翟影
(重慶市設計院,重慶 400015)
當建筑物場地上部的土層比較軟弱時,采用普通的擴大基礎,則地基的強度、穩定性和變形都將不能滿足建筑物的要求,這時往往采用樁基礎。在地基中沉入多根樁,把上部的荷載傳入深層土中或傳入巖層,這個方法在我國得到廣泛應用。人工挖孔灌注樁作為一種傳統的成樁施工工藝,具有造價低、所需施工設備簡單、成樁直徑大、成樁質量容易保證等特點,在我國山地丘陵地區應用較為普遍;同時也存在受地質條件限制,工人勞動強度大、危險性高,容易對周邊建筑物造成影響等缺點,特別是井下作業環境惡劣,工人隨時有可能受到涌水、涌沙、塌方、毒氣、觸電、高處墜落、物體打擊等的安全威脅,已成為一種落后的施工工藝,在一些發達國家和地區早已禁止采用。自2003年以來,廣東、福建、云南、重慶等地建設廳(委員會)先后出臺了限制使用和逐步淘汰人工挖孔樁的通知、通告。重慶市建委有關通知規定,除因施工技術、現場條件限制不能采用機械成孔的項目,以及開挖孔徑大于1.2m(含1.2m)且深度不超過3m(含3m)的巖石地基的成孔項目以外,自2012年7月1日起,禁止用于建設工程領域。那么進入“后人工挖孔樁時代”,又有哪些其他樁型和成樁工藝可供重慶地區選擇呢?
選擇樁型與工藝時,應對建筑物的特征(建筑類型、荷載性質、樁的使用功能,建筑物的安全等級等),地形、工程地質(穿越土層樁端持力層巖土特性)及水文地質條件 (地下水類別、地下水位),施工機械、施工環境、施工經驗,各種樁施工法的特征、制樁材料供應條件,造價以及工期等進行綜合性研究,并進行技術經濟分析比較,最后選擇經濟合理,安全適用的樁型和成樁工藝。
重慶地區樁基礎多以中風化泥巖、灰巖或砂巖作為持力層,上部覆土多以素(雜)填土、粉質粘土為主,局部地區有淤泥質土、砂土、卵石、溶洞發育等。重慶地處四川盆地東南部,地貌以丘陵、山地為主,建筑場地大多高低不平。因此要求所選擇的機械成樁工藝能夠穿越中風化巖層、且樁機自身移動較為靈活。近年來,重慶地區已經使用的機械成樁工藝主要有機械旋挖成孔灌注樁、長螺桿鉆成孔灌注樁、高強預應力混凝土預制管樁等,應該說樁型、成樁工藝和已經實施的項目數量均比較有限,下文就各種可能適合重慶地區的樁型和成樁工藝逐一給出介紹。
鉆孔灌注樁施工工藝過程繁多,在整個施工過程中,關鍵環節是鉆孔,鉆孔速度的快慢和成孔的質量在整個樁基施工過程中居于主導地位,鉆孔機械就是灌注樁基礎施工的主導機械,因此對鉆孔機械的比選尤為重要。
2.1.1 沖擊鉆
沖擊鉆機是一種比較傳統的鉆進機具,依靠沖擊錘進行沖砸,掏渣筒掏渣,上下往復沖擊將土石劈裂、砸碎,部分被擠入孔壁之內,普通泥漿護壁。適用于常見的所有填土層、粘土層、密實砂層、圓礫層及角礫復合夾層,但在大漂石、卵石層及微風化地層中進尺緩慢,且沖擊錘容易損壞。而且,在松散且厚度較大的砂層中鉆進時容易塌孔,主要原因是沖擊鉆進時孔內泥漿比重不均勻,上部小下部大,掏渣筒掏渣后孔內水位降低產生水位差造成塌孔。
沖擊鉆具有地層適應范圍廣、施工速度快、場地環境要求小、造價較低等特點。但同時沖擊鉆勞動強度大,泥漿循環要設立泥漿回流池占地大,產生的泥漿不易外運,施工震動噪音大,環境評價差。
沖擊成孔灌注樁屬于部分擠土樁范疇,重慶大部分地區均有使用的可能性。
2.1.2 回轉鉆機
