鉆孔灌注樁承載力現(xiàn)象的分析與新型灌注樁的發(fā)展

1、鉆孔灌注樁承載力異常現(xiàn)象分析與新型灌注樁的發(fā)展樓曉明1、前言12、鉆孔灌注樁極限承載力異常的工程實例13、產生鉆孔灌注樁極限承載力異?，F(xiàn)象的原因84、新型灌注樁125、應用實例166、結語191、前言 鉆孔灌注樁在上海地區(qū)的使用與發(fā)展經歷了一個曲折的過程。 從60年代開始，早期由于施工工藝落后，與打入樁比較，單位摩阻力明顯偏低，鉆孔灌注樁的使用較少，只在橋梁樁基礎應用較多； 80年代以后，由于施工工藝的改進，如兩次清孔、改善孔壁形狀及穩(wěn)定性等措施，使單樁極限承載力有了明顯的提高，開始用作建筑樁基。鉆孔灌注樁的應用規(guī)模越來越大，但施工隊伍還較少。 90年代以后，施工隊伍迅速擴大，施工技術，管理水

2、平參差不齊，承載力出現(xiàn)異?，F(xiàn)象仍較多。對泥漿護壁鉆孔灌注樁受施工因素影響較大的局限性認識進一步加深，新樁型陸續(xù)出現(xiàn)。2、鉆孔灌注樁極限承載力異常的工程實例2.1 實例1南通國際大廈工程該工程進行過兩次單樁靜荷載試驗。第一次進行3組試驗（編號分別用A、B、C表示），均未達到設計要求，且各試樁結果差異很大。分析后認為這種狀況與施工設備及工藝不合理有關。第二次進行了兩組試樁的靜荷載試驗（編號14#、59#）。上述試樁的5組Qs曲線見圖1所示。圖1、南通國際大廈試樁的5組Qs曲線圖1、國際大廈A試樁的qs曲線圖1、國際大廈C試樁的qs曲線2.2 實例2上海新地大廈該工程進行過三次靜荷載試驗。第一次試驗

3、2組（編號：B1-1、B2-1），均未達到設計要求；第二次試壓在第一次試壓個月后進行，B1-2、B2-2測得的Qu值有較大提高；第三次試驗為2組試樁（編號：S1、S2），是在更換了施工單位之后重新施工的，規(guī)格不變。 圖2、上海新地大廈試樁的6組Qs曲線2.3 實例3上海浦東華昌大樓 該工程的試樁有2組（編號：89#、79#）。89#試樁的Qu值只有設計值的40%，第二天進行復壓，承載力更低，對該試樁進行低應變動測檢驗，樁身混凝土質量卻連續(xù)完整。后查閱施工記錄發(fā)現(xiàn)，該試樁在成孔到28m深左右，曾移機約67天停止鉆進，然后再繼續(xù)成孔到完成該試樁。同樣工程中另一組試樁（79#試樁）的Qu卻能滿足設計

4、要求。圖3、上海浦東華昌大樓試樁的3組Qs曲線2.4 實例4上海廣電大樓 該工程進行過兩次靜載試驗。第一次進行3組（編號：1#、2#及3#），均未能滿足設計要求。清孔方式采用反循環(huán)施工，樁端持力層為第3層草黃色粉砂。第二次試樁又進行了2組，其中1組為第一次試樁的3#試樁，經過第一次試壓（稱為3#-1），樁端向持力層土中壓入了約0.21m。另一組4#試樁為重新制作的鉆孔灌注樁，其規(guī)格基本不變，唯清孔方式采用正循環(huán)施工。上述試樁的5組Qs曲線見圖6所示。圖4、上海廣電大樓試樁的5組Qs曲線2.5 實例5上?；春４髲B該工程也進行過兩次試驗。第一次試樁有2組（編號：1#、2#），2#試樁加載到5600

