DJP 复合桩与传统桩型在溶洞地质下的优劣对比

张大伟

(1．中国建筑技术集团有限公司，北京 100000; 2．陕西建工集团有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

随着国内桩基施工技术的发展及国外先进技术的引进，桩基施工技术越发的成熟。但在淤泥质地层及富含溶洞及地下水的一些复杂地层中。或多或少存在施工速度慢，一次成桩率差及充盈系数过大等问题。

目前，在类似地层条件下，普遍采用的传统桩基施工方法为:钻孔灌注桩(以旋挖灌注桩、冲孔灌注桩两类为主) 和预制管桩等，因其施工工艺对地层适用性的差异，引发了许多工程问题。

旋挖桩施工工艺具有原理简单、适用地层广、施工效率高的特点，借助设备作业，无需大量人员施工，在中风化岩层以前(软岩) 施工费用较低。钻到微风化岩层时破岩困难[1-2]。

冲孔桩优点是适用性更广，可以破除微风化岩层。缺点是噪声大、耗水耗能较大、施工速度慢、施工精度低[3-4]。其与旋挖桩只在成孔时存在差异，后续下方钢筋笼及灌注混凝土工序等几乎相近。

而对预制管桩而言，其优点是成桩质量易控制，但无论采用静压或锤击方法成桩，预制管桩都难以进入中风化泥质岩及灰岩，因此无法保证桩端入岩深度。

由于项目桩基施工正值该地区雨季、且雨季时间过长、下雨较为频繁。再者由于现场桩数较多、施工机械及人员较为密集，地质较为复杂，淤泥土较多且地基承载力不足，地下溶洞过多且分布尺寸极不规律。造成现场桩基施工困难，断桩率升高进而造成一次成桩率明显下降，施工工期严重滞后。而且由于溶洞的存在，造成灌注混凝土大量流失。因此如何能提高桩基的一次成桩率、成桩速度及有效降低灌注桩充盈系数进而控制工程成本是本工程的施工重点。

施工方及建设单位一直在寻找有效的解决办法，最终确定采用潜孔冲击高压旋喷复合桩(DJP 复合桩) 来满足现场实际需求。该项目的成功应用，为在淤泥质土层且富含地下水及溶洞的特殊地质下进行桩基作业提供了宝贵经验，也为DJP 复合桩在复杂土层下作业提出了新的尝试。

1 工程概况

1．1 项目概况

本工程为广东省肇庆市某建筑工程项目。该项目原设计锤击桩(低层区) 约为4 879 根。冲孔灌注桩(高层区1 号～10 号) 约为820 根。以场地中轴线对称施工。

桩基参数表如表1，表2 所示，现场桩位分布图见图1。

表1 冲孔灌注桩参数表

表2 预应力管桩设计参数表

图1 现场桩位分布图

根据现场实际施工情况来看，低层区桩基施工采用锤击桩施工大约1 台机械1 d 完成5 根～6 根，但由于地层复杂的缘故，或多或少存在断桩及桩身垂直度差等问题，造成现场补桩作业量较大。

高层区1 号楼采用冲孔灌注桩大约1 d 1 根～2 根(1 台机械) ，且由于泥浆池的设置，一栋单体最多放置3 台冲孔机，极大的限制了场地周转利用率，施工进度较慢。

由于旋挖机机械化程度较高，移动方便。大大的提高了场地周转利用率。为此施工方引进旋挖机对5 号楼采用旋挖灌注桩施工，但旋挖桩相较冲孔桩而言钻进微风化岩层较为困难，且现场持续降雨，大约1 d 3 根～4 根(1 台机械) ，根据最终桩基检测报告来看，冲孔灌注桩和旋挖灌注桩桩身完整性及承载力皆满足要求。冲孔桩单桩竖向静载合格率在95%左右，低应变合格率为96%，旋挖桩单桩竖向静载合格率在93%左右，低应变合格率大约在91%。但由于溶洞的存在，即使在钻进过程中不断回填黄泥及片石封堵溶洞，仍无法有效控制充盈系数，造成混凝土大量流失。据现场统计局部桩孔混凝土流失量已达11 m3左右仍无法封堵溶洞。严重不满足建设方成本要求及现场进度要求。

