潜孔锤预钻孔后锤击沉桩法在开山石厚填土场地中的应用

张亚雄，徐 彬，王 燕，王雪梅，丁文静，邵云怡

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200090)

0 引言

随着沿海可用于工业建设的陆地日益减少，利用开山土石对近岸海域进行回填以形成工业建设用地的工程案例越来越多。回填料的土性一般不均匀，且受山体影响很大，如山体岩性较大，则回填料中风化岩块含量较高，黏性土含量较低，颗粒粒径变化较大；如山体岩性较低，则回填料中黏性土含量较高，风化岩块含量较低，呈松散状。为了满足抗压承载力和竖向沉降控制的要求，部分构筑物需要采用桩基础。因桩基的造价占比通常超60%，采用何种桩基和沉桩工艺以兼顾施工可行性、施工进度和工程造价之间的平衡就成为了设计中需要考虑的主要问题。

对于此类回填场地，一般采用对场地适应性较强的灌注桩，但如果采用灌注桩，施工费用很高且工期很长，很多情况下无法满足投资方的生产建设要求。针对这种情况，本文以某船厂的船台和横移区工程为例，探讨了预应力混凝土方桩和潜孔锤预钻孔后锤击沉桩法在开山石厚填土场地中的应用情况。

1 工程概况

拟建场地位于船厂东侧，毗邻山体，场地东南侧与已建护堤相邻。场地被原护堤划分为两个部分，第1部分位于原厂区内，第2部分位于原厂区外，场地原为海域，目前已经回填开山土石为陆域。

原厂区内系2009年回填，回填材料为素填土，黏性土含量较高，风化岩块含量较低，松散状，土性不均；原厂区外主要为2014年回填，回填材料主要为素填土，为邻近山上的石英岩或石英砂岩以及页岩等经破碎后填海形成，松散～稍密状，中风化岩块含量较高，颗粒粒径变化较大，土性不均匀。现场填土状况如图1～2所示。代表地质剖面如图3所示。

图1 原厂区内填料

图2 原厂区外填料

图3 代表地质剖面

在拟建场地需要建设若干座船台和1座横移区。船台区设纵向钢轨，产品建造好之后落座在船台小车上，驱动船台小车进行纵移作业；横移区设纵向和横向钢轨，纵向钢轨与船台区纵向钢轨对接，在船台小车纵移至横移区指定位置后，将轮子转向，船台小车搭载产品横移至下水滑道。

2 基础方案

因船台和横移区位于回填厂区，根据以往工程经验，一般可考虑采用强夯加固地基方案和桩基大板方案。对强夯加固地基方案，根据以往工程实践，存在以下缺点。

1)本工程所在区域已经进行回填，回填土均匀性差，厚度大，一般在15m左右；地下水位较高，地下水水位往下区域强夯加固效果较差。

2)强夯加固施工完成后，地基的工后沉降一般需2年才能全部完成，而本工程对沉降要求很高，不允许出现差异沉降，故采用强夯加固地基短期无法达到工艺使用要求。

3)拟建船台和横移区上的使用荷载大。

因此本工程不考虑强夯加固地基方案，考虑桩基大板方案。

3 地基处理

由于场地为新近回填，尚未完成自重固结，在结构自重及上部荷载的作用下可能会产生较大沉降，采用桩基时，桩基将产生较大的负摩阻力。根据场区工程地质条件，结合周边环境条件，采用强夯法对本场区全部场地填土进行预处理，以提高地基土强度及均匀性，减小或消除其对桩基产生的负摩阻力[1]。

4 桩基形式[2]

