用水泥土引孔方式提高PHC管樁承載力*

李安勇 張 浩

1.蘇州科技學院土木工程學院 蘇州 215011；2.蘇州中潤建設管理咨詢有限公司 蘇州 215006

0 前言

靜壓PHC管樁是我國應用較為廣泛的沉樁方式。在我國分布較廣泛的沿江沿河地區，通常在地基淺表存在較深厚密實砂性土層，由于壓樁阻力較大，一般采用引孔工藝輔助沉樁，即利用螺旋鉆機把樁位處部分砂性土層移除，以減少沉樁阻力。但由于引孔直徑需要小于樁徑，加上砂性土層孔壁自立性較差，成孔效果不能確保，擠土效應仍較強，往往實際應用中的沉樁阻力還是很大，沉樁標高和樁身質量較難保證，壓樁后期的浮樁現象不能有效避免，往往需要樁機復壓或由于無法壓到設計標高而截樁，影響樁基承載力[1,2]。

本文結合實際工程，采用水泥土樁引孔工藝，即在管樁樁位預先施工水泥土攪拌樁，然后在水泥初凝前靜壓管樁，所需壓樁力大為減少，而單樁豎向承載力增長穩定，較非引孔樁提高約70%，從而所需樁長大大減少，對購樁、壓樁和引孔支出等綜合成本測算后，成功應用到實際工程，經濟效益顯著。

本文主要介紹水泥土樁引孔工藝的施工控制技術，高效提高樁側土強度，增加樁側摩阻力，使得C80高強管樁和樁周土強度更好匹配，有效發揮高強管樁的性能，最終可靠提高單樁極限承載力，繼而達到減少樁長，節約造價的目的。

1 工程背景

蘇州高新區某2 幢高層，設計采用PHC-500-120-AB樁型，管樁外徑500 mm，壁厚120 mm。單樁豎向抗壓極限承載力設計要求不小于4 800 kN，根據地質勘查報告，按常規壓樁工藝，需采用不少于40 m的樁長。

因地表淺表存在較多建筑垃圾與原建筑物基礎，淺表①1雜填土和①2淤泥質粉質黏土先后清除。與樁基施工相關的工程地質分布狀況如下：③2粉質黏土，④1粉土，④2粉砂，⑤粉質黏土，⑥1黏土。樁端持力層為⑥1層黏土。

工程樁有效樁長17 m，成樁時樁身要連續穿過平均厚10 m的密實砂性土層，分別為平均厚4 m的④1粉土層、厚5.00～7.70 m的④2粉砂層，特別是④2粉砂層，標貫擊數達56.5，雙橋靜探錐尖阻力qc峰值達22.69 MPa，平均為13.18 MPa，按常規靜壓樁，前期壓樁已經很困難，后期壓樁將更為困難，浮樁、斷樁和達不到設計標高等施工問題難以避免，從而影響樁基承載能力[3-5]。

2 不同施工方法單樁承載力的差異性研究

為比較用水泥土引孔對常規非引孔單樁的承載力的增長情況，并探索更可靠的引孔工藝控制方法，對9 根樁進行了10 次慢速維持荷載靜載試驗。

水泥土樁引孔工藝的基本程序是：在樁位上預先施工比管樁外徑大100 mm的水泥土攪拌樁，在攪拌樁施工結束后、水泥初凝前，再靜壓管樁。引孔控制深度穿過④2粉砂層。水泥的初凝時間可摻入適量的外加劑加以調節，來適應施工班組的實際生產功效。

靜載試驗分為3 組，第1組中對1 根常規非引孔單樁進行了初壓和復壓試驗。第2組測試了2 根用水泥土引孔工藝的試樁；第3組對用摻入膨潤土的改進的水泥土引孔工藝施工3 根試樁，和3 根工程樁分別進行了測試。管樁有效樁長與設計擬采用的樁長一致，統一為17 m。

