易忠俊武，梁海安，曾 浩，陳麗雯，曹開偉，王 雯

（1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西中恒地下空間科技有限公司，江西 南昌 330013）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及人口的增長，高層建筑不斷增加，其基礎(chǔ)在抗震、形變、承載能力上的要求也越來越高［1］。為了克服建筑物基礎(chǔ)建設(shè)中的困難，工程師通過掘井技術(shù)，研發(fā)了人工挖孔灌注鋼筋混凝土的成樁技術(shù)，灌注樁工藝于 1893 年最早出現(xiàn)。在 1940 年前后，大功率鉆機成功研制，使鉆孔灌注樁最早出現(xiàn)在美國［2］。雖然鉆孔灌注樁不受地層制約、無需接樁和截樁、抗壓且抗拔、受力穩(wěn)、振動小、噪音小、適應(yīng)性強［3］，但它仍然還存在著工藝復(fù)雜、造價高、上部施工和基礎(chǔ)偶爾不連續(xù)、工期較長、難以徹底清理樁底沉渣（虛土）的缺陷［4］。這些缺陷限制了其工程質(zhì)量及承載能力的穩(wěn)定性。因此為了克服這些問題，長螺旋壓灌擴底樁新施工工藝也應(yīng)運而生。為了使長螺旋壓灌擴底樁新施工工藝能得到充分利用，有效地解決樁基施工出現(xiàn)的問題，本文對長螺旋壓灌擴底樁新施工工藝及工程優(yōu)勢進行了詳細的闡述，為長螺旋壓灌擴底樁新工藝的推廣提供參考。

1 普通鉆孔灌注樁施工工藝

鉆孔灌注樁的施工有準備工作、造孔、鋼筋籠制作安裝和混凝土的配置與灌注。

1.1 施工前的準備工作

施工前的準備工作包括布置施工現(xiàn)場、試樁、測量放樣、護筒埋設(shè)和制備泥漿。

在布置施工現(xiàn)場時要注意：①對于場地干旱的施工現(xiàn)場要進行場地除雜與整平、置換軟土和夯實的工作，對于坡度較大的場地要用木排架或者枕木來搭設(shè)工作的平臺［5］；②當(dāng)施工現(xiàn)場為有水的區(qū)域時施工現(xiàn)場要根據(jù)水的深度、流動速度和水底地質(zhì)情況恰當(dāng)?shù)夭捎弥u法、浮動式鉆探船或固定平臺。

1.2 造孔

沖擊鉆孔法、正循環(huán)鉆孔法、沖抓鉆孔法、沖擊反循環(huán)鉆進法和泵吸反循環(huán)鉆進法是進行施工前準備工作常用的造孔方法。為了確保鉆機周正、穩(wěn)定和水平，并保證鉆具能夠?qū)蕼y放的中心進行開孔鉆進，造孔要敷設(shè)枕木和臺板。為了嚴格地控制成孔的質(zhì)量，在造孔時要經(jīng)常查驗孔斜、孔徑和孔型。在造孔時還要注意清孔，減少孔底沉淀層的厚度，確保灌注混凝土的質(zhì)量。

1.3 鋼筋籠制作與安裝

鋼筋籠制作前需要進行除銹和調(diào)直的工作，并對焊接鋼筋進行可焊性和焊接質(zhì)量試驗。根據(jù)設(shè)計的要求在鋼筋籠制作時要確定箍筋的用料長度，并將備用鋼筋切好。鋼筋籠要用大型吊車安裝，且要對準樁孔的中心垂直放入，避免碰撞孔壁。

1.4 混凝土的配置與灌注

配置混凝土要求樁身的混凝土在養(yǎng)護 4 周后凝結(jié)密實，不出現(xiàn)裂縫、蜂窩、空洞和夾層的現(xiàn)象，水泥和鋼筋黏結(jié)緊密，無鋼筋暴露。一般采用導(dǎo)管灌注法進行混凝土的灌注。

1.5 鉆孔灌注樁的缺陷

雖然鉆孔灌注樁能解決樁基施工中出現(xiàn)的部分問題，但它還具有成樁質(zhì)量差、成本高、施工效率低、單樁承載力低等缺陷，且不適合在有大粒徑的卵漂石的地層中施工。

