超前加固預制樁植入工法研究及應用

郝彥超 李建勇 孫文懷 朱兆宇

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450008; 2.中建八局東孚投資發展有限公司，上海 200000)

1 概述

隨著建筑樓層越來越高，在厚砂土層中進行常規方法的樁基施工時，在持力層不變的情況下，往往造成有效樁長減小，從而導致承載力無法滿足設計要求。超前加固預制樁植入工法結合了水泥攪拌樁和靜壓預制樁兩種施工工藝，利用預制樁的高強度和水泥土攪拌樁樁周大側摩阻力的特性，使得植入樁比非植入樁(未采用超前注漿對預制樁樁側土體進行加固處理)的單樁極限承載力有明顯提高，植入樁的單樁承載力提高了33%，有效解決了“有效樁長短、承載力小”這一難題，植入工法具有單樁承載力高、無污染和成本低等特點，得到了廣泛的應用。

植入工法在解決“有效樁長短、承載力小”這一難題上效果明顯。但是，在工程實踐中，也發現植入工法在應用中存在的一些問題，如遇砂層攪拌鉆進困難、鉆頭磨損嚴重、水泥初凝相對于施工速度太快對植樁施工造成很大的影響，這些問題的存在使得施工效率降低。

許多學者對樁基礎的施工工藝、設備和材料等進行了研究。許建軍[1]通過對鉆頭受力分析及研究，設計出了麻花鉆頭，利用麻花鉆頭的定心準確，并增加了其二次切削和對打散土體的導流能力，減少了鉆進阻力和對鉆頭的摩擦，有效提高了鉆進效率；劉丹[2]通過對鉆孔驅動部分——液壓驅動動力頭及其液壓系統進行設計和優化，使得螺旋鉆機鉆進效率提高；陳南杰[3]通過室內實驗和工程實踐，發明了兩層四葉片鉆頭，葉片傾角0°～30°，葉片厚度10 mm～30 mm；柳學花[4]通過總結前人研究成果和實驗數據分析，給出了深層攪拌施工參數匹配關系，建議采用兩噴四攪或者兩噴六攪，鉆頭鉆進和提升速度宜控制在0.8 m/min～1.2 m/min之間，每點水泥土攪拌次數宜控制在20次～40次；韓秀麗[5]通過實驗對比分析得出，當工程要求初凝時間為6 h～8 h時,選用標準參量即可；李旭等人[6]通過試驗，緩凝劑的摻量不超過標量的1.5倍就不會對水泥強度造成影響。

在上述研究的基礎上，通過對植入工法在實際應用中存在的典型問題進行研究，并提出相應的優化改進方法，明顯地提高了施工效率。

2 植入工法優化改進方法

2.1 超前加固預制樁植入工法原理

植入工法[7]首先利用深層攪拌樁機施工方法將壓入的水泥漿液與周圍土體強制拌和，使之形成水泥加固土體，達到超前加固效果；之后，在水泥土發生初凝之前，用靜壓樁機將預制樁壓入水泥土中，在此過程中始終保持預制樁截面與攪拌樁的中心保持吻合，直至樁頂設計標高。植入法結合了攪拌樁和預制樁兩種施工工法，有效發揮出了水泥攪拌樁的樁周大側摩阻力和預制樁的高強度的特性。

植入工法在實踐中，在鄭州地區取得了良好的效果，將預制樁的單樁承載力提高了33%。每個施工工法都不是完美的，植入工法在施工過程中也遇到了很典型的工程問題，深層攪拌機械遇見砂層進尺困難，進入砂層1 m～2 m后進尺不明顯，幾乎不進尺，并且對樁頭的磨損也很大，導致鉆頭咬合砂層困難；攪拌過后，植樁施工不能及時跟上，水泥發生初凝，植樁困難，下面對這些問題進行分析和提出解決工程措施。