1）首先進行的是未經引孔、直接壓樁的單樁初壓和復壓靜載試驗，其Q-s曲線如圖1所示。

初壓極限承載力為2 840 kN。8 d后復壓，加載至3 300 kN后，為較準確測得承載力，荷載分級由300 kN減小為100 kN，測得復壓樁極限承載力為3 500 kN，雖較初壓增長約20%，但離單樁目標極限承載力4 800 kN還有1 300 kN。

2）第2組用水泥土引孔的2 根樁靜載試驗，其Q-s曲線如圖2所示。

圖1 普通靜壓樁的初壓和復壓Q-s曲線

圖2 常規水泥土樁引孔 靜壓樁的Q-s曲線

2 根樁極限承載力分別為2 880 kN和3 750 kN，第1根樁測試結果與非引孔樁結果很接近，表明水泥土引孔沒有起到顯著作用，第2根樁測試結果雖有增長，但試驗結果與目標承載力4 800 kN相差較大。

第2組用水泥土引孔后，可以判斷是樁側摩阻力沒有比原狀土顯著提高，并且2 根樁承載力相差達到 870 kN，離散性很大，無法滿足工程要求。

單純采用水泥土引孔，由于砂層十分致密，水泥土不易攪拌均勻，攪拌效能較低，從而管樁壓入后樁側摩阻力較原狀土提高不穩定，甚至基本沒有提高，故提高承載力應從增加水泥土在密實砂層中攪拌均勻性著手。

3）第3組采用改進的水泥土引孔工藝，摻入膨潤土后，3 根試樁的Q-s曲線如圖3（a）所示。

第1根試樁加載至5 200 kN后，樁頭破碎，其前一級荷載為5 000 kN，荷載試驗曲線為緩變形，可以判斷單樁豎向極限承載力不低于5 000 kN。為保證試驗人員的安全起見，后面的各單樁靜載試驗最大加載值均取4 800 kN。試樁靜載測試結果均不低于4 800 kN。試樁試驗成功后，將之用于工程樁，3 根試樁的Q-s曲線如圖3（b）所示。工程樁的靜載測試結果均不低于4 800 kN。作為3 根工程樁靜載試驗的輔助檢查，隨機抽取了12 根工程樁，對其進行高應變測試，各樁測試結果表明其極限承載力也不小于4 800 kN。

圖3 改進的水泥土樁引孔靜壓樁的Q-s曲線

對比第2組和第3組測試結果，可見在密實砂層中，引孔成樁的水泥土均質性好壞，直接影響到樁側摩阻力的增幅大小與穩定性。利用引孔漿液中摻入膨潤土的觸變性，讓水泥土易于攪拌，使水泥土更為均勻，從而獲得較高的穩定可靠的管樁豎向極限承載力。

在工程樁施工過程中，壓樁力較常規靜壓樁施工工藝顯著減少，壓樁工效比常規壓樁大為提高。工程樁的最終壓樁力，平均值為1 753 kN，標準差為874 kN，遠小于單樁豎向極限承載力4 800 kN，而極限承載力不小于4 800 kN。

對180 根工程樁進行了動載低應變測試，155 根樁測試結果為Ⅰ類樁，在不同深度存在輕度缺陷的Ⅱ類樁25 根，但均可作為正常工程樁使用。利用摻入膨潤土的水泥土引孔技術施工的靜壓管樁，還避免了在這類有深厚砂性壓土層的場地施工靜壓樁時，出現常見的靜壓樁樁頭爆裂、由于浮樁需要復壓和各樁樁身有效長度不等或達不到設計標高等不利狀況。

3 水泥土引孔工藝靜壓管樁的施工控制方法

在密實砂層中，使用摻入膨潤土的水泥土引孔技術，正是由于膨潤土的摻入增強了水泥土混合物的觸變性，使得攪拌樁鉆頭易于在密實砂性土層中攪拌，使水泥土更為均勻，加上水泥土初凝前、管樁壓入過程中對水泥土的擠密作用，隨著樁側水泥土強度的發展，樁側原狀土最終被置換為強度更高、與樁側結合更為緊密的水泥土，從而獲得比原狀土更高的摩阻力，單樁的豎向極限承載力進而得到大幅度穩定提高。故施工措施上要從使得水泥土在密實深厚砂層中更易于攪拌均勻，與后施工的管樁結合更緊密上探索施工控制技術。