1）鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量低，在成孔成樁過程中，會對殘留的沉渣或者持力層產(chǎn)生擾動。鉆孔灌注樁工藝復(fù)雜、施工工序多、技術(shù)標(biāo)準高且施工較困難。在施工管理不完善或者發(fā)生突發(fā)事件時，很容易引發(fā)如樁底沉渣過厚、縮徑、斷樁、孔底虛土和混凝土分層的問題。這些都會影響成樁質(zhì)量，造成成樁質(zhì)量較差。

2）鉆孔灌注樁不僅要遭受打擊和吊裝搬運，還需要大量的大型機械投入?？紤]成樁時可能出現(xiàn)如縮徑、樁底沉渣過厚、斷樁和混凝土分層的問題，所以必須要做大量的質(zhì)量檢測工作，以確保樁的質(zhì)量，但在這過程中要耗費大量人力和物力。

3）鉆孔灌注樁一般樁徑較小，單樁承載力低。在鉆孔機械進行鉆孔時，會受到地質(zhì)條件的影響發(fā)生井孔縮徑的現(xiàn)象，這將會對樁基承載性能造成決定性的影響，甚至使單樁承載力大大降低。

4）在灌注過程中，由于受到場地條件和器械的限制，鉆孔灌注樁灌注的整個施工過程需要滿足國家規(guī)范及地方相關(guān)標(biāo)準的要求。例如，在灌注時，沒有相應(yīng)保護層的保護，鋼筋籠會出現(xiàn)斷樁。要想在實際工程避免這樣的情況出現(xiàn)，對施工以及施工人員的要求都很高，從而降低了施工效率［6］。

5）鉆孔灌注樁在卵漂石層中鉆進困難，不適合在此類地層中施工。鉆孔灌注樁在類似的條件下施工時，會導(dǎo)致鉆孔側(cè)壁坍塌、鉆進不進尺、卡鉆、鉆孔傾斜偏移和超挖的問題［7］。

2 長螺旋壓灌擴底樁新施工工藝特點

與普通鉆孔灌注樁施工過程相似，長螺旋壓灌擴底樁施工過程包括：施工準備、測量放線、鉆機等機械就位、鉆孔到設(shè)計標(biāo)高、高壓旋噴注漿擴底、混凝土泵送壓灌（提拔鉆桿）、振動沉入鋼筋籠和成樁檢驗。為了解決鉆孔灌注樁的部分缺陷，長螺旋壓灌擴底樁在施工過程中增加了同步技術(shù)、特制擴底鉆頭擴底技術(shù)、壓力灌注、振搗插筋逆作法和鉆孔成樁一體化的新施工工藝。

2.1 同步技術(shù)

同步技術(shù)是在長螺旋壓灌擴底樁鉆進施工時嚴格控制鉆桿的轉(zhuǎn)速和升降速度，保證鉆桿每旋轉(zhuǎn)一圈，鉆桿下降或提起一個螺距的距離。

通過同步技術(shù)，能有效控制鉆速，防止鉆孔速度過快、空鉆較多、孔中水壓不夠、土層壓力擠壓和孔壁平衡破壞的現(xiàn)象。與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，同步技術(shù)能有效解決樁基施工中出現(xiàn)的傾斜過大、斷樁、偏移和鉆孔偏斜等問題。

2.2 特制擴底鉆頭擴底技術(shù)

當(dāng)鉆頭下降到預(yù)定的位置時，采用最低檔速度，甚至是時放時停的進鉆狀態(tài)，緩慢打開液壓供油閥（打開液壓閥供油時，不可一次性完成，可以分 5 次進行），直到鉆頭的擴孔器完全張開。然后保持低轉(zhuǎn)速和擴孔器的張開狀態(tài)來擴孔旋挖，形成擴大頭。與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，特制擴底鉆頭擴底技術(shù)能夠減少對樁基周圍土體的損傷，大大提高樁基的承載力。

