建筑技術(shù)丨長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌空心樁（夾芯樁）成樁技術(shù)研究

基樁的豎向承載能力主要取決于樁周巖土層側(cè)阻力和樁端巖土層的端阻力，據(jù)此可設(shè)計(jì)出樁身直徑、長(zhǎng)度和樁端面積；一般設(shè)計(jì)的混凝土樁身豎向軸心受壓承載力計(jì)算值往往遠(yuǎn)大于基樁的豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值。為了充分發(fā)揮樁身混凝土的承載力，節(jié)省樁體多余的混凝土，工程上出現(xiàn)了大直徑現(xiàn)澆混凝土筒樁、管樁、預(yù)制樁殼空心樁等，取得了較好的效益。但目前仍極少見(jiàn)現(xiàn)澆混凝土中、小型空心樁。若能在干、濕作業(yè)條件下，實(shí)現(xiàn)低成本現(xiàn)澆混凝土中、小型空心樁，不少成樁方法采取預(yù)埋鋼管、待混凝土初凝后拔出鋼管，或采取管內(nèi)另套入筒模以便拔出鋼管等。但是，待混凝土初凝后拔出鋼管，需等待較長(zhǎng)時(shí)間、拔管需較大動(dòng)力，若時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則鋼管無(wú)法拔出；對(duì)于管內(nèi)另埋置筒模，筒模的費(fèi)用也不凡；另由于樁徑有限，埋管后樁筒壁厚度小且鋼筋籠占位，澆灌混凝土將十分困難等。若這些方法的技術(shù)措施費(fèi)多于節(jié)約商品混凝土的費(fèi)用時(shí)，中、小型空心樁就不會(huì)得到推廣應(yīng)用?？偨Y(jié)前述經(jīng)驗(yàn)和分析存在的問(wèn)題后，初步研制出了低成本長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌空心樁（夾芯樁）。其最大特點(diǎn)是采用后沉管擴(kuò)大了原樁徑、回灌混合泥漿取代了混凝土，施工成樁連續(xù)、快捷，提高了單樁承載力，綜合效益顯著?，F(xiàn)將研發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)述如下。1、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌空心樁（夾芯樁）的可行性1.13種灌注樁施工工藝的啟示（1）振動(dòng)沉管灌注樁常伴有復(fù)打工藝，當(dāng)采用同管徑復(fù)打一次后，基樁的豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值提高估算值；可見(jiàn)復(fù)打就能提高單樁承載力值，其增值與復(fù)打沉入的鋼管直徑有關(guān)。另觀察到復(fù)打時(shí)鋼管的沉入和拔出均較輕松、快捷，其施工成樁過(guò)程具有連續(xù)性。（2）泥漿護(hù)壁成孔灌注樁在成孔過(guò)程中，采用了合理密度的泥漿防止孔土壁坍塌，泥漿密度越高則護(hù)壁能力越強(qiáng)。引用該原理，采用合理密度的泥漿也可防止新澆混凝土筒壁坍塌。（3）長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁，在其鋼筋籠超過(guò)12?m長(zhǎng)時(shí)，常會(huì)采用送筋器（?150左右鋼管）輔助振沉鋼筋籠。1.2長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌空心樁工藝流程初步設(shè)計(jì)對(duì)以上三種樁型的突出工藝特點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)組合，設(shè)計(jì)出長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌空心樁（夾芯樁）的施工工藝主要流程：長(zhǎng)螺旋鉆孔樁機(jī)完成鉆孔且壓灌混凝土→對(duì)準(zhǔn)原樁中點(diǎn)安放混凝土樁尖→振沉直徑不大于原樁徑250?mm的鋼管→伴隨沉管過(guò)程向管內(nèi)泵入護(hù)壁夾芯料→振沉鋼筋籠→拔管、令護(hù)壁夾芯料及時(shí)填充拔管留下的空間→拔管完成則形成擠土擴(kuò)徑空心樁（夾芯樁）。2、護(hù)壁夾芯材料的選擇選擇護(hù)壁夾芯材料時(shí)，無(wú)需全等同于泥漿成孔中的雙作用，只需求對(duì)處于流塑狀態(tài)的混凝土進(jìn)行有效護(hù)壁。經(jīng)初步分析要求夾芯材料的密度應(yīng)不大于且接近新澆混凝土的密度。若密度相差太大，則極易發(fā)生相互滲透，影響樁身質(zhì)量。選擇夾芯材料，應(yīng)考慮孔隙率小、廉價(jià)易取、便于施工等。經(jīng)對(duì)多種材料比較分析，建議選用以下2種。（1）宜優(yōu)先就地利用成孔余土制成砂石混合泥漿作為夾芯材料，當(dāng)其坍落度約為200?mm時(shí)可泵送、易操作、價(jià)廉、環(huán)保。注意拔管過(guò)程不得振管。