劲性复合桩施工工艺的应用

郭延义

1.上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200090

1 劲性复合桩概述

工程桩常用的桩型有钻孔灌注桩、预制桩。钻孔灌注桩易产生坍孔、颈缩，桩底沉渣不易清除，桩身质量不易控制，且存在噪声污染严重、泥浆排放量大等环境问题；预制桩易产生挤土效应，对周边环境影响较大，遇密实性砂层施工的难度大，成桩质量难以保证。

通过对现有常规桩型的优化，改造形成劲性复合桩先进工艺，可充分发挥地基土与桩材相互结合的复合作用。该工艺按设计桩径要求，在注浆的同时进行搅拌形成水泥土搅拌桩，在搅拌后的水泥土未初凝前（6 h）植入预应力混凝土管桩，构成劲性复合桩（图1），其施工便捷且具备良好的经济效益。本工程桩基采用柔刚复合桩形式，柔性桩采用φ700 mm水泥土搅拌桩，刚性桩采用T-PHC（TZ螺锁式连接预应力混凝土异形桩）。其主要优点如下[1-4]：

图1 劲性复合桩构造示意

1）承载力较高。通过水泥浆与桩体周围土体的搅拌，起到加固的效果，提高了桩端阻力及桩侧摩擦力。

2）施工工艺属非挤土工艺（搅拌成孔后植桩），大大降低对周边环境的影响。

3）泥浆排放量极少，符合文明施工的要求。

4）相对于其他桩型，其成桩速度加快、工效提高、工期缩短。

5）预应力混凝土管桩工厂化批量加工，质量可靠，植桩采用成熟工艺，易于操作。

6）采用先搅拌成孔后植桩工艺，适用于软土、黏土、粉土、粉砂及风化岩等各种土层。

7）采用螺锁式连接，接桩速度快，保证植桩的连续性。

8）与传统桩型相比，具备一定的经济优势。

2 工程概况

2.1 工程简介

上海白龙港污水处理厂是世界最大的污水处理厂之一。目前总处理能力2 800 000 m3/d，工程服务面积约995 km2，服务范围包括浦东新区及部分中心城区，处理能力占上海市污水处理能力的1/3左右。通过本工程及周边同期在建提标改造标段工程，总体新增1 200 000 m3/d生物处理设施和280 m3/d的深度处理设施。

本工程位于上海市浦东新区合庆镇人民塘西，张家浜河以南长江滩涂，白龙港污水处理厂位于西北地块。工程将主要建筑物合建成集约化的水池及生产用房的专业地下污水处理设施。

2.2 桩基工程概况

本工程地下箱体采用劲性复合桩（等芯柔刚复合桩），柔性桩采用φ700 mm水泥土搅拌桩，水泥掺入量15%；水泥搅拌桩加固体的28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。刚性桩采用T-PHC-C500-460（110）预应力混凝土异形桩，桩距2.35～2.50 m。

2.3 水文地质条件

据勘探揭示，拟建场地在60 m深度范围内的地基土，主要由黏性土、粉性土、淤泥质土等组成。且由于场地东侧邻近长江，浅层以粉性土为主，地下水位受长江涨落潮影响较大，属于软弱地基土。

按沉积的年代、成因的类型及其物理性能、力学性质的差异，将拟建场地内60 m深度范围内的土层划分为6个主要土层，其中第①、②、⑤、⑧层可分别根据各自土层的特性划分为若干亚层、次压层。潜水主要赋存于浅部填土、黏性土、粉性土中。

3 主要施工技术

3.1 机械选型技术

桩基工程施工作业面标高为－2.1 m，基坑底标高为－15.8 m，桩机空转长度达到13.7 m，工程桩长分别为42 m和31 m，实际桩机施工深度达到55.7 m和44.7 m，普通单轴、双轴搅拌桩机无法打设。为满足打设深度及施工安全，选用三轴搅拌桩机，在运用其自身桩架及底座的基础上，更换大功率动力头，增加钻杆转速，在原有钻杆中部增设1处钻头及喷浆口，使其改装成满足柔性桩施工的单轴搅拌桩机（图2）。本工程桩基体量大（总计12 355根桩），时间紧（桩基施工时间100 d），为在保证施工质量的基础上保证正常施工进度，根据柔性桩（单根施工时间90～120 min）和刚性桩（单根施工时间30～45 min）的时间配比（2∶1），配备8组机械，每组机械配备2台经改装的单轴搅拌桩机和1台静压桩机（抱压式），以此来满足施工质量、进度要求。

图2 劲性复合桩机

3.2 场地处理

桩基工程作业面在前期策划阶段有2种选择：第1种是于－8.1 m处进行施工，即桩机设备均需从原地面进入深7 m的基坑内部，且该处标高土层为灰色淤泥质黏土，呈饱和水状态，地基较软弱，需进行大量地基处理；第2种是于原地面即－1.1 m标高处施工，地基承载力较好，但桩机空转深度加长。最后出于安全的考量，决定采用第2种在原地面处施工。如此施工场地硬化只需铺设厚50 cm道砟回填夯实，即可满足桩机施工承载力要求。