2.2 攪拌機工藝優化

由于砂土層的抗剪強度相對于粉土、黏土比較大，攪拌樁機在砂層中鉆進困難，在進入砂層2 m后進尺幾乎為零，無法達到樁頂設計標高，滿足不了設計要求。攪拌樁機在鉆進時所受到的阻力主要來源于鉆頭。鉆頭鉆進時所受的阻力分為兩個部分：1)鉆頭切割土體時所需要的剪切力；2)鉆頭旋轉鉆進時，機械對鉆頭施加軸向壓力，葉片對其下面土體產生壓力，相反葉片受到土體對它的摩擦力；葉片上部土體受到剪切后，其原有結構被破壞，土體孔隙度增大，在鉆頭旋轉時土體無法上排出，反過來對葉片產生擠壓力和摩擦力。鉆頭葉片所受阻力可由式(1)計算：

P0=P1+fyP2

(1)

其中，P0為刀刃單位長度的阻力，N/m；P1為刀刃單位長度的切削阻力，N/m；P2為刀刃單位長度上的壓力，N/m；fy為刀刃與土層間的摩擦系數。

其中：

(2)

(3)

其中，KP為切削阻尼比，kPa；V為鉆進速度，m/s；Q為鉆具軸向壓力，kN；wc為鉆桿鉆速，m/s。

通過工程實驗驗證表明，將鉆頭的四個葉片減少兩個，使得鉆頭旋轉受到的阻力大大減小，從而使得鉆進順利；同時，施工工藝采用兩噴四攪或者兩噴六攪，鉆頭鉆進和提升速度控制在0.8 m/min～1.2 m/min之間，每點水泥土攪拌次數控制在20次～40次[7]，可保證攪拌均勻性，從而可提高施工效率。

2.3 水泥初凝優化

在施工時，先用深層攪拌樁機對土體與水泥漿進行強制攪拌，然后再用靜壓樁機將預制樁壓入攪拌的土體中，為避免因植樁對周圍土體擠壓導致臨樁植入困難，按照樁位依次植樁。一根樁土體的深層攪拌時間為35 min～50 min，樁間距1.8 m，靜壓樁機作業時的安全距離為10 m，至少需要加固6根樁，從攪拌加固到植樁時間間隔至少為210 min,一般水泥的初凝時間為60 min～180 min，植樁時水泥已經發生了初凝，使得植樁困難。

為了延緩水泥初凝時間，加入適量的緩凝劑，緩凝劑主要成分是羥基化合物、羥基羧酸鹽及其衍生物、高糖木質素磺酸鹽，因其兼有減水的作用，也稱為緩凝減水劑。韓秀麗[3]通過實驗研究得出，可以選用緩凝劑的標準摻量(水泥用量的0.1%～1%)的偏少者，初凝時間為6 h～8 h，實際工程也表明，采用這個標準可滿足工程需要。

2.4 鉆頭磨損優化

砂土的顆粒粒徑和抗剪強度比黏土、粉土等軟弱土層要大，對鉆頭的葉片摩擦力也很大，對葉片的磨損很嚴重，使得直板葉片對砂土咬合能力變弱，鉆頭對砂土層的切割力也變弱。在施工中，為解決這一問題，將剛板直邊葉片換成剛板鋸齒邊葉片，增加鉆頭葉片對砂土層的咬合力，切割砂土層變得更加容易，如圖1,圖2所示。

3 工程實例

3.1 工程概況

某擬建工程場地位于鄭州市惠濟區北部，該場地所屬地貌單元為黃河沖洪積平原，基坑深度6.5 m，擬建場地下水埋深8.00 m～9.50 m，地層分布較為均勻，砂層埋深約為15.00 m～17.20 m，厚大約為13.00 m～15.00 m。

在該工程中，樁頂標高-11.5 m，樁的有效樁長為11 m，在基坑中入土深度16 m(樁底到基坑地面的長度)，樁間距1.8 m，預制樁樁徑為400 mm，攪拌加固樁徑600 mm，單樁設計承載力為1 900 kN。地層分布較為均勻，砂層埋深約為15.00 m～17.20 m，厚大約為13.00 m～15.00 m，具體土層物理力學參數見表1。