回轉鉆機是一種在我國應用時間最長、范圍最廣、市場保有量最大的成孔機具,該種鉆機除在卵、礫石層鉆進較為困難外,在其它各種常見地層均有良好的適用性。回轉鉆機根據排渣方式的不同分為正循環和反循環兩種,反循環又細分為泵吸、氣舉、孔底泵送(射流)三種。在素土層、粘土層及砂土層常采用正循環,在卵石層、砂卵石夾層、巖石層及孔底清渣常采用反循環。根據地層不同,鉆頭可采用不同形式,特別是在鉆進堅硬巖石層時需配置滾刀鉆頭或牙輪鉆頭,回轉鉆機的鉆孔直徑可達2~5m,深度可達100m。
正、反循環回轉鉆機具有應用范圍廣、護壁效果好、成孔質量高,施工無震動、無噪音、機具操作方便、造價較低等特點。但同時其在復雜地層成孔效率較低,施工現場用水量大、泥漿排放量大,擴孔率較難控制,又很難在卵石、漂石、基巖上施工,特別是在堅硬地層中進度緩慢,施工成本直線上升。
回轉鉆機尤其是反循環鉆機,重慶大部分地區均有使用的可能性,更換擴底鉆頭后可擴底。
2.1.3 沖擊反循環鉆機
沖擊反循環鉆機是一種將傳統的沖擊鉆機與反循環排渣工藝相結合的新型大孔徑鉆機。即利用沖擊鉆頭對巖石進行較高頻率的沖擊,使巖石產生破碎,然后利用反循環排渣方式及時將破碎巖屑第一時間排出孔外,該種鉆法既保留了傳統沖擊式鉆機的施工成本低、清孔干凈、沉渣量少、適應地層廣的優點,又克服了其不能連續排渣、重復破碎多的不足,廣泛適用于各種復雜地層施工。
沖擊反循環鉆機與回轉鉆機各有各的優點,一般在粘土、亞粘土、淤泥質土層、粉砂層施工時,回轉鉆機要比沖擊反循環鉆機施工快1.1~1.3倍,且成本消耗較低。但在卵礫石層及基巖施工中,沖擊反循環鉆進明顯比回轉鉆進要快2~3倍,尤其在一些丘陵山區地帶,沖擊反循環在施工復雜地層即卵石層及卵礫夾石層時成孔速度優越性更加顯著;在成本消耗方面在卵礫石層、漂石、基巖施工中,沖擊鉆進效率高,而回轉鉆機鉆進速度慢,成孔周期長,成本比沖擊鉆進大3倍以上;如遇大漂石、大塊石、硬度較高的花崗巖回轉鉆機很難鉆進,只能用沖擊反循環鉆機來完成。但同時沖擊反循環鉆進振動對周圍環境影響很大,特別是沖擊下部堅硬基礎巖面時,沖擊振動對周圍產生很大噪音,另外鉆機功率大、耗電量高、結構復雜、體積大、搬遷運輸成本也較高。
該種鉆機,在重慶大部分地區均有使用的可能性。
2.1.4 長螺旋鉆機
長螺旋鉆機成孔屬干作業、非擠土灌注樁范疇,是用長螺旋鉆孔機的螺旋鉆頭在樁位處就地切削土層,被切土塊鉆屑隨鉆頭旋轉,沿帶有螺旋葉片的鉆桿上升,自動排出孔外的成孔方法。
長螺旋鉆機適用于各類填土、粘性土、粉土、粉質砂土、碎石類土,具有震動小、噪聲低、不擾民、鉆進速度快、無泥漿污染、樁身質量好、地層的適應性強、造價低等特點,并且根據需要,調整壓力,樁徑范圍在0.3~1.2m之間可調,鉆孔深度一般為10~35m。但長螺旋鉆機不適宜大粒徑卵石、卵礫夾石層、漂石地層施工,樁底不能入巖,一般樁徑較小,單樁承載力低,并且機身龐大、自重大,運輸成本高。
因其不適用于中風化基巖,重慶局部地區可能采用。
2.1.5 旋挖鉆機
旋挖鉆機是近年來發展最快的一種新型樁基成孔施工方法,它通過鉆桿和鉆斗的旋轉,以鉆斗自重并加液壓作為鉆進壓力,使土屑裝滿鉆斗后提升鉆斗出土,通過鉆斗的旋轉、挖土、提升、卸土和泥漿置護壁,反復循環而成孔。