3.3 柔性桩施工技术

柔性桩采用φ700 mm水泥土搅拌桩，空钻区域内水泥掺入量为8%，有效桩长区域水泥掺入量为15%；搅拌桩采用两喷两搅（一上一下）的施工工艺（图3）。

图3 柔性桩施工

1）施工流程：测量放线→搅拌机就位→配制水泥浆→一次喷浆搅拌下沉→二次喷浆搅拌提升。

2）设备进场前，平整现场场地，清除施工区域内的表层障碍物，回填适量道砟并夯实，要求路基的承重荷载以能够行走重型桩架为准，必要时可铺设路基箱。

3）桩机应平稳、平正，运用线锤对立柱进行定位观测以保证桩机桩身的垂直度，并在垂直方向上采用2台经纬仪经常校核桩架的垂直度，有效控制垂直度。

4）水泥土搅拌桩桩位定位后需再次进行复核，桩位偏差值须小于设计要求值。

5）水泥土搅拌桩在下沉与提升的过程中均应注入水泥浆液，并严格控制下沉速度、提升速度及注浆量。搅拌桩下沉速度为0.5～0.8 m/min，下沉注浆量为70%，搅拌桩搅拌提升速度为1.0 m/min，提升注浆量为30%。搅拌提升时不应使孔内产生负压，影响周边地基进而造成沉降。

6）搅拌桩采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8（经试桩确认0.8是挤土效应和翻浆量的一个平衡值），现场通过泥浆比重计检测水泥浆液相对密度，以控制水灰比，进而保证水泥用量达到设计要求。拌浆注浆量以每钻的加固土体方量换算，浆液流量通过浆液输送能力进行控制。搅拌土体的28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。

3.4 刚性桩施工技术

刚性桩采用的是TZ螺锁式连接预应力混凝土异形桩， 有效桩长42 m和31 m。刚性桩必须在柔性桩施工完成后的6 h内进行施工。

1）搅拌桩机移机施工下一根搅拌桩后，静压桩机就位并定位调直，定位桩中心误差控制在10 mm以内。压桩机就位时应对准桩位中心点，并启动平台的支腿油缸，校正平台使其处于水平的状态下。

2）卸桩由起重机采用两点起吊，平移至桩架前，入压桩机时单点起吊。

3）用钢丝绳绑住桩身单点起吊，移入桩机后调平桩机，开动纵横向油缸移动桩机调整对中，同时在桩机影响范围外，成90°方向各设置1台经纬仪，用以控制校准垂直度（垂直度偏差控制在1/250内）。校准通过桩机导架的旋转、滑动进行，确保桩位及垂直度符合要求后再进行压桩。柔性桩施工完成6 h内未压入刚性桩，或者压入刚性桩时发现垂直度偏差大、拔出重新压入超过6 h的，需由搅拌桩机对原桩位进场复搅，并在6 h内施工刚性桩。压桩施工必须连续进行，且同一根桩的中间间歇时间不宜超过30 min。

4）沉桩时，固定端大螺帽朝上（连接端应安装好垫片、弹簧、卡片、中间螺母），张拉端小螺帽朝下。吊桩到位后方可安装插杆。

5）抱压沉桩时，夹具应抱在桩身凸出部位，避开桩身两侧的合缝位置，严禁夹具抱在桩身凹进部位。

6）刚性桩接头连接即上下节桩拼接成整桩时，采用上螺下顶的接桩卡扣连接方式，接头卡扣连接强度应不小于机械连接预应力混凝土异形桩桩身强度，必须确保锤击回弹时无缝隙。

7）在下节桩的端面涂抹50 g专用的密封材料（由环氧树脂、固化剂按比例组成），操作时间宜控制在2 min以内，初凝时间不超过6 h，终凝时间不超过12 h（图4）。

图4 刚性桩接桩施工

8）在专人指挥下，将插杆与中间套头轴线移至同一直线上，插入过程中严禁碰撞。插接完成后以密封材料溢出接桩接口为宜，且接口间无缝隙。密封材料应在拌制完成后4 h内使用完毕，超出时间的严禁使用。每节桩应一次连续压到底标高，接桩及送桩均应连续进行，中间停歇时间不得超过30 min[5-7]。

4 结语

在上海白龙港污水厂提标改造工程中运用新型的劲性复合桩工艺，充分发挥了地基土与桩材的复合作用。劲性复合桩具有施工效率高、经济效益好、环境影响小的特点，符合国家建筑行业的发展模式，契合绿色建筑的理念。

劲性复合桩在本工程中的成功应用，形成了一系列的关键技术，可以进一步提炼和总结，系统集成技术要点，可在今后项目中继续推广运用，从而推动我国建筑行业的发展进步，提高我国建筑施工行业的技术水平。