灌注桩施工中旋挖钻干法与泥浆护壁法相结合成孔工艺的研究与实践

李永栋 贾向新

(1.河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031；2.河北省岩土工程技术研究中心，河北 石家庄 050031)

灌注桩施工中旋挖钻干法与泥浆护壁法相结合成孔工艺的研究与实践

李永栋1，2贾向新1，2

(1.河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031；2.河北省岩土工程技术研究中心，河北 石家庄 050031)

通过某项目试桩中使用旋挖钻机进行桩基施工的情况，在施工过程中遇到了地层坍塌、钻进不进尺等情况。在总结经验后，使用干法与湿法交替的施工工艺，在施工中取得了比较满意的结果。成桩后通过对桩身的低应变检测、单桩静载荷试验等试验方法，发现该项目使用旋挖钻机进行成孔施工是合适和，并且在地下水位以上5-7 m处进行加注清水，使旋挖钻进过程中使用粉土、粉质黏土自造泥浆方法进行钻进施工，不仅解决了地层坍孔、沉渣过厚的问题，而且泥浆护壁钻进形成的泥皮有效的和桩身一起承担了摩阻力，从而提高了桩身的承载力.

灌注桩；干法；湿法；旋挖钻进

1 前 言

随着旋挖钻机的引进，国内很多桩基础施工中都在使用旋挖钻机来进行成孔.旋挖钻机与其它成孔工艺比，有着很多优势.但是，在一些区域中，特定的地层中，旋挖钻机的成孔不仅有着不同的适用范围，而且在一些地层中，还可能存在着不同的钻进形式，才能解决钻进中的问题，本文就华北地区某项目试桩施工情况，对旋挖钻进中使用干湿法交互进行施工进行分析，有着一定的借鉴意义.

2 工程技术参数

2.1 地形地貌

拟建厂址地貌上属于太行山山前冲洪积平原，位于漕河南岸二级阶地上，目前为农田，地势平坦开阔，略有起伏.

2.2 地层及地下水情况

施工场地地层主要由第四系冲洪积成因的黄土状土、粉土及黏性土组成.地下水主要为赋存于第⑤层和⑥层中的粉土中的孔隙潜水～微承压水，其它地层的富水性及透水性较差，在试桩场地25.0 m见地下水，地下水位年变幅1.0～2.0 m.

根据地层的岩性、物理力学特征及分布特点，勘探深度范围内地层自上而下分为六大层和若干亚层，主要参数指标见下表：

表1 地层岩性特征一览表

2.3 设计参数

拟采用Ф800 mm旋挖灌注桩，桩身以摩擦桩为主，桩端持力层为⑥粉质黏土层，桩端进入⑥粉质黏土层不小于2.0 m，从自然地面算桩长30.0 m，预估单桩承载力特征值为2800 KN.桩身参数见表2.

表2 试桩及锚桩桩身设计参数一览表

施工前，根据下式规范及勘察报告计算单桩承载力极限值：

式中：

R—单桩承载力特征值(kN)；

QUK—单桩承载力极限值(kN)；

rsp—调整系数，取2.0；

u—桩的周长(m)；

qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值(kPa)；

lsi—第i层土的厚度(m)；

qpk—桩的极限端阻力标准值(kPa)；

Ap—桩的截面积(m2)；

ψsi，ψP—大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数.

将表1中相关数据代入，计算得单桩承载力标准值的平均值为5654 KN，所以单桩承载力特征值值平均值为2827 KN.

3 旋挖钻孔施工及检测结果

3.1 旋挖钻进施工中遇到的问题

根据地层情况及施工经验[1]～[4]，原计划使用旋挖钻机无浆干法钻进.由于地下水存在于25 m左右，因此，在灌注中按照水下灌注桩施工工艺进行灌注.但是在试钻过程中，成孔至25 m时，该深度内的粉土出现地下水，连续成孔至30 m后，经观测，孔内水位上涨，孔壁出现塌孔现象，孔底沉渣较厚.经过40 min后孔内沉渣达到90 cm.继续观察发现：成孔后水位上涨速度较快，并且塌孔严重.结合工程施工经验，成孔至灌注时间最少耗时1.5 h，成孔60 min后孔底沉渣已经有140 cm、水深2.8 m，无法满足灌注要求.即使二次清孔，将安装钢筋笼和导管时间缩短，孔底沉渣厚度也不能满足相应规程规范[5]的要求.

3.2 解决方法措施

通过现场预成孔试验，结合工程施工经验[6]，与设计进行沟通，将干法成孔改为干法和泥浆护壁成孔相结合的方式，水下灌注混凝土进行施工，泥浆采用粉质黏土、粉土自造泥浆.

根据场地层资料及地下水位情况，采用干法成孔至自然地面下20 m(地下水位上3～4 m)时加入清水，注水高度5.0～7.0 m，采用自造泥浆护壁钻进成孔，成孔过程中水位始终保持高于地下水位5.0～7.0 m.经过现场测量，钻孔内水位保持高于地下水位5.0 m时，能有效阻止地下水流动造成的塌孔，可满足钻孔灌注作业.

在灌注作业过程中，随着混凝土面的逐渐升高，孔内水面也逐渐上升.在临近灌注结束时，有部分泥浆反出孔口，此时需要及时对泥浆进行回收.

3.3 成桩后检测结果

在成桩后，进行了低应变检测、高应变检测、单桩静载试验.从采集的低应变检测曲线分析来看，静载荷试验前判定3根试桩8根锚桩共计11根桩桩身结构完整，均为Ⅰ类桩(见图1)，静载荷试验后3根试桩桩身结构完整，均为Ⅰ类桩(见图2).