旋挖鉆機適用于各類粘土、粉土、密實砂土、淤泥質土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地層,借鉆具自重和鉆機加壓力,耙齒切入土層,在回轉力矩的作用下鉆斗同時回轉配合不同鉆具,適應于干式(螺旋)、濕式(回轉斗)的成孔作業。目前,旋挖鉆機的最大鉆孔直徑為3m,最大鉆孔深度達120m(主要集中在40m以內),最大鉆孔扭矩620kNm。旋挖成孔的施工方法具有施工質量可靠、成孔速度快、成孔效率高、適應性強等特點,大大縮短了工期,廢漿少,低噪音,污染小保護了環境,克服了機械成孔時孔底沉淤土多、樁側摩阻力低、泥漿管理差的缺點,極大地提高了施工質量。但其缺點是對于厚度較大的松散砂層在鉆進時易塌孔,在卵石含量較大的卵石層鉆進時速度慢,不太適用于堅硬巖石層入巖施工。旋挖鉆機一次投入費用較大,但成孔費用消耗等經濟技術指標比其他方法成孔費用低,應結合工程規模、工程量和施工進度綜合考慮,從目前看該工藝在我國有著相當可觀的經濟效益。
近幾年,隨著大功率旋挖鉆機在重慶地區的應用,逐步解決了鉆挖堅硬巖層的困難,并憑借施工速度快、環境污染小、操作靈活方便、安全性能高及適用性強等諸多優勢,逐漸被建設各方認可和接受。該鉆機更換擴底鉆頭后可在中風化基巖中擴底嵌巖。
預制樁,是在工廠或施工現場制成的各種材料、各種形式的樁(如木樁、混凝土方樁、預應力混凝土管樁、鋼樁等),用沉樁設備將樁打入、壓入或振入土中。中國建筑施工領域采用較多的預制樁主要是混凝土(預應力)預制樁和鋼樁兩大類。重慶地區多以中風化基巖作為持力層,可能采用的樁型主要是預應力高強度混凝土(PHC)管樁和鋼樁。
2.2.1 PHC管樁
PHC管樁,即預應力高強度混凝土管樁,是采用先張預應力離心成型工藝,并經過10個大氣壓、180℃左右的蒸壓養護,制成一種空心圓筒型混疑土預制構件,標準節長為10m ,標準直徑從300~800mm,混凝土強度等級≥C80。
一般采用工廠預制,運輸至現場利用專用機械沉樁的PHC管樁有著自身的諸多優點。單樁承載力高,500直徑的PHC管樁的單樁承載力特征值可達2000kN,超過600直徑的灌注樁單樁承載力特征值。300~600mm直徑的管樁一般廠家均可生產,少數廠家可生產800~1000mm直徑的管樁,可滿足60層以下的高層建筑使用。樁身耐打,穿透力強,對持力層起伏變化較大的地質條件適應性強。預應力管樁的單位承載力造價在諸多樁型中是較便宜的一種,相比鉆孔灌注樁減少1/3以上。運輸吊裝方便,接樁快,成樁長度不受施工機械的限制。
但是,預制樁的擠土效應在飽和粘性土中是負面的,會引發灌注樁斷樁、縮頸等質量事故,對于擠土預制混凝土樁和鋼樁會導致樁體上浮,降低承載力,增大沉降;擠土效應還會造成周邊房屋、市政設施受損;對松散土和非飽和填土,擠土效應則是正面的,會起到加密、提高承載力的作用;錘擊樁施工時會產生油煙、噪音、振動和擠土等影響,尤其是噪音可高達130分貝以上,因此許多城市已限制在市區內打樁,而靜壓法施工則可基本消除上述影響;對施工場地有一定的要求,施工現場地表承載力必須滿足樁機平穩行走的要求,全液壓式壓樁機機型和重量都較大,目前我國最大的壓樁機重達800t,通過樁機下部的短船靴傳至地面的壓強高達160~180kPa(不過,重慶的一般的粉質粘土承載力或經過淺層強夯處理的填土均可滿足該要求),若打樁機下的地基土層太軟弱,則機身較易在打樁過程中發生傾斜,從而導致管樁傾斜,甚至形成偏心受力而將樁頭打碎。
