软土地区根键式钻孔灌注桩试验桩施工技术

李 伟

（中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

我国滨海（湖）地区大都是沉积为主的深厚层淤泥质软土，具有高含水量、压缩性大、固结缓慢等特点。摩擦桩作为软土区域主要承载桩型，依靠孔壁土层的侧摩阻力来承载的桩基，适用于上覆地层承载能力较差的土层［1-3］。根键式钻孔灌注桩针对传统钻孔灌注桩进行接触面改造，相比之下有效提高了普通钻孔灌注桩的承载力。于是，以其有效缩短桩长的良好经济性，越来越被工程界加以重视和应用；尤其适合应用于深淤软土区域钻孔灌注桩基础，根式基础可用于公路工程、铁路工程、市政工程、建筑工程等其他行业［4］。

浙江甬台温高速复线南塘至黄华段，翁垟高架桥共有桩基1 231根，均为长大钻孔灌注桩，且85.5%桩基桩长80 m以上。工程位于浙江南部沿海，项目沿线在丘陵与海积平原相间分布，海积平原区地势平坦，河道水网密布，地面标高一般为3～5 m。桥址区为深厚层海积松散堆积物软土地区，基础为全新统海基层淤泥、淤泥质土，整体厚度20～45 m，局部厚度达90 m。

1 根键式钻孔灌注桩钻孔设备

根据桩基所在位置地质条件及结构设计特点，综合比较，选择大扭矩、钻进深度长的性能优越的TRM280型旋挖钻机施工根键式钻孔灌注桩钻孔，配套泥浆泵、泥浆池、空压机、根键顶进设备、泥浆分离器等机械。

2 根键式钻孔灌注桩施工的关键技术及重难点

2.1 旋挖钻机钻孔

钢护筒埋设就位并固定牢固后，测量检查护筒坐标位置，位置偏差满足要求后，旋挖钻机移动到桩位，钻杆抬升调整竖直并锁定，钻杆的垂直度调整符合要求后，用全站仪进行测量校正和钻杆竖直度校正。旋挖钻机发动后，钻杆的偏移量将在钻杆工作画面上实时显示。钻孔进尺速度根据不同的地层确定，在硬塑地层钻进时，采用快转速，以提高钻进效率；在松散的易塌砂层中钻孔，采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。钻机钻斗升降速度过快时，钻头将在钻孔中形成活塞效应，钻斗下部位置形成较大的负压作用，大概率出现孔壁坍塌、缩颈现象，必须控制钻斗的提升速度。在取土负荷状态下，钻斗升降速度≤0.6～0.7 m／s，空斗升降速度≤0.8 m／s。淤泥层施工钻进须提钻慢进尺，每次进尺约0.7 m；淤泥质黏土施工钻进，每次进尺0.4 m；粉质黏土施工钻进，每次进尺0.5 m。清孔一般分两次进行，钻孔深度达到设计深度后进行第一次清孔，第一次清孔满足设计及规范要求后下放钢筋笼。根键安装顶推到位后，下放完导管后再进行第二次清孔。

在孔口泥浆出口处用手触摸孔内抽出的泥浆，无颗粒感觉，泥浆相对密度不大于1.03，含砂率＜2%，黏度17～20 s。测绳前端悬挂平砣在孔壁周围测量孔深，同时采用钢尺对测量绳进行校核。清孔的时间要足够充分，成桩施工前，孔底沉渣厚度、孔内泥浆指标检测结果必须符合规范要求。

2.2 泥浆循环系统

泥浆护壁是维持孔壁稳定不发生塌孔、缩孔的重要手段。泥浆能提供孔壁土体所必须的抗塌力，孔壁的侧向压强与孔内泥浆相对密度大小是成正比关系，相对密度越大的泥浆施加孔壁的侧向压强越大，获得的孔壁“支撑力”越大。泥浆的性能指标关系到护壁的效果。泥浆的相对密度达到一定程度，会造成泥浆泵堵塞，还可能导致“糊钻”而影响钻进效率。适宜的泥浆相对密度既可保证桩孔壁稳定而不塌孔、不缩孔，以确保钻机的高效钻进。

