王海亮1, 陈俊俊2,3, 卢永红2, 魏伟2, 冷凯凯2, 王立兴3
1.武汉城市铁路建设投资开发有限责任公司 湖北 武汉 430071;
2.武汉市汉阳市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430050;
3.中国地质大学 工程学院， 湖北 武汉 430074
摘要：本文以武汉月亮湾城市阳台工程基础施工为例，对不同桩型在临江富水地层中的适应性从成桩难易程度、承载能力、施工对环境的影响三个方面进行了对比分析，选取长螺旋钻孔灌注桩作为工程桩型，对施工工艺进行了优化，最终通过成桩试验表明该桩型可以满足工程需求，达到了压缩工期、节约成本、减少环境污染的目的，提高了工程的综合效益，为今后的工程提供借鉴意义。
关键词：长螺旋钻孔灌注桩；充盈系数；质量控制
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
Causes and control measures for excessive filling coefficient of long spiral bored pile
WANG Hai-liang1, CHEN Jun-jun2,3, LU Yong-hong2, WEI Wei2, LENG Kai-kai2, WANG Li-xing3
(1. Wuhan Urban Railway Construction Investment & Development Co., Ltd, Wuhan, 430071, China; 2. Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co., Ltd, Wuhan 430050, China; 3. Faculty of engineering，China university of geosciences，Wuhan，Hubei 430074)
Abstract: This paper introduces the definition and calculation method of concrete filling coefficient of long spiral bored pile. Taking Wuhan Yueliangwan City balcony project as an example, the paper analyzes the main influencing factors of excessive concrete filling coefficient, and gives the methods and measures to control the excessive filling coefficient, so as to provide reference for future projects.
Keywords: Long spiral bored pile; filling coefficient; quality control.
1引言
近几十年来，桩基础作为一种古老而又常见的基础形式，经过大量的工程实践应用与创新再发展，无论在理论技术还是工程实践都已经发生了巨大的变革与进步[1]。但是随着社会的进步，高层大体量建筑、深海临江高难度建筑不断涌现，对桩基设计与施工提出了更高的要求[2]。目前桩基类型从成桩形式上主要分为预制桩和灌注桩两类桩型，但施工工艺却层出不穷，大量的工程实践表明，因地制宜，采用适当技术手段不但能够适应工程技术安全的要求，对于节约工程成本缩短工期也具有重要意义[2,3]。本文以武汉月亮湾城市阳台工程桩基础施工为例，对桩基适应性进行研究及优化。
2工程概况
2.1项目概况
本工程为月亮湾城市阳台工程，位于武汉市武昌滨江商务区，临长江岸线约1100m，南北长约900m，用地面积约12.93万m2，包括平台景观和平台层以下建筑两部分。该工程平台为地上一层钢筋混凝土框架结构，楼盖为现浇钢筋混凝土梁板结构，平台标高约为6.0m，平台工程结构嵌固端为基础顶面。基础形式拟采用桩基础形式。
2.2场地地层构成
根据详细勘察阶段勘察报告可知，本工程场地地层主要以黏土、粉土、砾岩等组成，地层相对稳定，本工程场地地层自上而下可分5层，如表1所示：
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2.3场地水文条件
建筑场区属于长江一级阶地，场地地下水主要为赋存于填土层中的上层滞水、潜水、下部砂土层中的承压水及基岩裂隙水。