近年來隨著港口、水利、橋梁等大型建設項目的需要,直徑在1000~1400mm范圍的大直徑PHC管樁在我國得到了長足發展。筆者設想,若能將其用于建筑工程領域,60層以上的超高層仍然可行。但其對沉樁機械的要求很高,一般只能采用大功率的柴油錘,其過大的打樁噪音限制了使用范圍,但在無噪音限制、滿足機械使用條件的地段仍不失為一種大承載力樁基的選擇。
該種樁型,在重慶大部分地區均有使用的可能性。
2.2.2 鋼樁
在我國沿海及內陸沖積平原地區,土質常為很厚 (深達50~60m)的軟土層,當上部結構荷載較大時,這類地基常不能直接作為持力層,而低壓縮性持力層又很深,采用一般樁基,沉樁時須采用沖擊力很大的樁錘,用常規鋼筋混凝土和預應力混凝土樁,將很難以適應,為此多選用鋼管樁加固地基。因此,鋼管樁(或H型鋼)在國內外都得到了較廣泛的應用。
鋼管樁的特點是:(1)重量輕、剛性好,裝卸、運輸、堆放方便,不易損壞。(2)承載力高。由于鋼材強度高,能夠有效地打入堅硬土層,樁身不易損壞,并能獲得極大的單樁承載力。(3)樁長易于調節。可根據需要采用接長或切割的辦法調節樁長。(4)排土量小,對鄰近建筑物影響小。樁下端為開口,隨著樁打入,泥土擠入樁管內與實樁相比擠土量大為減少,對周圍地基的擾動也較小,可避免土體隆起;對先打樁的垂直變位、樁頂水平變位,也可大大減少。(5)接頭連接簡單。采用電焊焊接,操作簡便,強度高,使用安全。(6)工程質量可靠,施工速度快。但鋼管樁也存在鋼材用量大,工程造價較高;打樁機具設備較復雜,振動和噪聲較大;樁材保護不善、易腐蝕等問題,在選用時應有充分的技術經濟分析比較。
該種樁型,在重慶大部分地區均有使用的可能性,只是造價可能偏高。
人工挖孔樁能夠長期成為山地丘陵地區大直徑灌注樁的主要樁型,自身有著諸多優點。受力性能好,由于挖孔樁直徑大,所以單樁承載力高,挖孔樁一般直徑為0.8~2.4m,可承幾千kN乃至幾萬kN的力,特別適用于上部傳來的荷載大而集中的結構。由于其嵌入巖層一定深度,所以能承受較大的水平荷載,擴底挖孔樁還可抵抗很大的上拔力。其抗震性能好,沉降量小,能防止不均勻沉降。挖孔樁成孔大,相比機械成孔灌注樁,容易檢查樁底持力層情況及側面土質情況,清理沉渣徹底。施工僅需輕型工具,不需大型施工機械,在人工費較低的地區造價低(隨著人力成本的提高,這個優勢以后可能不會存在了);各樁可分別同時施工,施工速度較快。在密實的砂層及卵石層或有孤石的地基中,打預制樁十分困難,而挖孔樁則易于施工。持力層有一定傾斜時,預制樁會長短不齊,大量截樁、接樁,挖孔樁則無上述問題。
雖然各地區已經逐步限制其使用,但如前文所述,在特殊條件下也是允許使用的。當選擇采用人工挖孔樁時,應嚴格遵守有關要求,比如廣東省建設廳給出了詳細的使用要求。
(1)有關建設各方的監管方面
①由建設單位會同勘察設計單位向縣級以上建設行政主管部門提出書面申請和相關資料(含可行性報告)。
②施工單位向建設工程施工安全監督機構報監時,須附上挖孔樁專項施工方案和緊急情況應急處理措施,以及施工人員的意外傷害保險保單憑證,該方案由施工企業根據工程實際和現行相關施工規范、操作規程、工程建設標準強制性條文等編制,詳細列明施工安全的各項措施、教育、檢查制度以及施工機具清單等。
③監理單位必須編寫專項監理方案,并嚴格實行旁站監理。
④建設工程施工安全監督機構要嚴格按照專項監督計劃加強監督。
