山区深厚填土复杂地层中接力成桩技术的研究与应用

刘猷鹏 李 俊 郭 潇 胡熠晖

（中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

我国是个多山之国，据统计，山地、丘陵和高原的面积占全国土地总面积的69%，随着我国城镇化建设的不断推进，大量城市平地资源日趋稀缺，对山多平地少的城市则不可避免地采取移山造地、填沟造地和利用工程弃土场等作为城市发展用地的方法，在该背景下，形成了许多以块石、碎石土、建筑垃圾等为介质的深厚填土复杂地层建设场地。

由于这种场地深厚填土的来源、填土成分、堆填方式比较复杂，具有结构松散、性质不均匀、工程性质差的特点，一般不能直接作为建筑物的地基，深厚填土区开发建设时通常须对场地进行地基处理或者采用桩基础穿透深厚填土地层，而山区深厚填土成桩一直是工程施工的重难点，该文通过工程实例，对适用于深厚填土复杂地层中接力成桩技术进行了研究。

1 山区深厚填土特点

山区深厚填土普遍存在以下特点：1）填土场地原始地貌多为山间冲沟、江河岸坡等，是由于工程建设开挖就地回填或作为城市渣土消纳场等原因形成的，填筑方式多为抛填、分多次填筑而未经过分层碾压等有效处理。2）填料来源、组成成分、填筑时间差异性大，成分一般为开山形成的土石方、生活垃圾或建筑垃圾等，其中块石母岩质地软硬不一，含量一般大于50%，块径大于1m以上的块石比例较高，工程性质极不均匀。3）填筑时间短，结构疏松，颗粒分配极不均匀，局部具有架空结构，呈欠固结状态，压缩性大，后期往往造成地面过大沉降。4）填土孔隙率大、渗透性大，雨后积水和季节性地下水位波动通过填土层间孔隙和土体流失贯通形成排水孔洞，在地面往往会出现非自重湿陷下沉现象。

2 常用成桩方法

根据地方工程经验，深厚填土地基常用的成桩方法有人工挖孔桩、旋挖钻孔灌注桩、冲击成孔灌注桩等。

2.1 人工挖孔桩

人工挖孔桩是指采用人力挖土、成孔，然后安放钢筋笼，灌注混凝土成桩的方法。人工挖孔桩成孔方法简单，单桩承载力高，施工时无振动、无噪声，施工设备简单，可同时开挖多根桩以节省工期，可直接观察土层变化情况，便于清孔和检查孔底及孔壁，施工质量可靠。但由于其劳动条件差、劳动力消耗大、安全风险高，多数地区已被限制使用。

2.2 旋挖钻孔灌注桩

旋挖钻孔灌注桩是指采用旋挖钻机机械成孔，然后安放钢筋笼，灌注混凝土成桩的方法。旋挖钻机成孔首先是通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。对黏结性好的岩土层，可采用干作业或清水钻进工艺，无须泥浆护壁。而对松散易坍塌地层如深厚填土，或有地下水分布、孔壁不稳定的地层，必须采用静态泥浆护壁钻进工艺，向孔内投入护壁泥浆或稳定液进行护壁。旋挖成桩具有适应地层强、成孔速度快、工期短、效率高等优点[1]。同时，旋挖成桩还存在成本高、投入大、机械自重大、孔壁护壁效果较差、需要吊装机械配合等缺点。

2.3 冲击成孔灌注桩

冲击成孔灌注桩是指采用冲击钻机把冲锤提高，靠自由下落的冲击力来削切岩层，排出碎渣成孔，然后放入钢筋笼再灌注混凝土成桩的方法。冲击钻机有钻杆式和钢丝绳式两种，前者所钻孔径较小、效率较低、应用较少，后者钻孔直径大，可根据设计的桩径来修改钻头的大小，锤重一般在3t～10t（具体根据桩径的大小来确定锤重）。冲击成孔灌注桩适用于填土层、黏土层、粉土层、淤泥层、砂土层、碎石土层、砾卵石层、岩溶发育岩层或裂隙发育的地层施工，桩孔直径通常为600mm～1500mm，最大直径可达2500mm，最大冲孔深度超百米。但在冲击过程中如遇到大块石或硬质基岩时，冲击碎岩困难，易产生偏钻。同时，冲击钻还存在成孔速度慢、效率低、工期长、机械损耗大等缺点。