近海工程常用的桩型一般有预应力混凝土方桩、高强度预应力混凝土管桩、钢管桩、嵌岩桩、灌注桩等。

1)预应力混凝土方桩 应用范围较广，但桩基的极限承载力和打桩拉应力很难适应于各种土层和承载力比较大的构筑物基础。

2)预应力混凝土管桩 因桩基的极限承载力较高，且桩基可贯入性较好，应用范围较广。因为是工业化生产，制作质量稳定。

3)钢管桩 应用范围最广，桩基可贯入性较好，但使用成本和维护成本均较高。

4)灌注桩 因施工设备比较简单、轻便，从软土地基到坚硬岩石都可以成桩，因而应用范围相当广。但灌注桩也有自身的弱点，比如桩基早期沉降较大和沉桩时泥浆护壁对桩侧摩阻力的削弱。

5 桩基选型

因场地属于回填开山土石形成，土性不均匀，局部含有粒径较大的石英岩或石英砂岩，若采用钻孔灌注桩、钢管桩或预制混凝土桩，易发生断桩、无法钻进、桩位偏移等现象；若采用预制混凝土桩和预钻孔锤击沉桩法，因素填土层含有孤石，孤石粒径最大可达300mm，如果孤石的风化程度较低，很可能会影响钻进[3]。场地表层第①1层素填土厚度较大，该层与海水相连通，受潮汐影响大，且厂区填土尚未完成自重固结，因此不建议采用人工挖孔桩。此外，根据地质报告，拟建工程区域的中风化岩层起伏较大。根据上述地质条件，在设计初期决定采用对场地适应能力强且能进入中风化岩层的冲孔灌注桩。

灌注嵌岩桩各方面评估汇总如表1所示。

表1 灌注嵌岩桩方案优缺点

根据初步计算，总桩数近4 000根，如果采用灌注嵌岩桩作为基础，即使考虑进场10台桩架，仅桩基施工一项就需要2年时间，无法满足投资方后期生产需要。另外，因为回填层厚度一般在15m左右，钢护筒长度也需要15m左右，所以钢护筒无法循环使用，再加上桩基需进入中风化岩层一定深度以发挥桩基承载力，工程造价相当高，超过预算很多。经与投资方和当地桩基生产企业讨论，建议采用预应力实心方桩，并结合潜孔锤预钻孔后锤击沉桩的工艺。采用这种工艺，沉桩速度很快，一天可以沉桩5～6根，再加上无需设置钢护筒，能极大降低工程造价。因现行桩基设计规范没有涵盖采用此种沉桩工艺的桩基设计方法，所以设计人员对这种沉桩工艺进行了一系列的研究以确定其可行性。

6 桩型及沉桩工艺介绍

桩型为600mm×600mm预应力方桩，混凝土强度等级为C60，采用螺旋槽钢棒为桩身主筋，主筋公称直径为12.6mm。

沉桩工艺主要分为引孔和沉桩两部分。引孔为部分引孔，施工工艺主要分为：气动潜孔锤定位、开孔钻进、护筒钻进、碎石层钻进、基岩层钻进、上提钻杆、护筒拔出和完成引孔。

在开孔钻进时，空压机鼓入压缩空气，压缩空气驱动冲击器产生轴向冲击运动，冲击器带动锤头高频锤击碎岩。为配合潜孔锤钻进，动力头驱动潜孔锤回转以确保锤头范围内的地基都受到高频锤击。根据此钻进工艺，地基越硬，越能发挥锤头高频锤击的效果，钻进速度越快。在开孔钻进时，动力头带动护筒旋转，同时压缩空气还将作为冲洗介质将锤碎土体颗粒返至护筒上方开口处排出[4]。

7 计算与研究

7.1 桩身承载力计算

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》第5.8.2条计算桩身承载力。预应力混凝土方桩的主筋为预应力钢筋，在预制过程中通过先行张拉预应力钢筋给桩身混凝土施加压力，所以不考虑桩身主筋对桩身受压承载力的贡献。

考虑到在本区域内没有实施预应力混凝土方桩的先例，为保证安全，混凝土轴心抗压强度按C50的强度等级考虑。故对600mm×600mm预应力方桩，桩身正截面受压承载力计算如下：