⑤ 建設、勘察、設計、施工、監理等有關責任單位(部門)必須承擔因挖孔樁施工對周邊環境影響而產生一切未能預見風險的相應責任。
(2)挖孔樁的設計和施工方面
① 護壁必須由設計單位設計,護壁厚度不得小于150mm;護壁混凝土強度等級不得低于C20。
②采用混凝土護壁時,每天掘進深度不得大于1m。
③護壁混凝土不得人工拌合,每節護壁均須由監理單位驗收。
④孔內作業時,上下井必須有可靠安全保障措施,嚴禁乘坐吊桶上下。須配備通訊設備(如對講機)保證上下通訊暢順。施工中應有可靠通風措施,同時應配備有毒氣檢驗測儀器,定時進行氣體檢測。
⑤禁止孔內邊抽水邊作業。
⑥孔口和孔壁附著物(包括不到孔底的鋼筋籠、串筒、鋼爬梯、水管風管等)必須固定牢靠。
⑦ 對周圍建(構)筑物、道路、管線等應定期進行變形觀測,并作好記錄。發現異常情況,必須立即停止作業,并采取相應的補救措施。
3.1.1 工程概況
重慶地區某項目,31層剪力墻結構商住樓,采用長螺旋鉆孔樁,施工完成時間2010年。
3.1.2 巖土分層情況及持力層選擇
①素(雜)填土:場地內大部分區域均有該層分布,分布規律為場地西北側及東南側薄,中部厚,其中雜填土主要分布在場地中部,且分布深度較大,厚度0~15.8m。
② 粉質粘土:為可塑狀中壓縮性土,fak=155kPa。場地內均有分布,厚度0~15.0m。
③粉土:為軟塑狀高壓縮性土,fak=95kPa。場地內大部分區域均有該層分布,厚度0~5.6m。
④砂卵石:fak=750kPa。該層在場地內均有分布,厚度3.1~11.1m。
⑤砂質泥巖:整個場地均有分布。
⑥泥質砂巖:場地內呈透鏡體、夾層狀分布。
⑦持力層選擇——砂卵石。
3.1.3 樁基礎參數
(1) C40混凝土樁身,500直徑。
(2)單樁承載力特征值1600kN(該值為通過載荷試驗最終確定的值,樁身強度控制的上部荷載設計值2785kN)。
3.2.1 工程概況
重慶地區某項目,26層框架-剪力墻結構酒店、33層剪力墻結構住宅樓、6層框架結構商業,采用PHC管樁 (錘擊法沉樁),施工完成時間2012年。
3.2.2 巖土分層情況及持力層選擇
① 填土:地基承載力特征值(經驗值)fak=120kPa,厚度0.35~13.1m。
② 粉質粘土:地基承載力特征值(經驗值)fak=160kPa,厚度1.1~14.7m,樁側阻力標準值55kPa。
③ 淤泥質土:地基承載力特征值(經驗值)fak=80kPa,厚度1.1~7.5m。
④ 粉細砂夾礫卵石層(稍密):地基承載力特征值(經驗值)fak=300kPa,厚度0.4~6.4m,樁側阻力標準值120kPa,樁端阻力標準值2500kPa。
⑤ 粉細砂夾礫卵石層(中密):地基承載力特征值(經驗值)fak=400kPa,厚度0.4~6.4m,樁側阻力標準值140kPa,樁端阻力標準值3000kPa。
⑥中風化砂巖:地基承載力特征值fak=4300kPa,厚度0.4~3.3m。
⑦中風化泥巖:地基承載力特征值fak=1693kPa。
⑧持力層選擇——中風化泥巖。
3.2.3 樁基礎參數
(1)C80混凝土樁身,PHC-AB500(100)
(2)單樁承載力特征值不低于1900kN(樁身強度控制的上部荷載設計值3833kN,實際單樁承載力載荷試驗值更高)
3.3.1 工程概況
重慶地區某項目,單層門式剛架鋼結構廠房,采用旋挖樁,施工完成時間2011年。
3.3.2 巖土分層情況及持力層選擇
