大厚度高湿陷性黄土区域挤密桩施工技术

李世民 骆发江 李 鹏 于春宏 刘玉果 李 勇 袁科明 李 毅

中建三局集团有限公司 陕西 西安 710065

1 工程概况

兰州市水源地建设工程项目芦家坪净水厂工程位于兰州市西固区寺儿沟芦家坪，设计处理能力500 000 t/d，共由17个独立单体组成，根据地质勘查报告，本工程黄土状粉土具有Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性，以Ⅳ级湿陷性为主，湿陷下限深度为16.85～39.10 m。本工程在基础设计中采用素土挤密桩复合地基形式，桩长范围为13～ 31 m。

2 工程特点

1）桩长达到20 m以上，挤密桩施工具有回落土厚，桩底3～5 m范围内压实系数和挤密系数无法满足要求。

2）桩长超长，孔径检测难度大。

3）挤密桩桩身取样常规采用洛阳铲成孔、人工下井取样的方式，本工程桩长超长，人工下井存在缺氧风险。

3 方案的选择

1）针对桩长＞29 m的情况，采用常规洛阳铲成孔施工技术。通过洛阳铲头部下降时产生的动能，使铲刀切入土体中，利用土质自身所具有的黏性，把土体提出地面，机械松开铲刀，带出的土在自重作用下，落在铲刀下方的推车内并被运走，不断循环，完成成孔作业。成孔后进行成孔检测，检测合格后采用素土分层夯实成桩。

2）针对桩长≤29 m的情况，采用改良长螺旋机械施工工艺。利用动力头带动螺旋钻杆、钻头，使螺旋叶片转动向下取土，被切削岩土随钻头旋转，沿着叶片上升，在孔口处通过加设一种减少回落土的装置，完成出土成孔作业。成孔后进行成孔检测，检测合格后采用素土分层夯实成桩。当桩长较长时，叶片上土在洞口处脱离孔壁侧向约束下落，部分会重新落入桩孔，当桩长达到29 m时，孔底回落土厚度达到4.2 m，严重影响成桩质量，且成孔深度不满足设计要求，通过发明减少回落土的装置，对长螺旋钻机进行改良，并成功应用于本项目。

3）孔径检测技术：采用由测量结构、内杆和外杆组成的孔径测量装置进行孔径测量。

4）成桩检测技术：采用由升降系统、支撑系统和取土系统组成的取样装置进行取样，创新了成孔后桩身、桩间压实度取样方法，有效提升了试验工作的安全性。由于较高的取样效率，可及时对已完成的施工区域进行跟进试验，有利于挤密桩质量的动态控制[1-2]。

4 主要施工技术

4.1 改良螺旋钻施工技术

采用改良螺旋钻成孔施工工艺，须配备钢套筒（壁厚10 mm，直径550 mm，高1 450 mm）、回落土传送带等装置。其主要施工步骤如下：

1）将螺旋钻进行改造，改造后的钻杆加装钢套管、回落土传送装置。钢套管与钻机前部通过焊接连接，传送带装置与钢套管进行焊接，安装方式简单快捷（图1）。

2）钻机就位，由于螺旋钻机增加了钢套筒，将影响到桩位定点，点位对中时通过在钢套管上加设定点辅助杆，辅助杆长度同设计桩间距，通过对中下一桩孔点来反推出第一次需成孔点位（图2）。

图1 改良螺旋钻构造

图2 桩孔定位

3）钻进成孔。通过在钢套管离地800 mm处留置1个倒梯形出土口，在出口部位设置宽550 mm，有效传送距离2 700 mm的卷扬传送装置，将回落土转运至远离桩孔的地方（图3）。

图3 钻进取土成孔

4.2 洛阳铲成孔施工技术

1）洛阳铲就位：先根据已经测放好的桩位点（撒白灰示意）将洛阳铲就位，再利用垂球检查洛阳铲的支撑架及铲头中心位置，使铲头垂直对中白灰点，确保桩身垂直度满足要求（图4）。

图4 定位点复核

2）冲击成孔。一般应先慢后快，这样既能减少洛阳铲头摇晃，又容易检查钻孔的偏差，以便及时纠正。在成孔过程中，如发现钢丝绳摇晃过大或较难进尺时，应放慢进尺，否则容易导致桩孔偏移。当钻头到达设计桩长预定标高时，在钻头地面停留位置相应的钢丝绳上做醒目标记，作为施工时控制孔深的依据，深度以钻孔结束后测绳实测值为准，当钻头底面达到标记处桩长即满足设计要求，施工时还需考虑工作面的标高差异，以便作相应调整（图5）。

图5 洛阳铲施工质量控制

3）移机。当上一根桩成孔完毕后，洛阳铲移位，进行下一根桩的成孔施工。

4.3 孔径检测

本技术应用自有发明的孔径检测装置，解决了孔径检测难题。孔径检测装置包括测量结构、内杆和外杆（图6）。

图6 孔径检测装置结构示意

孔径检测装置工作原理：需测量孔内径为D，测规长度为a，测量杆长度为b，内杆读数为n，测规与内杆夹角为β，则由余弦定理得孔内径

4.4 复合地基检测

本技术通过应用自有发明的取样机械装置，解决了传统人工下井取样危险系数高、效率低、人工价格高等问题。挤密桩取样机器装置包括升降系统、支撑系统、取土系统（图7）。

图7 取样机械装置系统示意

取样机械装置工作原理：油箱里的油经过过滤器，经油泵加压后通过调速阀流向换向阀。

换向阀由电磁控制，有3种状态：一是左开通（顶进状态），二是右开通（拔出状态），三是完全关闭。

1）开始时控制支撑架的换向阀左开通，顶进支撑架液压缸，使支撑架压入土体，液压油不能再进入液压缸，经溢流阀溢出至油箱，发生报警。

2）通过电磁控制打开控制取土器的换向阀，使其处于左开通状态，顶进取土器液压缸，使取土器压入桩体，当取土器完全压入后，液压油不能再进入液压缸，经溢流阀溢出至油箱，发生报警。

3）通过电磁控制打开取土器向上转动的换向阀，使取土器向上翻转，到达位置后，溢流阀溢出液压油至油箱，发生报警。

4）通过电磁控制打开取土器平移的换向阀，使其右开通拉回取土器，到达位置后，溢流阀溢出液压油至油箱，发生报警。

5）控制支撑架的换向阀右开通，拔出支撑架液压缸，使支撑架拔出土体，液压油不能再进入液压缸，经溢流阀溢出至油箱，发生报警。

6）完成后，通过升降系统提升至地面，完成一次作业（图8）。

具体实施方式[3-5]：施工时通过控制桩位对拟取样挤密桩进行定位，根据挤密桩布置图确定取样探井位置，探井用φ600～800 mm洛阳铲成孔至指定深度。取样探井成孔后，将取样机械装置架立在洞口位置，电动轱辘驱动取样机械装置下井。油缸顶动2个千斤顶支撑至桩身，然后通过液压系统顶动3个取样器进行取样。取样后通过换向阀启动液压系统提供拔出力，拔出取样器，然后电动轱辘，从井中取样（图9）。

图8 取样机械装置示意

图9 试验取样

5 结语

本工程应用了改良螺旋钻和洛阳铲相结合的成孔方法，并采用了创新的孔径检测装置与取样机械装置。该施工技术在本项目的顺利实施，为类似大厚度高湿陷性黄土区域挤密桩施工和检测提供了借鉴。