考虑荷载的综合分项系数为1.45，则可知桩身受压承载力特征值为4 874kN。为保证安全，大范围内桩身受压承载力特征值按3 700kN考虑，小范围内个别桩基的桩身受压承载力特征值按4 200kN考虑。

7.2 桩身锤击应力分析和桩锤选型

经计算，如果采用柴油锤，锤落距取3.0m，采用横纹松木或者层合板为桩垫，最大锤击应力为27.4MPa。因为桩身混凝土的轴心抗压强度设计值为27.5MPa>27.4MPa，所以选用柴油锤沉桩可行。

为了进一步避免沉桩过程中桩头开裂的问题，桩头箍筋加密且设置钢桩帽以增强对桩头混凝土的侧向约束。

7.3 引孔直径选择

1)沉桩产生挤土效应，而孔径的变化会直接影响防挤措施的效果，通常采用的预钻孔直径不大于桩径的2/3，此限制条件可以根据具体的工程情况做相应调整[5]。

2)根据《建筑桩基技术规范》第7.4.9条，对预钻孔沉桩，预钻孔孔径可比方桩对角线小50～100mm。

3)对600mm×600mm预应力方桩，对角线长度约为848mm，预钻孔直径最大可取565mm，引孔直径最大可取650mm。

4)工程所在地现有潜孔锤的直径一般为600mm，为了方便施工调遣，引孔直径取600mm，并通过桩基检测进行验证。

7.4 试桩及桩基检测

因无法确定预应力混凝土方桩桩尖嵌入第⑧层中风化岩的深度，如果采用第⑧层中风化岩之上的第④层含碎石黏土层作为持力层，桩基的承载力过低，无法满足要求。再加上采用此种沉桩工艺在本区域暂无应用先例，为了确定采用此种沉桩工艺桩基的贯入特性、停锤标准和桩基承载力，设计要求在拟建工程周边先施工2根试桩。

1)沉桩前在2根桩的桩位附近各下一个地质鉴别孔，以方便确定沉桩时桩尖到达的土层。

2)在钻孔ZK-1旁边实施1号试桩，在钻孔ZK-2旁边实施2号试桩。首先在采用潜孔锤在素填土土层内引孔，引孔直径600mm；之后拔出护筒，采用12.5t锤重的导杆式柴油打桩机(桩锤冲程高度≥2.4m)，停锤标准暂定为：最后3阵，每阵的平均贯入度≤30mm，并且最后1m的锤击数不少于200击。

3)桩基检测

桩基沉桩到位后，按规范要求分别进行静载荷试桩检测桩基承载力和低应变试验验证桩身完整性，2根桩的沉桩情况及桩基检测结果如表2所示。

表2 沉桩及桩基检测统计

7.5 沉桩阻力分析及引孔深度计算

桩基础设计中，一般希望大部分桩基能够进入同一土层一定深度以有效减少桩基之间的差异沉降。为了确保桩尖能进入同一土层一定深度，因为各钻孔的回填土层和原始土层的厚度都不一样，如何根据地质钻孔资料确定各区域的引孔深度就成了设计人员必须要解决的问题。

根据7.4节的试桩资料和桩基检测结果，若桩基进入第④1含黏性土碎石层一定深度或⑧层中风化岩，且满足设定的停锤标准，则桩基承载力满足设计要求。因2根试桩的停锤标准相同，认为停锤时2根桩的沉桩阻力相近，考虑利用2根试桩的试桩阻力推导对应于各地质钻孔的引孔深度。

7.5.1沉桩阻力分析

桩基低应变测试的动力参数法[6]是通过简单的敲击，激起桩、土体系的自由振动，实测桩基竖向自振频率，根据单自由度质弹体系振动理论，推算出单桩动刚度，再进行适当的动静对比修正，换算出单桩竖向承载力的推算值。因为这个方法与锤击沉桩在动力传递方面一致，所以考虑用低应变动力参数法推算沉桩阻力。