上层滞水：填土中的地下水呈上层滞水特性赋存于上部填土层中，勘察期间测得其上层滞水水位埋深为0.50-2.80m，年变化幅度1m-3m。
潜水：赋存于②层粉土夹粉质黏土分布区域，该层与填土直接连通，潜水补给来源主要为大气降水、地表排水和长江水系。
承压水：赋存于③、④层中，其上覆一般黏性土层可视为其隔水顶板。④层粉细砂可视为强透水层，且场区承压水与长江水有水力联系，互相补给，勘察期间测得场地承压水水位位于地表下7.6～8.0m，年变幅5～7m。
基岩裂隙水：主要赋存于基岩裂隙中，补给方式主要为上覆含水层的下渗补给，具承压性；因场区基岩岩质较软，基岩裂隙多为密闭型或被泥质充填，基岩裂隙水贫乏。
3桩基设计要求
该月亮湾城市阳台工程建（构）筑物各结构单体工程桩要求单桩竖向承载力特征值为1100kN。
建筑场地正好处于武汉地铁7号线和8号线隧道上方，根据相关标准要求[4]，并结合本工程实际情况要求变形控制地铁隧道水平位移在10mm以内，竖向沉降值在10mm以内，变化速率<1mm/d，因此桩基设计应尽量避免对地铁隧道造成过大影响。
4桩基适应性分析
目前桩基类型从成桩形式上主要分为预制桩和灌注桩两类桩型，针对该工程场地的工程地质条件，从成桩难易程度、桩基承载能力、成桩对环境影响三个方面对预制桩和灌注桩两类桩型的适应性进行对比分析如下。
4.1成桩分析
预制桩（预应力管桩或方桩）通常采用静压沉桩或锤击振动沉桩，一般桩径较小，持力层不能选择坚硬岩层，否则沉桩会破坏桩头的；本工程项目若采用管桩基础，由于本场地砂层厚度大且密实，局部夹有少量卵砾石，部分地段砂层中尚存在透镜体软弱夹层，并且该场地距离长江较近，地下水位高，可能会造成沉桩困难。
钻孔灌注桩可以采用旋挖钻孔灌注成桩或长螺旋钻孔灌注成桩，一般桩径较大，可以打入砾岩层，并且可以水下注浆成桩。但因该场区砂层厚度大，第⑤层砾岩中局部粒径较大且质地坚硬，桩基施工时应充分考虑场地的地质条件，制定切实可行的钻孔灌注桩施工方案，在成孔时应根据桩周土层不同的土性合理配制浆液比重，控制好桩周泥皮厚度，防止塌孔现象且确保桩侧阻力能够充分发挥。
4.2承载力分析
根据各地层的岩性条件、物理力学性质，依据湖北省地方标准[5]确定的本场地各地层的桩基设计参数如表2所示。
表2 桩基设计参数表
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根据桩基规范[6]，单桩竖向承载力特征值按照公式（1）进行计算：
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式中：Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）；
Ap—桩底端横截面面积（m2）；
qpa、qsia—桩端阻力特征值、桩侧阻力特征值（kPa）；
up—桩身周边长度（m）；
li—第i层岩土的厚度（m）。
根据本建筑结构特征及场区地层情况，建筑地基拟采用钻孔灌注桩或预应力管桩，持力层分别选取⑤砾岩层和④粉细砂层作为桩端持力层，采用勘探孔ZK21和ZK125的地层数据，结合公式（1）分别进行单桩承载力估算，结果如表3所示。从表3的计算结果可以看出钻孔灌注桩相对于预制管桩有较好的承载能力。
4.3成桩对环境的影响
管桩施工速度较快，操作程序简单，成桩质量易于控制，有利于现场文明施工。但预应力管桩属挤土型桩，该工程场地面积达到12.93万m2，预计桩基用量5000余根，若采用预制桩施工势必会造成很大的挤土量，可能会对附近武汉地铁7号线和8号线隧道沉降和水平位移造成过大的影响。
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钻孔灌注桩适应各种地层，无挤土效应，不会对武汉地铁7号线和8号线隧道沉降和水平位移造成过大的影响，缺点是施工中可能会产生泥浆排放污染环境，不利于文明施工。本场地地处繁华闹市区，为确保周边环境干净整洁，在施工时应做好泥浆的排污处理工作。
5桩基选型与优化
5.1桩型初选
经过对该场地地层的分析以及对预制桩和灌注桩两种桩型的适应性和承载能力的综合比较，对于该临江富水地层选择灌注桩更为适宜。为了避免大量的泥浆排放污染环境，拟选取长螺旋钻孔灌注桩进行施工。
长螺旋钻孔灌注桩是由日本的CIP工法演变而来的，与普通旋挖钻孔灌注桩不同，它采用专用长螺旋钻孔机钻至预定深度，通过钻头活门向孔内连续泵注超流态混凝土，至桩顶为止，然后插入钢筋笼而形成的桩体，不受地下水位限制，所用混凝土摩擦系数低，流动性强，骨料分散性好，所用螺旋钻机即可钻孔又可压灌混凝土，操作简便，混凝土灌注速度快，成桩质量好，造价较低，并且不需要泥浆护壁不用排污，既可以解决预制桩在该场地承载力不足和沉桩困难的问题，又可以解决旋挖钻孔灌注桩会产生泥浆不环保的问题。