3 工程运用

某工业建筑场地，地处鄂西山区，原始地貌为山间“V”形冲沟，冲沟两侧地形坡度 30°～50°，沟宽 50m～130m，为城郊公路修建时开山平场形成的土石方弃渣场，已抛填20m～40m 厚的填土，在冲沟下缘冲沟汇流处形成了高约 40m的高边坡，场地填土面积约 28 万m³，自 2012 年开始随机填筑，填筑时长 1～8 年。勘察资料表明，该场地深厚填土结构松散，级配极差，局部具有架空架构，工程性质差。

拟建建筑物位于原冲沟上部，为3栋5层框架结构厂房。通过技术、经济、安全、工期、现场条件等因素的综合分析对比，设计最终采用了强夯法+钻（冲）孔灌注桩方案的地基处理方式。

场地地层自上而下可划分为4层。

第①层素填土：结构以松散为主，承载力低，具高压缩性，具有架空结构，为场地不良地基土层，工程性质差，不能作为建筑物的基础持力层。

第②层含碎石粉质黏土：可塑状，属中等压缩性土，厚度在1.0m～5.9m,埋深一般超过15m，层位分布不稳定，局部地段缺失，不能作为基础持力层。

第③层强风化砂岩：岩质软弱，岩体破碎，风化裂隙发育，岩芯多呈碎块状或短柱状，平均厚度为2.6m，厚度变化大，分布不稳定，不宜作为基础持力层。

第④层中风化砂岩夹泥岩：较软岩，岩石较完整，不同岩性饱和单轴抗压强度及承载力特征值较高，可以为不可压缩层，是该工程良好的基础持力层。

强夯在桩基础施工前进行，夯锤采用50t，落距20m，根据现场试验结果（见图1）显示强夯有效深度为地表以下6m～8m，受强夯作用土体密实度有所改善，但填土性质在垂直方向性质变化依然较大。

图1 动力触探击数与①素填土深度相关性散点图

桩基础设计采用旋挖成孔或冲击成孔，施工时应考虑填土塌孔对桩基施工造成的不利影响，采用合适的泥浆配合比或在人工填土段采取钢护筒护壁成桩工艺。

按设计要求，为检验成桩可行性和质量效果，在正式施工前选取场地不利地段进行了试桩，试桩根数为3根，桩径1000mm，桩长22m～35m，设计嵌岩深度4m。根据场地地质条件和当地施工经验，全孔钢护筒护壁成桩工艺拔管困难且不易回收、成本高、效率低，不适用于该工程，未予采用，计划采用泥浆护壁旋挖钻孔的施工工艺，泥浆护壁冲击成孔作为备选方案，旋挖钻机选用XR280D型大功率入岩旋挖钻机、冲击钻机选用CZ-8A型。在施工过程中，3根试桩在填土层钻进中均发生了塌孔情况，其中2根试桩在旋挖钻进过程中出现严重塌孔、漏浆现象导致无法成孔后采用了备选的冲击成孔施工工艺，孔内回填干黏土料堵漏后注入泥浆冲孔，再遇漏浆后反复填料处理直至达到设计要求，3根试桩成桩共耗时13天之久。

4 施工难点及原因分析

4.1 施工难点

经分析，在山区深厚填土复杂地层灌注桩施工的主要难点是成孔困难，主要体现在钻进困难、塌孔、漏浆、埋钻。

4.2 原因分析

4.2.1 钻进困难

山区填土成分复杂，填土厚度大，地层杂乱无章，遇大量孤石、漂石处，如孤石、漂石直径大于钻头或孤石、漂石附近地层软弱时，会随钻头一同旋转，一般成孔工艺难以穿透成孔[2]。

4.2.2 塌孔、漏浆、埋钻

因深厚填土随机回填而未经压实，结构松散，孔隙率大，在上层滞水和季节水位波动带处容易塌孔、漏浆，沉渣厚度和混凝土充盈系数不易控制。经统计，该场地在地表以下7m左右、15m～17m、19m～23m处塌孔、漏浆严重，尤其在23m左右（原始冲沟地面处）特别严重。分析认为，7m左右位于场地强夯作用有效深度界限，上层滞水富集及填土密度改变不利影响明显，而后两处漏浆部位分别位于季节水位波动带，填土孔隙间在地下水流冲蚀下形成了较大的渗流孔洞，极易造成孔内塌孔、漏浆、埋钻。