1)单桩竖向承载力计算

单桩竖向承载力推算值按式(1)～(4)计算。

(1)

GP=L0·G/3

(2)

(3)

(4)

式中：f0为桩的竖向自振频率；Gp为折算后的参振桩重(kN)；Ge为折算后的参振土重(kN)；γz为参振土体的扩散半径(m)；L0为桩的全长(m)；L为桩的入土深度(m)；γ2,φ分别为桩下段L/3范围内，参振土体的重度(kN/m3)及内摩擦角(°)；d为桩基直径(m)；A为桩基截面积(m2)；K为安全系数，为评估沉桩阻力，取K=2；βf为频率法的调整系数；

2)沉桩阻力计算

认为沉桩阻力与单桩竖向承载力推算值之间的换算关系如式(5)所示。

R1=ηR

(5)

式中：η为换算系数，假设为常数。

3)计算结果

根据1)和2)分别对1号试桩和2号试桩进行计算，计算结果如表3所示。

表3 试桩沉桩阻力计算结果

7.5.2代表钻孔引孔深度试算

如果单桩沉桩阻力R1按不超过0.51ηβff02控制，根据单桩沉桩阻力控制值对本工程代表地质钻孔反算对应各代表地质钻孔的预钻孔深度，计算结果如表4所示。

表4 代表钻孔临界荷载计算结果

根据表4可知。

1)如果桩基持力层为第⑧层，且持力层的埋藏深度约为12.0m，按桩基进入持力层1.0m考虑，引孔深度建议按6m控制，并引穿①1开山填土层。

2)如果桩基持力层为第④2层，持力层的埋藏深度约为16m，按桩基进入持力层2.0m考虑，引孔深度建议按11m控制，并引穿①1开山填土层。

3)如果桩基持力层为第④2层，持力层的埋藏深度约为21m，按桩基进入持力层2.0m考虑，引孔深度建议按19m控制，并引穿①1开山填土层。

在施工过程中，将根据实际施工情况对上述引孔深度进行适当调整。

7.6 桩基承载力计算

根据一般工程经验，采用锤击法沉桩无法保证预应力混凝土方桩桩尖进入第⑧层中风化岩的深度。如果采用第⑧层中风化岩之上的第④层含碎石黏土层作为持力层，根据《建筑桩基技术规范》第5.3.5条进行计算得到桩基承载力过低，无法满足设计要求。对上述矛盾，考虑采用静载荷试桩结果作为设计依据，并在工程开始前施工试桩和进行静载荷试验进一步佐证。

本工程属于重点工程，桩基工程体量很大；投资方对桩基沉降控制要求很高；为了节省工程造价，设计人员加大了桩距，结构对桩基承载力的要求很高。基于以上原因，该沉桩工艺在国内是首次应用，需要采用其他方式对桩基承载力进行交叉验证。国内现行规范暂无根据停锤标准和锤击沉桩参数来确定桩基承载力的方法，故参考新加坡的工程实践，采用海利动力打桩公式(以下简称海利公式)对桩基承载力进行计算。

采用海利公式分别对1号试桩和2号试桩进行计算，计算结果如表5所示。

表5 试桩抗压承载力计算结果

根据表5，计算得到的单桩抗压承载力特征值最小为5 700kN，大于静载荷试验结果4 800kN，进一步证明所采用的打桩停锤标准满足对桩基抗压承载力的要求。

7.7 桩基接头设计

根据辽宁省标准图集辽2007G404《预应力混凝土方桩》，桩帽侧壁钢板厚度一般为12mm。本工程是在回填开山土石形成的陆域上进行建设的，表层第①1层素填土(山皮土)较厚，场地内遍布，且该层与海水相连通，属于海洋环境，为保证桩基接头的耐久性，考虑适当增加钢板厚度。

