钻机钻进情况结合地质资料调整钻进速度，常规土层钻进速度为0.8m/min，钻至砂层时，应加压钻进和将钻速调整为0.5m/min，待穿过砂层再恢复钻速为0.8m/min，钻至持力层则钻速再调整为0.5m/min，钻进速度的调整主要依据电流值大小为标准[6]。当钻至指定高程时，利用空压机将水泥浆喷射到周边土体中，喷浆压力以0.4～0.6MPa为宜，为了保证桩端水泥土质量，要求在桩端位置喷浆和搅拌30s，以1.0m/min的速度进行提升与搅拌，钻头提升高程为桩顶高程+0.5m，将空压机关闭后再重复上述施工步骤，直至将钻头提出地面。

4.5 管桩沉桩

管桩施工应考虑到水泥土凝固情况，如果搅拌桩与管桩沉桩的间歇时间较长，则可能会出现管桩沉桩困难或者水泥土开裂等施工难题，要求管桩沉桩应在搅拌桩施工完成后2h内完成。待搅拌桩成桩后将钻机移机到下一个桩位，同时对桩位进行二次测量放线，并严格控制其精度，静压机应立即就位，底盘与液压系统应调整到位，吊桩后应及时夹住桩身对准桩位，要求桩位偏差≤20mm，为了保证同心，管桩垂直度偏差≤0.5%，垂直度校正依然采用经纬仪[7]，严格按照静压桩工艺流程组织施工，接桩时应清除桩端位置所有杂质，两节管桩对接应准确，焊缝应分层，焊接形式为CO2气体保护焊，接桩时应按照要求采用帆布进行挡风，焊接完成应自然冷却8min，确保焊缝完全冷却后再压桩，压桩力达到设计要求后再进行复压。

5 结束语

水泥土复合PHC 管桩按照设计要求进行搅拌桩取芯，所抽查芯样完整密实可靠，90d无侧限抗压强度试验结果为2.8～3.2MPa≥2.5MPa，满足设计要求；静载试验过程沉降稳定，沉降值实测为8.40～11.6mm，静载试验合格，单桩承载力符合设计要求；搅拌桩直径实测值为800～805mm，桩径符合设计要求；管桩与搅拌桩的桩位偏差为6～12mm，同心偏差符合规范要求。按照管桩直径500mm、搅拌桩直径800mm的水泥土复合PHC管桩，桩长30m对成桩造价进行计算，计算可知工程造价为17138元，水泥土复合PHC管桩成桩时间为1.8～3.5h；而同等桩长与桩径的旋挖桩的造价约为26850元，成桩时间为2d。经过对比分析可知，水泥土复合PHC管桩工程造价比灌注桩低，施工速度快，能有效地解决深厚砂层所遇到的施工难题，为类似项目提供参考。