5、kN，未呈現(xiàn)破壞跡象，1#試樁在加載至3600kN時，樁頂突然急劇下沉，千斤頂無法穩(wěn)定荷載。1#試樁開挖周圍土體后，發(fā)現(xiàn)樁身在泥面下2.0m左右處發(fā)生45°剪切破壞面，鋼筋均被剪斷，這一位置正好是試樁樁身與以后澆筑的樁帽聯(lián)結處，樁身混凝土質量差夾有泥塊引起樁身材料破壞。第二次試驗也有2組試樁，第一組為1#試樁鑿去夾泥的樁身混凝土，重新接高后進行試壓（編號：1#-2），第二組為另設的試樁（編號：3#），上述4次試樁的Qs曲線見圖5所示。 圖5、上海淮海大廈試樁的4組Qs曲線2.6 實例6上海北外灘花園該工程對1組試樁進行了兩次試驗。該試樁（SZ1-1）加載到5400kN也未呈現(xiàn)破壞跡象

6、，較按規(guī)范計算的單樁極限承載力標準值高30.7%。分析該試樁的樁身軸力，發(fā)現(xiàn)該試樁的第一第二層元件（Dl=9.2m）之間的樁側摩阻力Qu107.9kPa，而其下部的樁側摩阻力Qu12.9kPa。將該試樁的淺部開挖，發(fā)現(xiàn)該試樁在地表下約1.02.0m范圍內與場地的原有十字交叉基礎粘結在一起。對該試樁樁身與十字交叉基礎的相連部分割斷之后，再進行一次試驗（SZ1-2）。2次試驗的Qs曲線見圖6所示。圖6、上海某工程試樁的2組Qs曲線3、產生鉆孔灌注樁極限承載力異?，F(xiàn)象的原因3.1 施工機具類型通常認為，鉆孔灌注樁的孔壁形狀應有一些小的變化，呈鋸齒形，應避免鉆孔過于平直、光滑。尤其是以砂、粉土類土為主

7、的地層中，選用合適的、鉆進過程有些晃動的鉆機（例如：300型鉆機）顯得比較合適。雙腰帶鉆頭導向性能好、鉆進平穩(wěn)，容易保證鉆孔的垂直度，單腰帶鉆頭導向性能相對較差，在鉆進過程中鉆桿有晃動現(xiàn)象。如果形成的孔壁比較平直，孔壁上因造漿護壁附有泥皮的情況下，樁土之間接觸面抗剪強度明顯降低，導致樁的極限摩阻力顯著下降。形成的孔壁比較粗糙，由于水下混凝土與土之間的咬合作用，使得樁側極限摩阻力較高。3.2 成孔時間正常的鉆孔灌注樁施工應盡快完成該樁的成孔工作，成孔后應盡快澆灌樁身混凝土，施工過程中發(fā)生人為或意外故障或停頓，均會使鉆孔灌注樁的承載力發(fā)生損失。因為鉆孔灌注樁為非擠土樁，成孔后由于孔壁側向應力解除，

8、孔壁自由面勢必向臨空面位移變形，孔壁周圍土出現(xiàn)松弛效應，從而影響各土層的極限摩阻力，成孔時間越長，松弛效應越明顯；另一方面，由于成孔時間越長，孔壁泡水軟化現(xiàn)象就越嚴重，同樣影響摩阻力正常發(fā)揮。3.3 護壁方式 投放粘土是為了提高成孔過程中自然造漿的泥漿性能。粘土投放后能使砂、粉土類土的孔壁保持穩(wěn)定，但含粘土量過高的泥漿，在成孔孔壁形成過厚的泥皮往往使混凝土與孔壁之間增加了潤滑劑，大大降低了樁側摩阻力值。福建某工程的4根試樁，設計樁徑為1000mm，設計標準值為5500kN，設計樁長為62m。清渣后實測的泥漿比重，S1、S2、S3、S4分別為1.25、1.23、1.13、1.15，靜載試驗得到的