（2）有條件場(chǎng)地也可采用砂、砂石混合料、山礫石等孔隙很小的散粒材料作為護(hù)壁夾芯材料，易操作、但價(jià)稍貴、不能泵送、拔管阻力比泥漿大，注意拔管過(guò)程不宜過(guò)分振動(dòng)。3、模擬夾芯樁試驗(yàn)3.1模擬夾芯樁的目的夾芯樁能否成功，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是夾芯材料護(hù)壁的可靠性。本試驗(yàn)分別選用較不利的粒徑20?mm的碎石和坍落度為200?mm的砂石混合泥漿，分別作為夾芯材料。模擬樁的試驗(yàn)?zāi)康?，是為了觀測(cè)夾芯材料處于樁內(nèi)的成形狀態(tài)，夾芯材料與混凝土相互滲透的影響程度。3.2模擬夾芯樁的制作過(guò)程簡(jiǎn)述用長(zhǎng)4.1?m的DN400HDPE雙壁波紋管立于平整的地面，其周邊搭設(shè)可靠的操作架；塑管內(nèi)插入外徑為?165（內(nèi)徑為?160）、長(zhǎng)為4.5?m的鋼管，且垂直居中；先向塑管與鋼管之間灌注坍落度180?mm的C25混凝土，后向鋼筒內(nèi)投入1?m高的碎石，且在碎石頂蓋上一塊?155木膠板（用于隔離上部泥漿），再灌入砂石混合泥漿3?m高，然后立即不振動(dòng)拔出鋼管（圖1）。圖1模擬樁豎向剖面示意3.3觀測(cè)、試壓3.3.1觀測(cè)混凝土澆筑20?d后，放倒樁身，在樁底碎石段橫截取一節(jié)600?mm長(zhǎng)筒體，在泥漿段截取兩節(jié)600?mm筒體。觀測(cè)到碎石節(jié)基本成型，混凝土漿體浸入碎石周邊孔隙，深度約3~4?mm，周邊碎石被嵌固形成犬牙狀。觀測(cè)兩個(gè)泥漿節(jié)，均成型良好，其孔徑同鋼管內(nèi)徑（圖2~圖4）。圖2孔周碎石被嵌固圖3孔內(nèi)泥漿已收縮圖4泥漿清洗后從圖2可看出孔隙較大的散粒材料不應(yīng)作為夾芯料；從圖3、4可看出混合泥漿作為夾芯料效果很好，且可轉(zhuǎn)換成空心樁。3.3.2試壓澆筑后的第24日，對(duì)三節(jié)筒體和鉆芯取樣進(jìn)行試壓，其結(jié)論與留置的試塊強(qiáng)度C25無(wú)差別。4、后沉管夾芯樁的現(xiàn)場(chǎng)試制與承載力估算4.1試驗(yàn)樁位及相關(guān)地質(zhì)情況試驗(yàn)樁選址在常德市某小學(xué)食堂的地下室基坑內(nèi)，鄰近鉆孔ZK49；ZK49相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。表1長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁的極限側(cè)阻力和端阻力標(biāo)準(zhǔn)值4.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體樁與擴(kuò)徑夾芯樁的施工概況現(xiàn)場(chǎng)圍繞ZK49位共施工了2根對(duì)比試驗(yàn)樁。2根樁的中心間距為7?m，其中1根為600長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁；另1根為擴(kuò)徑后形成的夾芯樁。以上試樁的混凝土為C30、坍落度為200?mm；配筋按構(gòu)造要求為714、箍筋為8@100~200；夾芯材料是就地利用余土中的砂、石、泥漿混合拌制而成，其砂、石配比基本同混凝土砂、石配比，坍落度也基本同原樁混凝土；后沉管使用的樁尖直徑為375。長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁按常規(guī)工藝施工完成；長(zhǎng)螺旋壓灌夾芯樁是長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土后，在原樁中心安放預(yù)制樁尖，樁尖上鋪設(shè)繩墊，對(duì)正樁尖振沉350鋼管至持力層下約400?mm，在此沉管過(guò)程采取了邊沉管邊校正措施。緊后向管內(nèi)灌入混合泥漿；拔管之前為了減少靜摩擦力，稍進(jìn)行了振動(dòng)，在拔管過(guò)程停止振動(dòng)，拔管過(guò)程順利（圖5）。圖5試驗(yàn)樁豎向剖面示意4.3試驗(yàn)樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)計(jì)算樁體夾芯擠土擴(kuò)徑后，承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值提高率為26%。5、試驗(yàn)樁的試壓結(jié)果及與估算值的對(duì)比分析在試驗(yàn)樁施工達(dá)到20?d后，做了小應(yīng)變檢測(cè)，其結(jié)論為混凝土均密實(shí)完整。事后劈樁做試壓樁頭，劈樁后觀測(cè)到夾芯樁成形較規(guī)整，夾芯直徑為350?mm即同原下沉鋼管直徑，但樁中的夾芯柱仍偏心約40?mm左右（圖6、圖7）。