2.2.1 泥浆的制备

钻孔桩施工现场设钢制泥浆池、沉淀池，沉淀池容积为钻孔灌注桩混凝土体积的1.5～2.0倍，设置于两个墩位中间的左右两侧。根据各个墩位的不同地质条件，按最容易发生坍孔的土层进行泥浆的配比试验，试验合格后使用。钻孔施工中根据孔位具体地质结构，采用不同理化指标的泥浆护壁及悬浮钻渣。

2.2.2 钻孔泥浆配制

控制根键式钻孔灌注桩施工的质量、安全、高效的核心和关键工序是泥浆护壁。现场采用PHP泥浆做为钻孔施工用浆，PHP泥浆又称聚丙烯酞胺不分散低固相泥浆，PHP泥浆主要材料为膨润土、聚丙烯酞胺（PAM）、纯碱（Naa C03）和甲基纤维素（CMC）。进行了反复试配，通过各项指标的测试对比，确定优质复合泥浆配合比，膨润土6%～8%，黏土20%，片碱0.3%～CMC0.5%，PHP0.05%，泥浆相对密度为1.25～1.35 g／m3，含砂率4.5%左右，胶体率96.5%，pH值为9.1。淤泥质黏土容易坍塌、缩孔，泥浆相对密度控制在1.23，含砂率控制在4%以内，黏度达到22～24 s。

2.2.3 泥浆护壁搅拌

旋挖钻机为静态泥浆护壁钻进，成孔速度快，钻进时对泥浆性能要求较高。在制作泥浆时，膨润土必须足够充分地水化搅拌，保证浆体均匀一致。为保证膨润土的充分水化，达到最优使用效果，造浆完成静置24 h之后使用。

2.3 钻孔控制

根键式钻孔灌注桩施工过程中，最大程度上发挥根键式钻孔灌注桩的承载效果，关键及重难点主要在于高质量控制孔形。如果成孔的孔形出现扩孔或塌孔，会导致根键顶推到孔壁土层中长度达不设计应有的长度，甚至顶推的根键或将全部或者部分被灌注的混凝土“包裹”，从而导致根键的有效作用全部或者部分“失效”。根键带动周边大范围土体承担上部荷载的功能“丧失”。只要根键式钻孔灌注桩的成孔的孔形没有出现扩孔或塌孔，并且成孔的孔形平顺平整，才能确保根键式钻孔灌注桩有可靠的承载力。见图1。

图1 钻孔成孔扩孔、塌孔孔形示意

2.4 根键施工

2.4.1 钢筋笼设计及根键布置方式

主筋采用16Ф28钢筋，加强箍筋采用Ф28钢筋设在主筋外侧，自身搭接部分采用双面焊。第一道根键设置在距桩顶向下2.0 m处，各层每隔0.8、1.9 m设置一道，环向箍筋采用Ф10钢筋设在主筋外侧。除预留孔位置处外，每0.2 m一道。钢筋笼根键式预留孔尺寸600 mm×750 mm（主筋间距×环向箍筋竖向间距）。

按梅花形布设根键，其截面尺寸为150 mm×150 mm。采用Φ1.6 m长20 m的普通钻孔灌注桩1根作为试验桩进行静载试验，进行2根同直径、同桩长的根键式钻孔灌注桩的静荷载试验，对结果进行对比分析，采用根键长度和布置方式的不同设置2根根键式钻孔灌注桩。选用①根键长550 mm，净间距800 mm，梅花状布置，第一层根键布置在距桩顶向下2.0 m处，每层4个根键，共布置16层，共计64个根键；②根键长550 mm，净间距1 900 mm，梅花状布置，第一层根键布置在距桩顶向下2.0 m处，共布置8层，每层4个根键，共计32个根键；两根桩一共布置108个根键。见图2、图3。

图2 Φ1.6桩基根键立面布置

图3 Φ1.6桩基根键平面布置

2.4.2 根键预制及顶进装置

根键预制场地及存放场地先进行硬化处理，根键钢筋骨架在钢筋加工厂制作，分类编号、悬挂标识牌后堆放在指定区域。根键混凝土采用细石混凝土，采用振动台和X30振捣棒与钢钎配合振捣密实。根键拆模后，根键采用覆盖洒水养生7 d，按“先预制先顶堆、后预制后顶堆”的原则堆放并使用，待根键强度达到设计及规范要求后方能使用。

