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粉砂及圆砾土层条件下长螺旋钻孔压灌桩施工技术
摘要 本文用工程实例给出长螺旋钻孔压灌混凝土桩在粉砂及圆砾土层条件下的设计、施工与措施，取得满意效果，表明该桩型在粉砂及圆砾土层条件下有明显的经济和社会效益。
关键词 长螺旋钻孔；压灌混凝土桩；粉砂及圆砾土层
1工程与地质概况
长沙东方剑桥商住小区位于长沙市天心区新中路立交桥位置，北靠京广铁路，西临芙蓉南路，东侧为已建成入住的天鸿安置小区，小区为砖混7层结构。商住小区总体规划为2层地下室，4栋主体，1#栋为商住两用楼，2#、3#、4#栋为住宅楼，小区地下室平面呈不规则多边形，各边长为57.15m，192m，49.8m，183m。计划2012年10月竣工交付业主，该小区地理位置显著，外部形象要求高，质量要求高，工期紧。
场区岩土工程勘察报告表明，该场区位于长沙市天心区，区内已建有防洪排涝体系，不会被洪水淹没；也不具备暴发山洪及泥石流的地质条件。拟建场地及周边一定范围内，未发现影响其稳定性的不良地质作用，场地稳定，适宜建筑。在勘察深度范围内，地基土上部为人工填土（qml），中部为耕植土（qpd），下部为第四系冲洪积层（qal+pl），根据其成因、土性及强度变化，地基土可分为三层组六层，各层土的基本力学性质情况见表1。
表1各土层物理力学性质指标
层号 土层名称 层厚
（m） 状态 层顶标高（m） 含水量
w（%） 孔隙比
（e） fak
（kpa） es
(mpa)
① 人工填土 0-7.6 松散
② 耕植土 0.8-2.5 松散 48.12-52.06 24.5 0.769 120 6
③ 含砾粉砂 0.8-12.5 中密 46.92-50.90 200 *20
④ 粉砂 0-33.2 中密 36.36-49.70 200 *20
⑤ 圆砾 0-32.9 中密~密实 14.02-42.89 250 *30
⑥ 卵石 中密~密实 15.05-33.09 350 *35
2基础选型分析
2.1高层建筑物基础方案
根据勘察结果，拟建场地内人工填土层分布在场地的南北两端，厚度不均，层底标高介于48.12~52.06m，地下室底板标高53.00m，不具备采用天然地基的条件，故应采用桩基础。从经济节约、技术可行上考虑，结合场地地质状况，拟建建筑物宜采用预应力管桩或长螺旋钻孔灌注桩。若采用预应力管桩，由于圆砾为中密状态，且含有大直径卵石、偶含漂石；预应力管桩在穿越圆砾时难度很大，设计桩长难以得到保证，需采用预钻孔等辅助措施施工，成桩成本高；若采用长螺旋钻孔灌注桩，遇大直径卵石或漂石时虽有一定的困难，但在类似场地施工较为合适可行。综上所述，拟建高层建筑物均为2+23f~2+33f层，设计室内地坪标高为62.20m，地下室底板标高为53.00m。建议1栋采用圆砾⑤为桩基持力层，建议2、3、4栋采用粉砂④为桩基持力层，建议采用长螺旋钻孔压灌桩施工。各拟建建筑物桩基础的具体桩长及桩端持力层的选择应根据设计要求而定。桩基施工前，建议通过试桩确定单桩承载力及基桩的适应性。
2.2地下室基础方案
拟建场地内设二层整体地下室，负一层地下室层高4.20m，负二层地下室层高3.90m，底板厚0.4m，地下室底板面标高为53.00m，地下室荷载相对较小。根据勘察结果，底板土层为人工填土，不能直接将人工填土作为地下室基础的持力层。在拟建建筑物部分的地下室可利用建筑物的基础，建议对地下室底板采取结构措施。对纯地下室的部分，建议采用桩基础以粉砂④或圆砾⑤为桩基持力层。
2.3成桩可行性及环境影响