2.3 壓力灌注

鉆孔施工完畢后，鉆桿緩緩提升，同時通過中空的鉆桿泵送混凝土拌合料，迅速填滿因鉆桿提升而產(chǎn)生的狹小空間。由于空間密閉，泵出壓力通過流動的混凝土拌合料傳遞到鉆孔內(nèi)壁，會在樁周土產(chǎn)生一定的圓孔擴張，或泵出的水泥漿會膠結(jié)樁周的砂和卵石，使其樁土結(jié)合效果更好。與長螺旋壓灌擴底樁的壓力灌注相比，傳統(tǒng)樁基灌注過程中未形成密閉空間，混凝土拌合料的圍壓為零。一般來講，長螺旋壓灌擴底樁的壓力灌注的壓灌壓力大于長螺旋鉆機的最大機體高度×混凝土的容重，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般控制在 2 倍左右。

壓力灌注對土體產(chǎn)生強力的擠密作用，泵送高壓混凝土?xí)r對土體進行滲透擴散，擴大了樁側(cè)接觸面積，擠密作用提高了地基土的承載力并加固了樁周土。與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，壓力灌注能更好地解決樁基施工產(chǎn)生的塌孔問題。同時，壓灌的泥漿有強大的攜帶樁底沉渣的能力，能夠沿著螺旋結(jié)構(gòu)將樁底沉渣快速排出。因此壓力灌注能夠有效解決因普通鉆孔灌注樁施工工藝清孔不徹底、泥漿質(zhì)量不好，比重小導(dǎo)致的樁底浮渣、難以將浮渣帶出的問題。

2.4 振搗插筋逆作法

在灌注完畢后，將由鋼管和振動器組成的插筋器插入鋼筋籠內(nèi)部，鋼管須抵在同心錐狀的鋼筋籠底部以便傳遞振搗力。插筋時，振動器的振動荷載通過鋼管傳遞到鋼筋籠底部，鋼筋籠以下拉的方式被插入到尚未凝結(jié)的混凝土樁體中。螺桿樁先灌注混凝土拌合料后振動插筋，傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁先吊放鋼筋籠再灌注混凝土拌合料。因此，振搗插筋逆作法相對普通鉆孔灌注樁施工工藝而言能夠大大提高樁的單樁承載力，解決樁承載力低和樁身混凝土分層的缺陷。

2.5 鉆孔成樁一體化

螺桿樁機每次下鉆時施工一個鉆孔，提鉆時立即對該鉆孔灌注混凝土拌合料，將先鉆孔后灌注成樁兩步工藝變?yōu)殂@孔成樁一體化。因此與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比，鉆孔成樁一體化的施工速度更快，樁基施工質(zhì)量更好。

3 長螺旋壓灌擴底樁的工程優(yōu)勢

3.1 成樁質(zhì)量好

長螺旋壓灌擴底樁的混凝土是從鉆桿中心向孔中壓入，相對于普通鉆孔灌注樁來說材料比較密實［8］，因此發(fā)生縮頸和斷樁的情況較少；且由于樁孔周圍的土體受到擠密，長螺旋壓灌擴底樁不易引發(fā)坍孔、地表隆起、縮徑的現(xiàn)象，與普通鉆孔灌注樁相比，長螺旋壓灌擴底樁成樁質(zhì)量較好。

3.2 經(jīng)濟性好

長螺旋壓灌擴底樁施工是由鉆機直接調(diào)入鋼筋籠。只需鋼筋籠插入機械和長螺旋鉆機作為主要設(shè)備，施工便捷，投入的大型機械少，且無需搬運吊裝，因此配筋率要求相對較低。數(shù)據(jù)表明：配筋率約為 0.8 % 是預(yù)制錘擊沉樁的最低要求，靜力樁為 0.4 %，長螺旋壓灌擴底樁配筋率可低至 0.2 %［9］。同時可根據(jù)建筑物的等級和荷載僅沿深度變截面配筋或在樁上部配筋。所以，在不包括因不致發(fā)生斷樁和不需要承臺的情況，樁預(yù)制樁的鋼筋約為長螺旋壓灌擴底 0.5～0.7 倍。如今我國每立方米預(yù)制樁約為灌注樁樁身混凝土造價的 1.5 倍。所以與普通鉆孔灌注樁相比長螺旋壓灌擴底樁具有更高的經(jīng)濟性。