5 解决对策

5.1 常规情况处理对策

通过查阅大量相关资料并咨询业内专家，在分析本场地试桩情况的基础上，提出在正式施工时改进现有成桩方案，改用冲击钻配合旋挖钻接力成桩技术，具体为在填土层中采用旋挖钻机干作业钻至地面以下7m左右，该段填土经强夯后孔壁有一定的自稳能力，7m左右遇第一个塌孔、漏浆点时提钻，利用挖掘机将优质干黏土料倒入孔内，改用冲击钻进行自造浆后注入已经配好的高质量复合泥浆护壁冲孔，期间在15m～17m、19m～23m两处塌孔、漏浆点利用该方法反复倒入干黏土料和注入高质量复合泥浆冲孔至基岩顶面后，再次改用旋挖钻钻至设计桩底成孔，为避免成孔后发生塌孔，保证成桩，必须在清孔后快速安放钢筋笼和浇筑混凝土。

冲击钻通过冲击势能对孔周土体具有挤密作用，加之配合倒入的干黏土料和高质量复合泥浆护壁作用，能够很好地将填土层内孔隙填充并在孔壁形成泥皮，起到防塌、止漏的效果，而大功率旋挖钻在填土干作业段和硬质基岩段成孔工效较冲击钻要高很多。

5.2 特殊情况处理对策

对填土层中前期加固效果欠佳和地下水流冲蚀形成渗流孔洞较多、塌孔、漏浆非常严重的个别钻孔，出现的只出土不进尺的情况，分析其孔壁周边地层坍塌已经形成“大空腔”，此时，常规处理对策已经不能适用该情况，应改用低标号混凝土或砂浆进行填孔，待混凝土初凝后对该处充填形成护壁作用后再继续成孔[2]。

6 运用效果

场地灌注桩正式施工时推广了此套接力成桩技术，每2台成孔设备（1台旋挖钻、1台冲击钻）由之前的13天完成3根桩的情况提高到每2台成孔设备（1台旋挖钻、1台冲击钻）配合接力每天成桩1根～1.5根，大大减小了常规方法在此类深厚填土复杂地层中带来的不利影响，综合成桩工效显著提高，保证了工期目标的实现。

项目桩基检测由业主委托第三方检测单位完成，所有灌注桩在成桩后按照设计和规范要求进行了质量检测，结果如下。

6.1 基桩低应变检测

根据基桩低应变试验检测报告，所检桩桩身波速介于3805m/s～3919m/s，全部为I类桩。

6.2 基桩钻芯检测

基桩钻芯检测按总桩数的10%进行抽检，根据基桩钻芯检测报告，所检桩桩身混凝土芯样连续、完整、胶结好，芯样侧表面光滑、骨料分布均匀，局部芯样侧表面见少量气孔，无断桩现象。所检桩桩底沉渣厚度满足规范要求，桩身混凝土强度检测值和桩端持力层岩石抗压强度试验值均满足设计要求。

6.3 单桩竖向抗压静载试验

单桩竖向抗压静载试验按总桩数的1%进行抽检，根据单桩竖向抗压静载试验检测报告，所检桩单桩竖向抗压承载力特征值均满足设计要求，最大沉降量分别为3.78mm、4.76mm、5.29mm（见图2），满足规范要求。

图2 单桩竖向抗压静载试验Q-s曲线图

7 结语

通过该工程实例表明，改进后的强夯法+冲击钻配合旋挖钻接力成桩关键技术能成功解决在山区深厚填土复杂地层中成桩困难问题，灌注桩成桩质量能够得以保证，避免了采用注浆法、人工挖孔桩、钢护筒跟管护壁成桩等经济性差、安全性低的方法，大大减少了施工周期，节约了工程成本，取得了良好的社会和经济效益。

随着我国基础设施建设和城镇化进程不断向山区推进、完善，该项关键技术在我国类似深厚填土复杂地层的山区和施工经验较少的地区基础设施工程和工业与民用建筑工程中值得借鉴和推广。