根据勘察结果，拟建场地内人工填土层厚度变化大，结构松散：粉砂层稍密~中密状态，湿~饱和；圆砾层中密状态，湿~饱和，不均匀且偶见大直径卵石；卵石层中密~密实状态，湿~饱和，偶遇漂石。预应力管桩在穿越圆砾、卵石时难度大，桩长难以保证，且拟建场地东侧为居民区，南邻铁道学院，预应力管桩施工时噪音大，对周边居民及学校师生的生活带来较大的不利影响；人工挖孔灌注桩在人工填土层、砂土及碎石土层施工时易出现垮孔的情况，中砂层有产生“流沙”现象的可能，若采用人工挖孔灌注桩，桩长普遍较长（大于15m），桩身质量和人员安全难以得到保证；长螺旋钻孔压灌桩在遇到大直径卵石密集段或漂石时虽有一定难度，但相对于其他桩型可行性较高。
3长螺旋钻孔压灌桩设计与施工
3.1设计
为得到长螺旋钻孔压灌桩的设计参数，同时检验长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺，机械性能，核对地质资料，在工程桩正式施工前，建设单位委托几家施工单位进行试桩施工，其静载试验结果统计见表2：
表2试桩检测结果汇总表
试桩号 桩径
（mm） 有效桩长
（m） 最大加载值（kn） 最大沉降量（mm） 单桩极限承载力（kn）
1 800 14.5 4000 44.54 3600
2 800 16.5 4000 45.41 3600
通过试桩检验结果，结合上部结构型式荷载情况，经调整后设计参数见表3：
表3 工程桩设计概要表
单桩持力层 桩径（mm） 桩长（m） 主筋 桩身混凝土强度等级 桩身混凝土充盈系数 桩数量 备注
圆砾层 600 ＞20 1216 c30 ≥1.45 1303根 用于1栋主楼部分
粉砂层 800 ＞20 1216 c30 ≥1.45 用于2~4栋主楼部分
粉砂层 800 ＞15 1416 c30 ≥1.45 336根 用于裙楼部分
3.2 施工工艺及特点
长螺旋钻孔压灌混凝土桩是采用长螺旋桩机钻孔，用混凝土输送泵带压灌注桩身混凝土的新桩型。由于它具有独特的优越性，近些年来，在长沙地区迅速推广应用，该桩型具有极其广阔的发展前途。
长螺旋钻孔压灌混凝土桩的工艺流程如下：
测放桩位→钻机对位→干作业成孔→成孔至设计孔深停钻、钻具留与孔内→通过混凝土输送泵压送混凝土→边泵压边提升钻具→成桩→钻机移位、清理孔口→起吊钢筋笼及其振动送笼器→边下边振钢筋笼至设计孔深→提升并继续振动送笼器及孔口。
长螺旋钻孔压灌混凝土桩成桩过程中由于高压（3-5mpa）泵送混凝土，故对桩周土有一定挤压密实作用，与其他各种传统桩型相比，具有以下显著的特点：
（1）承载力高。该成桩工艺决定了其桩身类似于糖葫芦状，充盈系数比其他桩型大（均大于1.30）。可全桩长发挥桩侧摩阻力，同时有效地利用桩身上下各部分土层。
（2）桩身质量稳定。本桩型施工工艺简单，钻具提升速度与混凝土泵送量相匹配，再加上振送钢筋笼过程中对混凝土的振密作用，因此桩身混凝土完整，桩身实测直径一般比设计直径大10%以上。
（3）施工速度快。长螺旋桩机是一种一机多能的新型钻机设备，底盘采用全液压步履式行走，液压马达驱动360°回转，移孔就位快捷准确，自动化程度高，操作简单，动力大（功率90kw以上），成孔速度快，对于一般土层，若孔深20.0m左右，桩径600mm，那么每台桩机每天可施工20-30根。
（4）环保型工艺。长螺旋钻孔压灌混凝土桩由于依靠螺旋钻具切削土层干作业成孔，无振动，低噪音，低污染，挤土效应小，对周围建筑物基础无影响。