为此施工方结合本工程地质条件及工程特点，借鉴劲性复合桩[5]工作原理，经建设、施工方多方咨询及多次专家论证，对多种方案进行对比分析结果如下:

1) 中掘植桩法。即在预制管桩中放入螺旋钻杆，将螺旋钻杆伸到管桩底部，钻杆钻头旋挖成孔的同时，管桩随之下沉的植桩工法。工艺较为复杂，技术难度大，且中掘法用于扩底桩施工时，要求钻头能缩能扩，目前国产钻机伸缩钻头容易破损，入岩难度大[6-8]。

2) 旋挖植桩法。即采用旋挖钻机钻孔至硬质岩层设计高程，成孔后浇筑细石混凝土，混凝土初凝前，将钢板封底的PHC 管桩同心植入混凝土中至设计高程，随着PHC 管桩的不断贯入，孔内混凝土沿管桩与孔壁的空隙不断上升填充。混凝土凝固后，PHC 管桩与桩周混凝土结合成劲性复合桩[9]。

由于淤泥质土较为软弱，承载力不足。而且现场降雨较为频繁、持续时间长。旋挖过程中容易塌孔及柔性桩中易混入淤泥和雨水等严重影响外芯混凝土的强度。进而削弱外桩对内桩的防护作用。

3) 钢套管护壁潜孔锤凿岩嵌岩植桩法。主要工序分为凿岩成孔(同时下压钢套管) 、植入预应力管桩、拔出钢套管、锤击管桩成桩等。

该工艺潜孔锤配置一套空压机供气系统，空压机能辅助潜孔锤高效打孔入岩，使预制桩顺利进入硬质岩持力层中。钢套管能很好地起到护壁作用，对软土地层能防止孔壁坍塌。最后通过对管桩进行锤击，消除孔底沉渣对桩端阻力的影响。同时将水泥浆高速喷射至孔壁，形成水泥土外壁。

通过对以上方案的分析比选，最终确定使用“潜孔冲击高压旋喷水泥土外桩+PHC 管桩”的方案。即DJP 复合桩，以满足建设方及施工方成本、进度要求。并且确定对4 号楼开展DJP 复合桩试桩方案。

试桩结果显示DJP 复合桩满足承载力及设计要求。随即开始4 号楼工程桩施工。

1．2 工程地质情况

场地下伏基岩为石炭系(C) 石灰岩。

本次勘察见溶洞119 个，最大洞高16．30 m，钻孔见溶洞率约为52．5%，线岩溶率为30．2%。溶洞多呈串珠状，蜂窝状。大部分呈全充填状态，充填物为软～可塑状粉质黏土、个别为砂卵石，部分溶洞为空洞，钻进过程中局部出现钻具自沉和掉钻现象。

综上所述，场地内的下伏石灰岩中溶洞发育为岩溶强发育区。工程地质剖面示意图如图2 所示。

图2 工程地质剖面示意图

1．3 水文地质情况

根据岩芯观察及钻孔简易水文地质观测，拟建场地内地下水类型主要有上层滞水、孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。上层滞水赋存于填土中，具有弱～中等透水性，富水性差，孔隙水主要为赋存于第四系冲洪积层，水量及水位主要受季节控制。其中细砂、粗砂、卵石层为强透水层，场地内分布连续，水量丰富，其余土层为弱透水层。

岩裂隙水赋存于下石炭系风化基岩中，为基岩裂隙水，视节理裂隙发育情况，具微～弱透水性，富水性差。岩溶水一般不受季节和天气的影响，其水位的升降主要取决于水压的传递。

地下水主要靠大气降水和地下水循环及附近河流补给，排泄方式为蒸发和侧向径流。表层地下水位受季节气候影响，雨季水面上升，旱季水面下降。

总体评价，场地地下水水量相对丰富。

2 技术原理

DJP 复合桩是在不取土的情况下，开动动力头旋动钻杆，向钻杆底部的潜孔锤冲击器提供高压空气及高压水，潜孔锤冲击器在高压空气及高压水的驱动下开始工作，在冲击、振动和高压空气及高压水的作用下，一边破坏土体一边下沉钻进。到达设计标高后启动高压注浆泵，边提升钻杆边喷射水泥浆液。进而对钻杆周围的土体进行二次搅拌和切割。加上潜孔锤释放的垂直高压气流所产生的翻搅和挤压作用，使已成悬浮状态的土体颗粒与高压水泥浆充分混合，形成直径较大、混合均匀、强度较高的水泥土桩[10]。