3.3 單樁承載力高

長螺旋壓灌擴底樁采用高壓旋噴注漿擴底工藝，不但使孔底殘渣被高壓水泥漿旋噴處理后由長螺旋鉆桿葉片帶出地面的同時形成擴大頭空腔，而且在隨之泵壓灌注混凝土中擴大了混凝土樁端直徑，有效地提高了樁端阻力，也極大幅度地提高了單樁承載力特征值。由于采用壓灌的方法成孔，長螺旋壓灌擴底樁孔鄰近的土側(cè)摩阻力較高，其抗拔力和承載力也有所提高，穩(wěn)定性和形變都比較理想。根據(jù)試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)表明，在樁頂沉降、樁徑和樁長相同時，直樁的樁頂荷載是擴底樁的1/4～1/6；在樁頂荷載相同時，直樁樁頂沉降是擴底樁的15～25 倍。每多用 1 m3混凝土，擴底樁極限承載力就會增加 1 746 kN［10］?？偟膩碚f，與普通鉆孔灌注樁相比，長螺旋壓灌擴底樁承載力更大，沉降更小，且單樁承載力更高。

3.4 施工效率高

長螺旋壓灌擴底樁鉆孔強，成孔成樁無間斷，操作簡捷、施工快、工期短。長螺旋壓灌擴底樁鉆孔采用鉆機，到達目標(biāo)深度后提鉆、灌注混凝土和放鋼筋籠振搗成樁，成孔、成樁無間斷完成。一般來說，20 m 長的孔樁每天約能完成 15 根。因此與普通鉆孔灌注樁相比，長螺旋壓灌擴底樁施工效率更高。

3.5 適用性好

長螺旋壓灌擴底樁不但可以用于黏性土、填土和粉土的地層，還可以用于軟土和地下水位高的地質(zhì)條件［11］。普通鉆孔灌注樁對于土質(zhì)松軟的土，會出現(xiàn)泥漿護壁效果不好、空鉆多、孔壁平衡破壞、局部孔壁坍塌和夾泥的現(xiàn)象。且在存在眾多粒徑較大的漂石和卵石的地層條件下施工時，常會出現(xiàn)鉆孔側(cè)壁坍塌、鉆進不進尺、卡鉆、鉆孔傾斜偏移和超挖的問題。因此與普通鉆孔灌注樁相比，長螺旋壓灌擴底樁適用性更好。

4 長螺旋壓灌擴底樁新舊施工工藝對比

此次研究表明，長螺旋壓灌擴底樁施工與普通鉆孔灌注樁相比具有成樁質(zhì)量好、施工效率高、經(jīng)濟性好、單樁承載力高、適用性好的工程優(yōu)勢，新施工工藝與普通鉆孔灌注樁施工工藝相比可有效改進以下工程問題。

1）長螺旋壓灌擴底樁的同步技術(shù)能更有效解決樁基施工中出現(xiàn)的傾斜過大、斷樁、偏移、鉆孔偏斜等問題；

2）特制擴底鉆頭擴底技術(shù)能夠減少對樁基周圍土體的損傷，大大提高樁基的承載力；

3）壓力灌注能夠更有效地解決清孔不徹底、泥漿質(zhì)量不好、比重小導(dǎo)致樁底浮渣和難以將浮渣帶出的缺陷；

4）振搗插筋逆作法能夠大大提高樁的單樁承載力，解決樁基施工中出現(xiàn)的樁基承載力低和樁身混凝土分層的缺陷；

5）鉆孔成樁一體化更加提升了施工速度，保證了樁基施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

本次研究主要論述和總結(jié)了長螺旋壓灌擴底樁相比于普通鉆孔灌注樁在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢，后期將主要以長螺旋壓灌擴底樁的力學(xué)特性為研究核心，設(shè)計試驗方案并展開室內(nèi)模型試驗，完善長螺旋壓灌擴底樁技術(shù)，有助于長螺旋壓灌擴底樁在工程中的應(yīng)用與推廣。Q