图1 试桩低应变检测曲线

图2 试桩单桩静载荷Q-s曲线

本次灌注桩单桩竖向静载荷试验SZ1、SZ2都做到破坏，可取破坏荷载的前一级荷载值作为单桩竖向抗压极限承载力；SZ3因反力装置出现严重变形，未出现极限荷载，因此取最大加载值6000 kN为其极限承载力.3根桩单桩竖向抗压承载力极限值最大极差占平均值的20%，极差不超过平均值的30%，单桩竖向抗压极限承载力可取三根桩的平均值，即7000 kN.单桩承载力特征值为3500 KN，大于预先设计预估的2800 KN.

3.4 结果分析

(1)工艺分析.

我国早在上世纪90年代就引进了旋挖钻机进行桩基施工，随着国内制造业水平的提高，目前旋挖钻机的应用范围也非常广泛.不仅能在常规的粉土、黏土地层中施工，也同样能在含有卵石甚至是漂石的地层中施工[6].旋挖钻进有着其他成孔方式不具备的优点：成桩速度快、桩机移动灵活、成孔质量高等.尤其是旋挖钻机干法钻进成孔，不仅速度快，而且节省了泥浆的费用，对施工环境的提高有很大的影响.在该项目初期，也想使用旋挖钻机干法钻进，但是在实际进行中，干法钻进至地下水层位置造成了塌孔，致使孔内沉渣不符合要求.在反复比较之后，选用了在地下水位上加清水，使得内外水头得到平衡，从而保证了施工质量.

(2)承载力分析.

由于地下水位处地层以粉土和粉质黏土为主，含少量姜石，使用泥浆护壁工艺不仅保证了施工顺利进行，而且由于钻头在泥浆中反复摩擦，使得能够在孔壁形成泥皮.在混凝土浇筑过程中，混凝土挤压泥皮，与泥皮形成混合体，共同承担摩擦性能，这一点在桩身应力分布中就有所体现(见图3).

从桩身应力分布来看，在整个加载过程中桩身应力分布比较均匀，在加载的初级阶段(0-3000 KN)主要是18 m以上的桩身承载受力，此时整个桩身轴力分布曲线比较圆滑，说明桩身受力良好；再继续加载，18 m以下的桩身开始逐渐受力，但是此时仍然是上半部桩身的受力为主，在加载至4000 KN后，局部曲线有所波动，说明局部地层受力不均匀导致桩身受力不均；再继续加载至8000 KN，整个过程桩身仍然没有破坏，受力传到均匀，尤其是桩底部(18 m以下)受力开始起作用，这正反映出桩下部桩身完整，与地层紧密接触，能提供足够的摩擦力，并且桩底沉渣符合要求，没有发生承载力急剧下降的情况.这说明使用该工艺能够取得很好的成孔效果，并且能够保证桩底沉渣符合设计要求.

通过试桩参数，计算得实际单桩承载力特征值为3500 KN.大于计算得出的2800 KN，这说明试桩的参数是可以使用的，在实际施工过程中，按照试桩的施工工艺，考虑地层变化的情况，工程桩按照桩径0.8 m，桩长30.0 m，桩身进入持力层不少于2 m的前提下，单桩承载力不会低于3500 KN.

4 结 论

(1)使用旋挖钻机进行钻孔灌注桩在该地层区域内是可行的；

(2)在施工中，要按照地层情况，综合分析施工工艺，20 m以上可以按照干法成孔施工，在20 m以下应及时加泥浆进行湿法钻进工艺；

(3)干法与湿法互相配合施工的工艺在该地层中能够很好的控制成孔质量，保证桩底沉渣符合设计要求.

[1]王龙,等.大型旋挖钻机无浆快速成孔施工技术[J].青岛理工大学学报，2014，35，6：49～52

[2]王科.成都地区旋挖成孔灌注桩的相关问题探讨[J].四川建筑科学研究，2011，37，1：124～127

[3]刘安民.旋挖桩干法成孔施工工艺及质量保证措施[J].山西建筑，2015，41，36：45～46

[4]李成芳,等.旋挖成孔灌注桩在松散高填方地基中的应用[J].地下空间与工程学报，2010，6，6：1266～1269

[5]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008

[6]姚涛,等.强渗漏与坚硬岩层组合条件下旋挖钻机施工工法研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2016，43，2：64～6

Research and Practice of Pore Forming Technique of Rotary Digging Method Combined with Slurry Wall Protection in Cast-in-place Pile Construction

LIYong-dong1，2，JIAXiang-xin1，2

(1.Hebei Construction Survey and Research Institute Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050031;2.Hebei Geotechnical Engineering Technology Research Center,Shijiazhuang,Hebei 050031)

In a certain project,ground collapse and no footage occur in the process of pile foundation construction of using a rotating drill.After summing up experience,theuse of such construction technologies as combined dry method with wet method has achieved satisfactory results in the construction.Through the test methods,such as low strain testing of pile and single pile static load test,using rotating drill in hole construction is found to be appropriate.In addition,water is filled above the underground water level of 5 to 7 m,and silt and silt clay are used in the process of the rotary digging to make mud drilling construction,which not only solves the problems of slumping hole formation and too thick sediment,but also mud skin formed by slurry wall protection drilling can effectively bear the friction resistance with pile bodytogether,so as to improve the bearing capacity of the pile body.

cast-in-place pile;dry method;wet method;rotary digging

2016-08-21

李永栋(1978-)，男，高级工程师，从事岩土工程设计及施工.

TU 7

A