①人工填土層厚度變化大,分布不均,為新近填土,壓縮性較大。
②粉質黏土層厚度總體薄,分布不均。
③強風化基巖較破碎,fak=450kPa,整個場地均有分布。
④中風化泥巖:地基承載力特征值fak=2267.1kPa,整個場地均有分布。
⑤中風化砂巖:整個場地均有分布。
⑥持力層選擇——中風化泥巖。
3.3.3 樁基礎參數
(1) C30混凝土樁身,直徑900。
(2)單樁承載力特征值1920kN(樁身強度控制的上部荷載設計值7274kN)。
綜上所述,“后人工挖孔樁時代”可供選擇的成樁工藝很多,成樁工藝的最終選擇需要綜合分析各項技術和經濟指標。各種實際條件下的樁型和成樁工藝選擇:
(1)因施工技術(比如在重慶地區技術條件相對落后的區縣)、現場條件限制(比如位處山區、濱江等地形的坡地施工,大型機械確實無法到達)不能采用機械成孔的項目,以及開挖孔徑大于1.2m(含1.2m)且深度不超過3m(含3m)的巖石樁基,仍可以選擇人工挖孔樁 (同時應按照前文所述要求對施工現場做好監管、并對護壁做好設計)。
但遇到下列情況時,仍不得采用人工挖孔樁:地基土中分布有厚度超過2m的淤泥質土;地下水位以下有層厚超過2m的松散、稍密的砂層或層厚超過3m的中密、密實砂層;溶巖地區;有涌水的地質斷裂帶;地下水豐富,采取措施后仍無法避免邊抽水邊作業;高壓縮性人工雜填土厚度超過5m;工作面3m以下土層中有腐植質有機物、煤層等可能存在有毒氣體的土層。
(2)一般多高層建筑工程、一般場地條件下,均可選擇旋挖鉆機(更換擴底鉆頭可擴底)、PHC管樁(對油煙、噪音要求高的市區施工時,可以選擇靜壓法沉樁)。
一般情況下,當場地內無厚度較大的松散砂層、無大塊卵石、漂石及其他可能造成大面積塌孔的不良地質情況時,可優先選擇旋挖鉆機;當場地內存在較厚砂土層、淤泥質土、卵石層時,可優先選擇PHC管樁。
(3)有條件做泥漿池、沉淀池,周邊居民稀少,對噪音泥污要求不太高的平整場地,可以考慮沖擊鉆沖孔反循環鉆機(特別是遇到砂巖、灰巖等堅硬的基巖)、沖擊鉆、回轉鉆機。
(4)當不需要掘進中風化基巖,且場地內無大塊卵石、漂石時,也可以考慮長螺旋鉆機。
(5)場地覆土層很厚、地質條件復雜、基巖埋深很深,且對單樁承載力要求高的超高層建筑工程,可以考慮預制鋼樁、甚至可考慮大直徑PHC樁(直徑1000mm以上)。
當然,基巖以上的土體承載力滿足建筑物荷載變形使用要求時,做淺基礎也是一種不錯的選擇,而不一定非選擇承載力很大的中風化基巖。比如重慶地區粉質粘土地基承載力特征值的經驗值約200~300kPa、強風化泥巖地基承載力特征值的經驗值約300kPa,強風化砂巖地基承載力特征值的經驗值約400~500kPa,按照一層10kPa的平均附加應力,考慮采用筏板基礎40層以內的建筑物均有可能不必采用深基礎 (這在軟土地區來說已經是很好的持力層了,當然要控制好沉降)。而對于上部結構對地基附加應力有限的多層、小高層建筑物,一般來說柱下獨基等淺基礎均可滿足承載力和變形要求,必要時可采取強夯、CFG樁、水泥土攪拌樁等地基加固措施提高地基承載力,也可采取諸如協調變形能力、整體性更好的柱下條形基礎、筏板基礎。具體情況可以結合工程實際、施工條件、綜合造價等做技術經濟必選分析。
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