9、單樁極限承載力分別為4000、7000、11000kN、11000kN。在地下室開挖時，可以看到S1、S2樁樁周為一層厚度較大泥皮所包裹，而S3、S4樁樁周土層與樁身混凝土較好地接觸。證實了泥漿比重大，必將使泥皮厚度增大，影響樁側土層摩阻力正常發(fā)揮。3.4 清孔方式 由于反循環(huán)清孔方式在上海實踐機會還不多，這里很難給它作出合理的評價；有可能時，宜對反循環(huán)清孔方式作進一步的試驗、研究；在其他地區(qū)（如福建），當樁端持力層為碎石、礫石、巖石時反循環(huán)鉆孔或清渣被認為是有效的施工工藝。3.5 樁身結構完整性 鉆孔灌注樁水下澆筑混凝土的方式，容易產生各種樁身質量問題，如離析、疏松、空洞、縮頸、夾泥、斷樁等

10、，如果結構缺陷較嚴重，會影響樁的極限承載力。另外，成樁后，頭部混凝土往往夾有泥浮漿，質量較差，試樁接樁時必須鑿去。否則，就如實例5的1#試樁一樣，尚未達到設計要求的Qu值，樁頭連接部分的水下混凝土已產生45°方向的剪切破壞。3.6 地下障礙物對于拆遷場地，由于原有建筑物下往往有樁、十字交叉基礎及原有地下防空洞等存在，如不認真清除，試樁樁身與障礙物相粘連，則實測Qu值將會提供虛假的高數(shù)值，如實例6中 SZ1試樁，與障礙物相粘連時的Qu值超過排除粘連后Qu值的28.6%。 3.7 超載預壓影響同一根鉆孔灌注樁經過一次靜載試驗后（獲得Qu1），再進行第二次試壓（獲得Qu2），兩次試樁的結果

11、，往往Qu1¹ Qu2。對于非粘性土，一般Qu2> Qu1，通常認為這是由于樁周土及樁底土經過一次試驗的超載預壓作用，非粘性土發(fā)生剪切硬化，孔底沉渣被壓實所引起的。相反的，實例3的89#試樁的Qu，其復壓（快速法）比初壓反而降低了25.0%；究其原因，可能是樁周主要是粘性土，且該樁施工時曾中途移機停鉆67天，使孔壁周圍土軟化，沉渣過厚，經過一次試壓后，樁周土體被剪切破壞擾動，短時間內無法充分恢復之故。4、新型灌注樁鉆（沖）孔灌注樁施工過程的無擠土，振動、噪音影響小的優(yōu)點，就已決定了城市高層建筑基礎工程中的優(yōu)勢地位，泥漿護壁工藝導致的孔壁軟化、泥皮吸附、孔底沉渣影響了樁側、樁端地

12、基土承載力的發(fā)揮，使得單位體積混凝土能夠提供的承載力比其它樁型低，經濟指標處于劣勢；而且樁身混凝土質量、單樁承載力受施工因素的影響比較大。這些問題，引起了國內外工程界的注意，出現(xiàn)了一些新工藝，新樁型，現(xiàn)將有關進展與經驗簡要介紹如下：4.1、螺旋鉆孔樁無地下水的地層：利用長螺旋或短螺旋鉆機成孔，不采用任何護壁措施。這種工藝基本沒有振動和噪音的污染，且能在貼近已有建筑物施工。地下水位以下的土層，發(fā)展了一種新工藝，即鉆孔壓漿成樁法，具體有2種做法：（1）長螺旋鉆頭鉆至設計標高后，將細石混凝土或砂漿通過螺旋鉆頭的空心軸管壓入孔底，藉灌漿壓力之助使鉆桿提升，混凝土由下而上填滿鉆孔形成樁體，顯然，這樣形成

13、的樁，可避免孔底沉泥，避免孔壁坍塌，較一般螺旋鉆孔樁的質量為好。需要安置鋼筋籠時，可在混凝土凝固前，用震動器將它壓入樁體。（2）長螺旋鉆頭鉆至設計標高后，提鉆同時通過螺旋鉆頭的空心軸管壓入水泥漿，提出鉆桿后放置鋼筋籠和補漿管，投放骨料至設計標高0.3m以上，再補漿直至漿面不再下沉。在無地下水，且樁尖持力層為粘性土時，可采用特制的擴孔器，將孔底擴大而形成擴底樁，使樁的承載力提高。采用錐螺旋鑿巖鉆頭，還可施工嵌巖樁，在青島Æ600mm，入土深度10m，極限荷載大于4800kN。螺旋鉆孔樁一般不能穿過卵石、礫石地層，樁身混凝土質量較差，且國內機具成樁的樁徑、樁長有一定的限度，單樁承載力不高