圖6劈夾芯樁頭露出夾芯柱（砂石混合泥漿已干縮）圖7夾芯樁水平截面狀況試驗(yàn)樁達(dá)到28?d、混凝土達(dá)到C30后由湖南博聯(lián)工程檢測(cè)有限公司進(jìn)行靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)方法：?jiǎn)螛敦Q向抗壓、慢速維持荷載法；受檢樁檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。表2受檢樁檢測(cè)結(jié)果比對(duì)原估算值：1號(hào)擴(kuò)徑夾芯樁試壓結(jié)果N1=2?880?kN＞估算值QUK=2?674.59?kN；2號(hào)擴(kuò)徑實(shí)心樁試壓結(jié)果N2=1?980?kN＜估算值Q'UK=2?162.71?kN。因此長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌空心樁（夾芯樁）試驗(yàn)應(yīng)證了單樁豎向承載力得到了明顯提高，滿足預(yù)估效果；本試驗(yàn)夾芯樁中的夾芯柱出現(xiàn)了40?mm偏中現(xiàn)象，有待在今后的施工過(guò)程加強(qiáng)沉管和拔管的控制措施。6、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌夾芯樁的適用范圍（1）適用場(chǎng)地上部土層較松軟，持力層較深的巖土層；因過(guò)厚的堅(jiān)硬夾層極易引起樁尖受損破壞，故不應(yīng)用于上部有較厚的堅(jiān)硬夾層的土層。（2）適用作豎向受力的工程樁，不能用作基坑支護(hù)樁或受水平力較大的樁體。7、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（1）對(duì)于不同的巖土層，新澆灌混凝土樁體內(nèi)沉管擴(kuò)徑值也會(huì)各有較大差異，特別是對(duì)于堅(jiān)硬的土層（如礫石夾層），幾乎沒(méi)有擴(kuò)徑，但其樁周巖土層因受到擠壓而側(cè)阻值仍能得到提高。結(jié)合這次試樁豎向軸心受壓的結(jié)果，在初步估算單樁承載力時(shí)，建議引用效應(yīng)擴(kuò)徑值進(jìn)行計(jì)算：式中：D為效應(yīng)擴(kuò)徑值；D1為原混凝土樁直徑值；D2為樁尖直徑值。夾芯樁混凝土軸心受壓截面積，建議按下式計(jì)算：式中：D3為沉管直徑值。（2）為了求得較大的樁端承載力，其樁的夾芯段進(jìn)入持力層不小于200?mm。（3）夾芯樁的沉管直徑宜比原混凝土樁直徑不大于250mm，即D2不大于D1–250?mm。（4）鋼筋籠直徑仍設(shè)置為D1–100。8、施工注意事項(xiàng)（1）長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌夾芯樁可按長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁和振動(dòng)沉管灌注樁的施工工藝和質(zhì)量要求執(zhí)行。（2）對(duì)于沉管過(guò)程的垂直度控制十分重要，其施工方案中應(yīng)有嚴(yán)格的可控措施。（3）作為夾芯材料，宜優(yōu)先選用余土制成的砂石混合泥漿，其重度和坍落度應(yīng)與樁體混凝土相近；對(duì)于有條件的場(chǎng)地，也可采用砂、砂石混合料或山礫石作為夾芯材料。（4）施工主要流程按以下方式進(jìn)行：安放樁尖、十字居中器（十字端部焊船形板）、柔墊→鋼管自沉→自沉停止則校正鋼管、泵入夾芯料→振沉管至設(shè)計(jì)深度→頂、振管上部居中→沿原樁軸線不振動(dòng)拔管成樁。（5）成樁過(guò)程是連續(xù)的。全過(guò)程必須在原樁混凝土初凝之前完成。9、綜合效益分析9.1直接經(jīng)濟(jì)效益該分析依據(jù)湖南省2014年建筑工程定額和常德市定額站發(fā)布的信息價(jià)，以試驗(yàn)樁的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析（混凝土C30、不含鋼筋）。（1）夾芯柱施工費(fèi)用為354.26元/m3，折合??350夾芯柱費(fèi)用為34.07元/m。（2）長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁信息價(jià)（C30）為1?143.83元/m3，折合?600樁費(fèi)用為323.25元/m。（3）試驗(yàn)樁的預(yù)制樁尖為?375，折合?710樁費(fèi)用為452.63元/m。（4）預(yù)制樁尖和十字居中器費(fèi)用為60元。本試驗(yàn)樁總長(zhǎng)11.21?m（包括劈樁頭500?mm），??350夾芯柱長(zhǎng)9.58?m，則節(jié)約總費(fèi)用為1063.96元；節(jié)約率為21%。（5）本地一般工程樁長(zhǎng)約17?m，若某工程使用500根?700樁，現(xiàn)按?600樁進(jìn)行夾芯樁施工，夾芯柱長(zhǎng)16?m、夾芯柱?350，則基樁節(jié)約費(fèi)用可達(dá)79.7萬(wàn)余元。因單樁承載力提高，原多樁受力承臺(tái)下的樁數(shù)相應(yīng)減少，原承臺(tái)體量也會(huì)縮小，可進(jìn)一步降低樁基工程成本。綜上所述，基樁成本可降低