（5）经济性。长螺旋钻孔压灌混凝土桩成桩速度快，工期短，而且承载力高，桩径变化可大可小，一般为350-600mm，这样特别适合多层及小高层建筑物，充分发挥桩基承台、土共同作用，有效控制桩基承台混凝土用量，因此综合工程造价低，有明显的经济效益和社会效益。

4 针对本工程施工的主要技术措施
工程桩从2011年1月7日开始，4月24日结束，顺利完成4栋主楼及裙楼1639根工程桩。由于施工期雨季不断，且场地地面土为淤泥。施工前及施工中采取回填建筑垃圾来稳固长螺旋桩机的做法，但由于长螺旋桩机自重大，达40吨以上，为保证桩机行走安全和确保桩身垂直度，在场地局部土质差的区域铺设12mm厚的钢板，确保了施工的顺利进行。同时，根据本场区人工填土和耕植土埋深平均9m左右，且落雨后土质面层变为淤泥质土的特点，为防止桩身上部混凝土下陷可能引起的钢筋笼下沉，在施工前特制定以下措施：
①施工要求跳打，两桩间距必须大于3倍桩径以上方可施工；②在泵送混凝土过程中，钻具提升速度要与泵压值、泵压混凝土量相结合，尤其在淤泥质土中，要严格按操作规程提升钻杆；③在下笼后用不小于16#的铁丝吊在钢筋笼上，竹杆横穿铁丝架于桩孔上，防止钢筋笼下沉。
5检测情况与沉降分析
桩基础施工完成后共对12根工程桩进行了单桩静载荷试验，并对492根工程桩进行了低应变检测。静载试验中对三种不同单桩承载力的工程桩都进行了单桩静载试验，静载试验结果见表4，可以看出均满足设计要求。
表4 单桩静载试验结果
工程桩号 桩径
（mm） 设计承载力特征值（kn） 最大加载值（kn） 单桩极限承载力（kn） 最大沉降量（mm）
32# 600 2100 4200 4200 12.78
195# 600 1400 2800 2800 11.24
208# 800 1700 3400 3400 10.66
209# 600 1400 2800 2800 11.99
219# 600 1400 2800 2800 10.70
94# 600 2100 4200 4200 19.06
110# 600 2100 4200 4200 18.99
2# 600 1400 2800 2800 11.31
102# 600 1400 2800 2800 13.06
50# 600 1400 2800 2800 12.70
314# 800 1700 3400 3400 12.91
471# 800 1700 3400 3400 19.69
同时，492根低应变测试桩中，ⅰ类桩438根，ⅱ类桩54根，无ⅲ、ⅳ类桩。
商住小区地下室顶板分两次浇筑，最后一块顶板于2011年8月2日浇筑完毕，沉降观测按《工程测量规范》gb 50026-2007进行，1#栋设观测点8个，2#栋设观测点10个，3#栋设观测点10个，4#栋设观测点8个。2011年8月1日首次观测，商住楼竣工交付后继续观测，目前对1#栋、2#栋、3#栋和4#栋已按规范要求进行了观测，累计沉降分别为3.102mm、2.913mm、2.876mm与1.936mm，平均沉降速率均已低于0.02mm/日，满足规范允许要求。根据沉降观测结果，可以得出该地质条件下，长螺旋钻孔压灌桩能满足建筑物使用要求。
6结语
本工程表明，在上部土质松散，下部持力层为粉砂层，圆砾层的情况下，桩基型式采用长螺旋钻孔压灌混凝土桩，施工中采取有效措施可完全满足设计要求。
本桩基与其他桩型相比，为建设单位节省综合投资1000万元以上，桩基单项工期提前最少两个月，经济效益和社会效益显著。
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注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。