14、，目前還不太適合在高層建筑、中大型橋梁中應用。4.2、全套管干取土灌注樁在軟土中，利用振動或靜壓（同時扭擺）將鋼套管（整根或分節(jié)拼裝）沉至設計深度，干法取土，在無水條件下完成灌注樁施工，拔出套管成樁。全樁長鋼模管護壁干取土灌注樁，其目標是達到人工挖孔樁相同的質量要求，解決不良工程地質條件下人工挖孔及施工中出現(xiàn)的不安全因素；相對鉆孔灌注樁的成樁工藝，消除樁孔泥漿護壁和水下混凝土施工的質量隱患及泥漿污染。可采用樁底夯擴工藝，樁徑800mm時可采用人工挖擴來提高樁端承載力。寧波某大廈地上12層地下1層，要求單樁承載力標準值為2300kN，采用Æ800mm干取土灌注樁擴底直徑Æ16

15、00mm，入土深度23m。4.3、干作業(yè)復合灌注樁基本工藝：攪制水泥土環(huán)樁；鉆芯取土；放置鋼筋籠、澆灌混凝土。樁土界面結合好，水泥土環(huán)樁的側阻力高出普通灌注樁5070，充分利用水泥土環(huán)樁周長較大和鋼筋混凝土樁抗壓剛度較大的特點。但目前水泥土環(huán)樁設備能力有限，樁徑、樁長不可能太大。4.4、挖取土擴底灌注樁基本工藝與普通鉆孔灌注樁類似。不同的是用專用設備“全液壓擴底快換魔力鏟斗”直接取土。優(yōu)點是：無泥漿污染，成孔快，擴孔方便，孔底沉渣少。4.5 多級擴孔灌注樁八十年代開始，工程界對鉆孔灌注樁的設計與施工工藝進行了系列研究，發(fā)現(xiàn)改善孔壁形狀可以提高樁周土摩阻力?？妆谄街被蜉喞^少，單樁極限承載力只能

16、達到孔壁凹凸形的6080，有關工程單位提出了各種方法來有意識地改善孔壁形狀，并進而提出了多級擴孔灌注樁。具體工法有：（一） “高速、控壓造凹凸法” （SRM工法）。在非擴孔段正常鉆進，到擴孔時，鉆機升降機吊緊鋼絲繩，使鉆具處于近似拉伸狀態(tài)，而讓每根鉆具接頭間隙充分伸展后，此時鉆具高速回轉，撞擊孔壁，并利用泥漿旋流作用沖刷孔壁土層，等充分回轉后，再緩緩松動鋼絲繩，控制鋼絲繩進尺速度，達到在指定部分造成一定程度擴孔的目的。這樣產生的凹凸形孔壁是不規(guī)則的，凹凸程度無法量化控制，這種樁也稱凹凸形樁。（二）“變徑鉆頭，反轉造凹凸法”。有關單位研制了具有順逆回轉性能的轉盤式工程鉆機，鉆機順向回轉鉆進時，鉆

17、頭與普通鉆頭功能相同，鉆至需擴徑部分的下界時，將鉆具提至擴徑部分的上界，使鉆具逆向回轉，此時側向刮刀自行伸出，括削孔壁，隨鉆具下伸完成該部分的擴徑。采用這樣的工藝施工，效果十分理想。上述側向刮刀裝置的擴徑尺寸可預先調制設定，因此，擴徑位置，尺寸，可定量控制，這是一種具有一定規(guī)則形態(tài)的凹凸形灌注樁，也稱變徑樁、串行樁、竹節(jié)樁，具備了多級擴孔樁的特點。（三）多支盤擠擴工法。有關單位研制了專用的擠擴設備，如圖所示。這種樁又稱為新型擠壓分支樁或DX樁，DX樁是在以鉆孔、沉管方式形成好的直孔內插入一個專用分支器，用擠壓的方式分支，使分支部分的地基土產生很大的壓縮變形而成支（形狀見圖1）?？沙浞掷蒙钐幐?/p>