5.2施工工艺优化
为验证长螺旋钻灌注桩在该场地的成桩效果，针对本工程场地工程地质条件，对长螺旋钻孔灌注桩的施工工艺进行优化，施工工艺流程图如图1所示：
（1）定位放线
根据平面控制点和高程控制点，在施工区域内布置并测设施工基线和水准点。在基准桩上标明桩位编号，施工时可用此基准桩对相邻桩位进行复核。
（2）钻机成孔
钻机就位后及时调整钻机位置，保证钻具垂直，并将钻头锥尖对准桩位中心。钻进过程中应先慢后快，成孔作业人员应随时检查钻具成孔时的垂直度，发现偏斜及时进行调整，以保证钻孔的垂直度。桩长范围内存在容易造成桩身混凝土串孔的土层时，宜采用隔桩施工。
（3）压灌成桩
当钻机钻孔达到要求深度后，停止钻进，同时启动混凝土输送泵向钻具内输送高流态混凝土，严禁先提管后泵料。成桩时的拨管速度控制在2～3m/min，压灌成桩过程中提钻与输送桩料应自始至终密切配合，混凝土泵料斗内的混凝土面高于料斗底面的高度不应小于400mm。压灌成桩必须一次连续灌注完成，桩顶标高应高于设计桩顶标高0.5m。
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图1 施工工艺流程图
（4）钢筋笼制作及植入
钢筋笼底部制作成尖状，设计有加强构造，如图2所示。改造桩机，将长螺旋施工灌注与下钢筋笼一体化，混凝土灌注后三分钟内立即开始插笼，减少时间差，减小插笼难度。钢筋笼植入过程中，首先依靠钢筋笼与振动植入装置的自重缓慢植入，当依靠自重不能继续植入时，开启振动装置激振，使钢筋笼下沉到设计标高，整个过程钢筋笼中心应对准桩位中心，并严格控制钢筋笼的垂直度。
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图2 钢筋笼底部加工示意图
（5）桩基检测
灌注混凝土桩施工完毕28天后进行检测，由专业检测单位进行检测试验，桩身完整性检测合格后，进行将在试验检测基桩承载力。
6试桩结果
依据以上施工工艺，在该场地进行了四根长螺旋钻孔灌注试桩施工，设计桩径600mm，桩长27m，混凝土强度等级C35（水下混凝土），各试桩检测结果如表3所示。
根据以上试桩结果，根据波速和桩身完整性检测结果可以看出，按照上述施工工艺，长螺旋灌注桩在该工程场地的成桩质量良好，另外根据静载试验结果，可以计算出四根长螺旋灌注桩的单桩极限承载力均值为2625kN，为设计单桩竖向承载力特征值1100kN的2.3倍，能满足设计承载力要求。
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7结论
本文以武汉月亮湾城市阳台工程基础施工为例，针对不同桩型在临江富水地层中的适应性，从成桩难易程度、承载能力、施工对环境的影响三个方面进行了对比分析，最终选取长螺旋钻孔灌注桩作为工程桩型。
针对该场地的工程地质条件，对长螺旋钻孔灌注桩的施工工艺进行了优化设计，并进行了四根长螺旋钻孔灌注桩的成桩试验，通过检测试验桩的桩身质量和基桩承载力，判定以上桩型选择是可行的，可以满足承载力设计要求，也达到了压缩工期、节约成本、减少环境污染的目的，提高整个武汉月亮湾城市阳台工程的综合效益。
参考文献
[1]张磊. 某电厂主要建（构）筑物桩基设计不同桩型对比分析[D]. 邯郸: 河北工程大学, 2016.
[2]蒋孙春. 基于南宁典型地层组合模型长螺旋钻孔压灌桩与螺纹桩的适用性研究[D]. 南宁: 广西大学, 2017.
[3]马文明, 潘剑辉, 王新颖. 桩型选择程序与方法[J].黑龙江水利科技, 2005, (02):50-51.
[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. CJJ/T 202-2013 城市轨道交通结构安全保护技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013. [S].
[5]湖北省建设厅. DB42/269-2003 建筑地基基础检测技术规范[S]. 北京: 人民交通出版社股份有限公司, 2003.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 94-2008建筑桩基技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008..