福建岩土工程勘察研究院有限公司 福建省福州市 350000
摘要：万丈高楼平地起，建（构）筑物的地基基础施工质量合格与否对整个建设项目的使用安全起着至关重要的作用，有些项目桩基础施工由于场地地质水文条件复杂、施工单位重视程度不够产生不合格产品。对一些桩基工程补强很多情况地下室已开挖，此时支护体系内支撑已施工完成，大型设备无法进场施工或因原有桩基础间距过密导致大直径桩基无处安置，这时，设计单位就会考虑采用小直径桩补强，如钢管桩、锚杆桩等。本文对某住宅小区钢管桩补强方案在施工过程中出现的问题进行分析并提出解决方法。
关键词：钢管桩；引孔
前言
佛山市顺德区某小区原基础形式采用预应力管桩，地质较为复杂，持力层面起伏较大，部分承台管桩承载力达不到设计要求，被检测部门定为废桩。第一次补强设计部门采用挖孔桩，经检测因持力层达不到设计要求再次定为废桩，此次为第二次补强，主楼部分采用大直径冲孔桩、地下室部分采用抗浮锚杆、钢管桩进行补强。当地住建局、质量监督部门严重关注该项目的施工质量，建设单位高度重视，此次补强不允许出现施工质量事故。为此，本单位应邀承接此任务。特别说明的是，在我司承接该项目前，已有施工队进行过钢管桩施工，但因种种原因成孔失败，钢管投放不到孔底，被建设单位清场。如此，我司项目部任重而道远。必须攻克难题，迎难而上。
正文：
一、场地地层情况介绍
1、地下室底板以下地层
②-1层淤泥质土：含水率大，孔隙比大，高压缩性，土质不均匀，连续，厚度局部较大。
②-2层粉砂：松散，中压缩性，土质不均匀，局部分布，厚度普遍较大，为地震可液化砂土。
②-3层粉质粘土：可塑，中压缩性，土质不均匀，局部分布，厚度普遍不大。
上述各土层工程力学性质较差，承载力低，未经处理，不应作拟建建筑物的基础持力层。
③层砂质粘性土：中～高压缩性，土质不均匀，局部见孤石夹层，基本连续，厚度普遍稍大，工程力学性质稍好。
④层基岩：全风化~中风化状态，工程力学性质较好，承载力较高，是拟建建筑物较好的基础持力层。但由于受岩石组成成分差异及裂隙发育程度不同等因素影响，风化不均匀局部区域风化层埋深、强度差异稍大或有相对硬夹层。
2、基于地层的复杂性，施工前，我项目部建议建设单位对每根需补桩承台进行施工前勘察，查明地层分布情况，掌握各种不利因素，及时调整施工工艺。补勘表明，基岩层全风化及砂土状强风化花岗片麻岩夹有大量碎石状岩石夹层（孤石），厚度较大且无规律，自承台底5.0m~27.0m均有分布，给施工造成很大困扰。
二、钢管桩设计参数：
1、钢管直径：Φ168，壁厚8mm，桩长不小于26m且进入砂土状强风化花岗片麻岩大于5.0m。
2、成孔直径：Φ250，成孔孔深大于27.0m。
3、钢管桩管内外填充物：水泥浆，水灰比=0.6
4、钢管桩设计单桩承载力标准值：300KN
三、施工中存在问题
本项目钢管桩施工桩长较长，长细比>100。地层复杂，地层分层面起伏很大，夹层、孤石多。在地下室底板施工，场地狭小。主要问题是投管困难。
1、经了解得知：前施工队试桩3根，采用xy-1型地质钻机引孔。成孔直径250mm，孔深29.0m。试桩勉强成桩1根，其它2根钢管均投放不到位成废桩，2根桩中有1根钢管可以拔出，另一根钢管被埋。分析其失败原因如下：
（1）、成孔直径偏小，孔壁平滑度差。
（2）、钻孔不垂直度，成弧形、S形孔。
（3）、孔底碎石渣清理不干净，沉渣过厚
（4）、投管施工时间长，孔内水泥浆已终凝。
2、对钢管投放不到位的分析
1）、钻孔垂直度偏差。单纯线性的钻孔垂直度偏差在钢管桩桩尖作用下对钢管桩投放的影响并非主要影响因素，钻进软硬地层产生弧形孔，S形孔（探头石影响）才是导致钢管桩投放失败的主要原因。
2）、由于钻孔弯曲，钢管投放时在重力作用下受孔壁挤压产生摩擦阻力阻止钢管下沉，在摩擦阻力大于钢管自重时钢管就无法下沉。以下就钢管受孔壁摩擦阻力时产生的挠度进行分析计算，推算最小引孔直径。
假设钻孔产生轻微弯曲，孔体为圆弧，钢管靠自重下沉，钢管自重和钢管与孔壁产生的摩擦阻力相等（如图），此时钢管桩可视为简支梁，钢管桩两端孔壁对其产生压应力Pa、Pb；钢管桩中段压应力Pc，钢管桩两端孔壁对其产生摩擦阻力fa、fb；中段摩擦阻力fc，钢管桩自重g，根据滑动摩擦力的计算公式f=P×μ；在临界状态下：fa+fb+fc=g，fa=fb=1/2fc；此时压应力Pa=Pb，Pa+Pb=Pc。假设钢管桩与孔壁充分润滑、孔壁光滑的情况下摩擦系数μ=0.25则fa=fb=1/4g，fc=1/2g；则Pa=Pb=1/4g/μ；Pc=1/2g/μ，根据简支梁中间受集中荷载的计算公式Wmax=PcL^3/48EI推算出钢管桩中间1/2L处最大挠度35mm。计算结果表明，在临界状态下钢管桩变形较小。理论上Φ168钢管，接头处直径Φ185，引孔直径大于Φ220（185+35）即可顺利投管。