18、硬土層的抗力沿樁長設置許多分支，靠增加分支的端阻力來提高樁的承載力。圖 擠擴機頭1、定位裝置；2、旋轉裝置；3、雙單向油缸；4、三臂擠擴裝置；5、壓力傳感器；6、角度傳感器DX樁應用的專用擠擴設備，是改進后的第三代智能型多功能三維擠擴機（第一代產品是靠沖擊錘錘出兩支的簡易設備，第二代產品為單向液壓油缸兩支擠擴機）。它裝備了液壓自動旋轉及定位系統(tǒng)、壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感等裝置，并實現(xiàn)了地面智能化操作。通過改進后裝置的雙向液壓油缸，推動上、下分支臂鉸點只作水平向（即徑向）的擴張與張縮，實施對孔側臂土體徑向擠壓，完成擠壓全過程。同時，地面智能系統(tǒng)可通過壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器觀察

19、記錄被擠壓土體承載力情況及擠擴成型情況。由于單位面積的端阻力比單位面積的側摩阻力高出二個數(shù)量級，多級擴孔樁具有多端承的特點，且不易受到孔內沉渣的影響，多級擴孔樁只需增加少量的混凝土用量，即可使單樁承載力明顯提高，取得了明顯的經濟效益。4.6 后壓漿鉆孔灌注樁 樁底注漿使沉淀泥漿得到置換與加固，或形成擴大頭（當樁底土為多孔隙的砂、礫、卵石層或破碎巖層時，），從而使樁的端承力得到發(fā)揮和提高。有的工程樁底注漿使單樁承載力提高了一倍。4.7 沉管灌注管（筒）樁基本施工工藝與沉管灌注樁類似。不同的是：用大直徑雙套管套在環(huán)形預制混凝土樁尖上，下沉到設計標高后形成圓筒形孔，下放鋼筋籠，邊灌混凝土邊振動拔管。

20、優(yōu)點：擠土效應小，樁身周長大，樁身結構強度能得到充分利用，因而造價低。目前沉樁直徑可達1m以上，主要用于軟土路基加固。 5、應用實例5.1 上海組織部大樓試成孔5.2上海聯(lián)合廣場凹凸型灌注樁方案選擇（1）概況聯(lián)合廣場工程主樓原設計樁徑Æ800mm，深度54.30m，有效樁長43.30m，總樁數(shù)465根。第一次施工了四組試樁，通過靜載荷試驗有三組樁承載力小于設計要求的7000kN。另一組樁因砂層有兩個自然凹凸，測試承載力大于7000kN，試樁承載力不夠。試樁測的砂層摩阻力僅25.028.0kPa。第二次又施工了四組試樁。分別是兩組凹凸型樁(ST-7，ST-9)和兩組樁底壓漿樁(ST-6

21、，ST-8)。試驗結論：ST-7樁(9721kN)；ST-9樁(9721kN)；ST-6樁(6924kN)；ST-8樁(不低于6924kN)。通過試驗比較，凹凸型樁承載力明顯優(yōu)于樁底壓漿樁，本工程主樓即全部選用凹凸樁施工。 （2）凹凸形狀設計要求正常孔徑800mm，在凹凸部位的孔徑應為11001200mm。凹凸部位成孔根部控制厚度Dh的取值：當突出凹凸深度£400mm時，取Dh³800mm；當突出凹凸深度>400mm時，取Dh³1000mm。（3）凹凸型灌注樁施工因凹凸型樁正式用于生產施工的工藝方案：優(yōu)化兩種方案做試驗比較，第一方案“變徑鉆頭，反轉造凹凸法”；第二方案“高速、控壓造凹凸法”，通過比較，“高速、控壓造凹凸法”的效果比較理想。5.3上海裕華大廈凹凸型灌注樁應用普通灌注樁