根键顶进装置由反力架、千斤顶、锥压件组成，与旋挖钻配合进行预制成型的根键顶进施工。顶进装置的反力架由上顶板、滑台和四根竖直的连杆联接而成。四件滑台通过圆形的钢板环形成一体，在钢板环形中间设置十字形的开槽，十字形的槽内用以放置滑块及根键，滑块卡被限制在滑台的卡槽内，只能沿着水面方向作径向移动。锥压件平面为十字形，竖立面为三角锥形结构。上端与千斤顶相连的锥压件放置在滑台的十字形开槽内，在反力架内可轴向移动。滑块的斜坡面与锥压件的斜面相切，当锥压件受千斤顶的压力向下移动时，锥压件的三角锥形斜面向下移动，移动的水平距离由小变大，最大的水平运动距离是三角形的水面直角边。三角锥形斜面向下移动的同时，会对滑块产生向下及径向向外的两分力。作用在根键上将其向外顶出的是滑块径向向外的分力，向下分力作用在滑台上。

2.4.3 根键顶进装置与旋挖钻系统连接

在进行根键顶进施工前，拆除旋挖钻头，安装过油体，再将顶进装置与钻杆连接。过油体上设置有收放线盘，顶进施工时，过油体置于孔外正上方，钻杆下放时，过油体同步下放油管，钻杆提升时，过油体同步收油管，在整个顶进施工过程中，油管保持自然垂直状态，防止油管挂住钢筋笼［3］。顶进装置与钻杆连接时，设置有一个连接头。该连接头一端与钻杆销接，一端与顶进装置焊接。见图4。

图4 旋挖钻与顶进装置连接

根键顶推装置安装连接在旋挖钻钻杆上，根键顶推时要精确调整钻杆位置。旋转钻机旋转到孔外，工人将预制根键塞入顶推口，钻机旋转复位，调整好旋挖钻机的钻杆，将调整回转根键对准钢筋笼上的预留根键顶推孔，钻杆往孔下移动到该层根键高度位置。启动钻液压系统顶推根键，根键顶推完成后，提升钻杆顶推进装置提升至孔外，重复安装根键，按上述相同步骤依次自下至上完成所有根键顶进。在进行根键顶进施工前，调整旋挖钻钻杆位置，使顶进装置位于钢筋笼中心平面位置，防止顶进装置下放过程中剐蹭钢筋笼或同一层根键入土深度不一致。下放顶进装置至孔口，量测4根声测管至顶进装置外侧的距离，前后左右调整旋挖钻钻杆，使其偏差控制在10 mm以内，完成对中。采用人工安装根键至顶进装置。

在根键顶进装置上加置4块限位板，在根键顶进施工时，精确定位根键的平面与竖向位置，保证保证能够顺利顶入钢筋笼预留孔。在根键顶进装置上加置4块限位板，利用钢筋笼根键预留孔两侧声测管作导向进行控制。平面定位时，旋转钻杆进行微调，使顶进装置上的滑槽套入声测管。

竖向位置定位通过旋挖钻钻杆下放深度来控制。钢筋笼制作成型后，以护筒顶面作为垂直方向的控制点，设置水平标高控制线作为竖向深度零点，通过每层根键与护筒顶面的位置关系和水平标高控制线与护筒的位置关系，计算出各层根键相对于水平标高控制线的深度。钻杆自身有测深功能，操作室设置有钻杆下放深度感应装置，下放深度在仪表盘上直接显示钻杆下放深度，同时钢筋笼根键预留口位置安装有磁铁，根键顶进装置上设有磁感应器，装置下到对应位置后，感应装置指示灯亮，确定钻杆下放深度位置准确，从而保证根键能够够顺利顶进。

在根键下放至顶进位置后，启动液压系统，进行根键顶进。当油表压力读数稳定后，且油量不再下降，表示根键顶进到位。根键竖向定位图见图5。

图5 根键竖向定位

3 结 语

在传统桩基施工的基础上提出一种新的桩基施工方法，该方法通过竖向每隔一定距离环向打入预制根键的形式来增加桩基承载力。施工中采用根键顶推装置将预制根键顶推到钻孔侧壁中，待钻孔灌注桩水下混凝土浇筑完成后，预制根键与钻孔灌注桩侧壁组合形成整体，从而有效发挥根键的作用。这对桩基沉降有良好的控制效果，且缩短桩基长度作用明显，材料节省，提高施工进度；尤其对于软土区域提高桩基承载力有明显效果，也为类似工程施工提供了一种新的施工方法。