水泥土外桩施工完成后立即进行管桩施工，采用柴油打桩锤进行沉桩，进而形成DJP 复合桩。现场施工图如图3 所示。

图3 现场施工图

3 设备材料选型及工艺流程

3．1 设备材料选型

本方案桩基采用跳桩法施工，钻进过程采用DJP-90 钻机，空压机2 台，空气量30 m3/min。现场采用型号UPS3-75 和ZB2-100 的两种注浆泵。钢套管型号为Φ720-2 m(壁厚不小于10 mm) ，柴油锤型号为500 t，水泥土外桩采用P．O42．5 普通硅酸盐水泥。水泥浆液比重为1．65，水泥掺量不小于100 kg/m，且水泥土试块抗压强度不小于1． 0 MPa，喷嘴高压水压强为5 MPa ～20 MPa，水泥浆注浆压力为15 MPa ～20 MPa，提升速度0．3 m/min ～0．4 m/min，钻 杆 转 速 为 16 r/min ～21 r/min。喷嘴直径为4．0 mm。

设计水泥土桩直径为700 mm，芯桩采用UHC600-Ⅱ-130-C105，选择桩端持力层为③层微风化灰岩，桩端嵌入持力层深度不小于1．0 m，持力层应为连续厚度不小于5 m 的完整基岩。设计单桩承载力特征值Ra≥4 900 kN。第一节管桩桩端焊接“梯形台十字钢桩尖”。DJP 复合桩设计参数如表3 所示，DJP 桩身及截面大样图如图4 所示。

表3 DJP 复合桩设计参数表

图4 DJP 桩身及截面大样图

3．2 施工工艺流程

施工工艺流程图如图5 所示[11]。

图5 施工工艺流程图

4 施工质量控制

1) 施工机械设备及性能、水泥及外掺剂质量，接桩用材料应符合出厂及设计要求，管桩外观质量应无蜂窝、漏筋、裂缝、色感均匀且桩顶处无空隙。

2) 严格按照设计进行放线定位，在钻机机身位置安放北斗云工作站，以便对桩位进行准确定位，钢护筒宜先轻后重缓慢打入，且桩位放样允许偏差在10 mm 以内。桩尖中心线偏差在2 mm 以内，端部倾斜控制在0．5%D(D为桩径) 以内，用水平尺测量。桩尖板应焊接牢固确保管桩内壁没有浮浆。

3) 钻进过程严格按照设计标准、设计提升速度进行。控制高压注浆泵压力，喷至设计桩顶标高以上500 mm。当遭遇大孤石，必须准确记录孤石上、下界面的位置，在喷射灌浆至孤石上、下界面时，应降低钻机速度，且静喷3 min ～5 min，同时适当加大浆液比重及潜孔锤锤击压力。等待孤石破碎之后继续钻进。注浆泵泵头用细目纱网罩罩住，防止吸入粗颗粒物而堵塞钻头喷嘴。孔口不冒浆或冒浆量少时，应加大浆液浓度，从1．1 加大到1．3左右继续喷射。钻进至溶洞底时，控制好潜孔锤钻进速度，保持“吊打”保证进入下部基岩段的垂直度。

4) 停锤标准按设计标高控制为主，以贯入度控制为辅的原则。预制桩桩端应达到DJP 水泥土桩施工桩底标高，且最后三阵锤的每阵(十击) 总贯入度不大于30 mm，且递减。为防止桩上浮和附近的桩上浮，锤击时将桩锤停留在桩头时间长一些。

管桩对接前，上下端板坡口处应刷至露出金属光泽。焊接时宜先在坡口周围上对称点焊4 点～6 点，待上下桩节固定后拆除导向箍再分层施焊，施焊宜由两个焊工对称焊接。焊好后的桩接头应自然冷却后方可继续锤击施打，自然冷却时间不宜小于8 min，严禁用水冷却或焊好后即打。