根据规范，水下区钢结构的单面腐蚀速度为0.05mm/年，考虑设计寿命50年，总腐蚀厚度约为2.5mm，取预留腐蚀厚度为4mm，故将桩帽侧壁钢板厚度由12mm增加至16mm。

8 沉桩质量检验与工期比较

8.1 施工前沉桩质量检验

因本工程桩基数量很大，区域内地质条件复杂，要求在工程正式开工前选择具有典型地质条件的场地进行试沉桩试验，对设计依据进行验证，并确定沉桩的工艺可行性及施工参数。另外，本工程部分区域内中风化基岩的原状覆盖层很薄，局部区域内原状覆盖层缺失，设计文件中要求桩端嵌入中风化岩，本次试桩将对桩端嵌固的沉桩工艺进行研究，以保证结构在使用过程中的安全。

共选取15根工程桩进行试沉桩施工，并对其中8根进行了单桩竖向静载荷试验，分级加载，加载终止值为9 600kN，并对所有试桩进行低应变动力检测。经检测，单桩竖向抗压承载力特征值均为4 800kN，所有桩基均为I类桩。

8.2 施工中沉桩质量检验

对均匀分布在工程区域的15根工程桩基进行单桩竖向静载荷试验，对307根工程桩基进行了高应变动力检测，对1 127根工程桩基进行了低应变动力检测，试验及检测结果如表6所示。

表6 桩基检测试验结果

8.3 桩基抗压承载力验证

根据海利公式对所有工程桩基的抗压承载力进行计算，可得桩基极限承载力最小为8 900kN，故桩基承载力特征值为4 450kN。

8.4 桩基施工工期比较

采用预应力混凝土方桩和该沉桩工艺，仅仅在3个月内就完成了所有工程桩基的沉桩，比采用冲孔灌注嵌岩桩的桩型和沉桩工艺节省工期约21个月，满足了投资方对建设工期的要求，具有良好的经济效益。

9 存在问题及解决方法

9.1 挤土现象及防挤措施

对于该沉桩工艺，虽然锤击沉桩前已经采用潜孔锤预钻孔并取土，但由于回填土层往下并未进行引孔和取土，所以仍然存在一定的挤土现象。根据投资方生产建设安排，本工程分两期实施，一期工程施工完成后再进行二期工程施工。在二期工程施工时，根据监测结果，靠近二期工程的一期工程部分有桩基上浮的现象，上浮高度最大约为2cm。针对此种问题，设计要求对二期工程靠近一期工程部分的沉桩降低沉桩速率，并增大引孔深度以减少挤土现象[5]，采用此种防挤措施有效控制了桩基上浮。

9.2 预钻孔及打桩速率协调

每天预钻孔数量要求满足打桩进度即可。钻孔数量如果超过打桩数量，因本工程回填土层内地下水受潮汐影响大，随着打桩和地下水的影响，可能造成孔的塌陷[3]。

10 结语

潜孔锤预钻孔后锤击沉桩与长螺旋钻机预钻孔后锤击沉桩[4]的目的相同，都是通过钻孔取土以达到桩基穿透硬夹层的目的，但与采用长螺旋钻机预钻孔相比，利用气动潜孔锤穿透开山土石层的效果更好。该技术是在国内船厂建设中的首次应用。本文针对部分工程地质条件下灌注桩施工难度大、耗时长和造价高的问题，提供了一种新的解决方案，并结合工程实践对该沉桩工艺的详细方案进行了进一步研究，通过检测试验对打桩实施效果进行了验证，可为其他类似开山土石陆域提供参考。因岩溶地区施工灌注桩很容易发生塌孔、钻孔偏斜、漏浆、卡钻或桩基失效[7]，需采取内外护筒法或高压旋喷补强法进行施工[2]，施工费用高，本文可为岩溶(喀斯特)地区的桩基基础设计提供一定的参考。