表1 各土層物理力學參數

3.2 植入工法優化后施工及效果

在此施工中，深層攪拌土層前，為防止水泥漿發生離析，將水泥漿池設立在場地旁邊，在注漿前進行攪拌均勻，邊攪邊注漿，這樣既避免了水泥漿發生離析，又不會因運輸造成浪費。注漿壓力控制在0.35 MPa～0.5 MPa之間，緩凝劑取值0.3%根據深層攪拌樁機進尺深度等情況取大小值；水灰比控制在0.45～0.5之間；攪拌鉆頭將直板型換成鋸齒型鉆頭，鉆頭葉片長度為31.5 cm，厚度2.6 cm，葉片傾角25°，葉片寬度9.6 cm，深層攪拌機械設備參數：主電機45 kW，進給提升力198.8 kN。具體的施工順序如下：

攪拌樁機對位→攪拌樁機攪拌鉆進→攪拌提升→復攪→攪拌樁機退位→靜壓樁機或柴油錘植樁。

鉆頭優化前后，在其他各項參數相同的情況下，深層攪拌土層的深度及用時如圖3所示。

由圖3可知，兩葉片鋸齒型鉆頭在進尺相同深度時總體用時比四葉片直板型鉆頭少，進尺深度也比較深，四葉片直板型鉆頭在遇見砂層后進尺非常困難，進尺無法達到樁頂標高。由此可知，對鉆頭的優化，進尺效果得到了改善。

在保證其他參數相同情況下，水泥漿發生初凝前后(在此判斷發生初凝的標準是：未添加緩凝劑的攪拌土樁在超過4 h后植樁的，判定為發生初凝)，使用柴油錘機械將預制樁錘至樁頂標高時錘擊數對比圖見圖4，通過圖4可知，沒有初凝的攪拌土樁植入預制時的錘擊數比發生初凝的少100擊～150擊，提高了施工效率，節約了施工成本。水泥漿中加入緩凝劑后，可以保證6 h～8 h內不會發生初凝，6 h內有足夠的時間將預制樁植入，所以，加入緩凝劑后，取得了良好的效果。

4 結語

通過植入工法在施工中遇見的進尺困難、水泥漿初凝過早工程問題的分析，制定出相應的解決措施，并通過現場施工試驗對比分析得出：兩葉片鋸齒型鉆頭進尺效率比四葉片直板型鉆頭高，在水泥漿中加入水泥量的0.3%的緩凝劑，延緩攪拌土樁初凝時間，滿足植樁施工的需要，并取得了良好的效果。本文減少了鉆頭葉片數量，為保證攪拌均勻性，攪拌次數增加，相應的會降低施工效率，為進一步提高施工效率，攪拌機械鉆進系統優化改進和攪拌功率的提高有很大的研究空間。

[1] 許建軍.長螺旋鉆機麻花鉆頭鉆進過程模擬及結構優化[D].長沙：中南大學機電工程學院,2013.

[2] 劉 丹.長螺旋鉆機全液壓自動鉆進系統的研究[D].長沙：中南大學機電工程學院,2007.

[3] 陳南杰.噴漿型深層攪拌樁攪拌頭[P].中國專利：20042001442.2，2004-1.

[4] 柳學花,程海濤.深層水泥土攪拌樁施工參數研究[J].公路,2012(7)：24-28.

[5] 韓秀麗.緩凝劑與水泥的適應性研究[J].山西建筑,2009,35(3)：182-183.

[6] 李 旭,吳小飛,崔金東,等.減水緩凝劑超摻對混凝土凝結時間和強度的影響[J].廊坊師范學院學報(自然科學版),2012(6)：67-69.

[7] 孫文懷,段素貞,牛 玥,等.鄭州地區超前加固預制樁植入法技術研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2015(6)：14-15.