3）、如果钢管桩制作绝对平直，对引孔成孔而言，纯粹的钻孔垂直度偏差在钢管桩桩尖的导向作用下对投管影响并不是主要原因。弧形及S形孔对钢管桩能否投管到位才是致命影响因素。假设成孔直径Φ250，钻孔中段弧高（或探头石进入孔内长度）67.5mm（钻孔直线斜率0.5%），可通过垂直空间182.5mm，略小于钢管最大外径，此时钢管受力变形，挠度小于35mm，（临界值）还是可以顺利投放；假设钻孔垂直度偏差=1.0%（直线斜率），则钻孔中段弧高（或探头石进入孔内长度）130mm，可通过垂直空间120mm，比钢管最大外径小65mm，大于钢管桩在自重作用下的最大挠度35mm，约为2倍。钢管难以靠自重投放，只能借助外力增加钢管挠度。在钢管桩长度、规格型号不变时，钢管挠度与钢管所受压力呈正比（线性关系），钢管挠度增加1倍，此时施加于钢管外力应大于钢管自重3倍（Pc=1/2g/μ），即2557kg，外力不需很大，还是有可能投放到位。如果钻孔垂直度偏差>1.0%（直线斜率），投管则相当困难。
4）通过以上分析，要确保钢管投管顺利，在引孔垂直度偏差（直线斜率）<1.0%情况下，保证引孔直径大于Φ250才能确保投管顺利。我司在本项目试成孔时由于场地原因采用小型100米地质钻机引孔，扭矩小、自重轻、稳定性差、钻杆细，刚度差，在遇到复杂地层（软硬夹层、斜岩、探头石）钻孔垂直度难以保证，加上钢管桩制作平直度也略有偏差，引孔直径约Φ235，在外力帮助下钢管也不能投放到位。
现场试验结果：我司施工队第一个试成孔使用XY-1型轻型钻机钻孔，操作工采用Φ225钻头引孔，投管时最后5米（强风化段）下不去；第二个试验孔使用YH-200型钻机Φ260钻头成孔，成孔直径Φ270，投管顺利。
3、施工设备选型
引孔钻机选型正确与否对钢管桩成孔质量优劣影响巨大，由于地层复杂多变施工场地有条件限制，大型钻机无法展开，钻机选择在满足施工条件时尽量选择较大型号。以下是三种型号钻机的基本参数。
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对比以上三种钻机参数，100型与150型钻机除钻机转速外差别不大，100型钻机转速高扭矩低自重轻，施工中钻机稳定性差，成孔孔壁平滑度低，特别对于复杂地层钻进尤为明显。根据岩石力学理论，钻机自重轻，钻头对孔底岩层产生的压力也小，达不到碎岩钻进效果，只能靠切削岩石钻进，施工效率低，而200型钻机性能相应提高不少，成孔质量大大提高，但市场占有量少，大量召集有困难。为保证施工质量尽快完成施工任务，本项目选用200型钻机进行施工。
四、结论与对策
小直径大长细比钢管桩钻孔引孔对钻孔的垂直度偏差、孔壁的平滑度及钢管桩制作的平直度等施工工艺要求较高，特别在复杂地层施工更应引起重视。首先应详细阅读地勘报告，对地层充分了解，对地层分界面的起伏状况、夹层、孤石的位置、厚度及其上下地层的岩性以及岩石的抗压强度（点荷载强度）进行分析研究；其次，必须使用有经验的钻机操作工，设备选型应根据地质情况慎重选择，应充分考虑引孔钻机的机械性能。对钻机的加压系统加压能力、自重，扭矩大小，钻具的刚度必须充分了解，正确选择引孔设备，这样才能保证引孔质量，顺利投管。
经理论分析结合现场试验证明，在钻孔垂直度偏差（直线斜率）<1.0%，必须保证引孔钻头直径大于Φ260方能顺利投管。
1）、为保证引孔质量，采用YH-200型地质钻机引孔，钻头直径不小于Φ260，粗径导向钻具长度不小于2000mm，直径可略小于钻头直径。
2）、严格控制钻孔垂直度，保证钻孔垂直度<0.5%。
3）、严格控制钢管桩制作质量，接头焊接平直度偏差要求控制在0.2%以内，焊接时用水平尺校正。
4）、增加钢制桩尖起导向作用
5）、严格控制孔底沉渣<50mm。对于孔底残留较大块碎石等岩渣采用钢丝钻具套取，保证孔底清孔质量。
6）、在制作水泥浆时加入缓凝剂，延长水泥浆终凝时间。
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