5 施工效果检查

5．1 成桩质量方面

最终成桩质量以单桩竖向抗压承载力及桩身完整性为检验标准，桩基施工完成28 d 后对其进行单桩竖向抗压静载检测，并且根据JGJ 106—2014 建筑基桩检测技术规范的要求，按照抽检桩数不应少于总桩数的1%，且不得少于3 根，当总桩数小于50 根时，抽检桩数不得少于2 根的原则。选取3 根桩进行单桩竖向抗压静载检测。最大试验荷载为9 800 kN。检测结果显示仅有1 根桩不满足承载力要求，于是扩大检测发现合格率在93%左右。荷载沉降曲线如图6 所示。

图6 单桩荷载沉降曲线

对工程桩进行桩身完整性抽样检测，测试方法采用低应变法。按照抽检桩数不应少于每个承台桩数的30%，且单位工程抽检总桩数不得少于20 根，每个柱下承台抽检数不应少于1 根的原则。选取41 根进行检测发现桩身完整性合格率为95%左右，满足设计及规范要求。

综上冲孔桩成桩质量最好，继而为DJP 复合桩，其次为旋挖桩。且三者都能满足现场质量要求。

5．2 进度方面

据现场实际来看冲孔桩1 台机械约完成1 根/d ～2 根/d，1 栋单体最多放置3 台，即1 d 最多完成3 根～6 根。旋挖桩1 台机械约完成3 根/d ～4 根/d，而DJP复合桩1 d 约完成7 根～8 根，且移动方便，若作业面足够1 d 预计完成12 根以上。综上DJP 复合桩施工速度最快。

5．3 成本方面

冲孔桩及旋挖桩采用劳务分包模式，冲孔桩单价约242．72 元/m(不含税) ，旋挖桩单价约310 元/m(不含税) 。DJP 复合桩采用专业分包模式，包工包料单价约825．69 元/m(不含税) ，扣除材料费即人工费及机械费等约600 元/m，即DJP 复合桩人工及机械费等单价最高，冲孔桩最低。如若按理论无溶洞考虑DJP 复合桩暂定总价约为220 万元，旋挖桩为约216．7 万元，而冲孔桩约为198 万元。

而灌注桩在钻孔过程中会对孔壁造成一定的冲击作用，产生一定扩孔的现象。且由于溶洞的存在造成灌注混凝土大量流失。而DJP 复合桩主要承载力为预制桩提供。不存在混凝土流失填充溶洞等问题。

因此最终根据现场实际来看DJP 复合桩工程成本最低。

5．4 地层适用性及安全文明方面

由于现场灌注桩需要泥浆护壁，所以现场必须设置泥浆池等循环系统。且正值该地区雨季造成现场泥泞不堪。而DJP 复合桩由于施工工艺的差异，不需要取土和泥浆护壁，植入的都是预应力管桩。且DJP 复合桩的全过程对地层扰动较小，对周围环境的污染降低到了可控范围之内。满足现场安全文明施工要求。

并且DJP 复合桩采取前方潜孔锤不断冲击土层，两边高压水、气不断切削土体，进而大大提高了成孔效率及对复杂地层的适用性。而且形成的水泥土外桩较为柔软，为下方管桩做了坚实的基础，周围水泥土也对管桩起了一定保护作用，增加了管桩与周围土体的摩阻力。相对旋挖及冲孔桩而言地层适用性更广。

6 结语

1) DJP 复合桩在本项目的应用解决了传统静压桩不能入岩及灌注桩在淤泥质土及富含溶洞的地层中孔壁易坍塌、孔底易沉渣、断桩、夹泥、混凝土填充溶洞等问题。充分发挥PHC 管桩桩身混凝土强度高和基岩承载力大的优势，使PHC 管桩真正成为嵌岩桩。

2) 管桩与孔壁间填充水泥土，对管桩起到了有效防护，而且加大了复合桩与周围土体的摩阻力。有效保证PHC 管桩的完整性，桩身垂直度及桩位准确性得到良好控制。

3) DJP 工艺通过高效的钻孔，水泥土护桩，有效的管节对接，防腐，提高了桩基的地层适用性，且施工精确度更高，施工速度更快，现场文明施工程度高。在复杂含溶洞地层下能有效控制工程成本。但由于该工艺需多种机械相互配合，若施工作业面不足，效率将大大降低。