3.1 施工流程

攪拌樁樁位測放→攪拌樁引孔→管樁樁位復測→管樁施工

3.2 攪拌樁工藝控制方法

3.2.1 攪拌樁樁位測放

根據設計圖測放樁位，將每根樁位用竹簽打入地下做好標志，如在機械行走過程中被壓掉，當由于現場不能通視等條件限制，不能用方格網法復測樁位時，應當用極坐標法復測。

3.2.2 攪拌樁引孔工藝控制

1）引孔深度控制。本工程引孔深度以穿過④2粉砂層為目標控制，加上地表以下至樁頂標高以上送樁長度，引孔深度18 m，引孔φ600 mm。樁頂標高以上送樁部分不噴漿。

2）漿液配比控制。根據本工程地層特點和工藝要求，水泥漿的水灰比應嚴格控制在0.8～1.0范圍內。噴漿量按加固土體質量比的12%控制，另摻入水泥質量12%的外加劑，外加劑為以蒙脫石為主要組成部分的膨潤土。按每根樁水泥及外加劑計算用量放入攪拌桶，攪拌漿放入集漿池。此外，為嚴格保證配合比，輸漿管空管時要加100 kg水泥漿，事先潤滑管道，防止管道吸水而使配合比發生改變。

3）引孔過程控制。采用3 次噴漿、4 次攪拌工藝。攪拌樁成樁工藝包括樁機就位，預攪下沉噴漿，噴漿攪拌上升，重復下沉攪拌，重復噴漿攪拌上升等環節。

試劑：Ni2+貯備液1000mg/L、氫氧化鈉溶液，C(NaOH)=2mol/L、氫氧化鈉溶液，C（NaOH）=0.1moL/L、硝酸溶液（1：1）、硝酸溶液（1：99）、蒸餾水

具體操作要點如下：

（1）樁位測放：測量控制點交接后，進行樁位測放，測放偏差不大于20 mm。

（2）樁機就位：引孔樁機就位、對中按照預先設定的施工順序，移機就位、對中、調整機垂直度，確保成樁垂直度偏差不超過1%。

（3）預攪下沉：預攪下沉速度由電氣控制裝置的電流監測表控制，且鉆頭必須正向旋轉下沉，進入砂層后即可噴漿下沉。

（4）噴漿攪拌上升，下沉至設計樁深，待漿液送至鉆頭出口時，邊噴、邊攪拌上升，攪拌必須均勻，噴漿攪拌時鉆頭的提升（或下沉）速度不宜大于0.5 m/min。

（5）漿液制備及送漿 ：壓漿速度應和提升（或下沉）速度相配合，確保額定漿量在樁身長度范圍內均勻分布。

（6）漿液攪拌應均勻，隨配隨用，放入料筒前使用濾網進行過濾。攪拌人員應認真記錄攪拌量，司泵人員應如實記錄施工耗漿量。

3.3 靜壓管樁施工控制

攪拌樁引孔施工結束后、水泥初凝前，采用靜壓樁機進行成樁施工。

每根樁引孔結束后，應采用全站儀根據軸線重新測放樁位，并經有關人員復核后，方可施工并做好樁位保護工作。

樁機就位前，施工班組必須進行樁位復查，凡單樁樁位誤差大于10 mm的，應重新測放，待校正后方可進行攪拌樁施工。

施工時必須控制樁的垂直度，調整樁身偏差不超過0.5%后，方可開始壓樁，并隨時接受檢查，最終樁身垂直度偏差不超過1%。

其余施工過程同普通靜壓樁，在此不再贅述。

4 結語

本工程采用摻入膨潤土的水泥土樁引孔技術后，較采用常規靜壓技術的管樁豎向極限承載力有大幅穩定增長，增幅約為70%，質量可靠，壓樁力減少，節約造價[6,7]。

水泥土引孔靜壓管樁要取得較高單樁豎向極限承載力，需要從水泥土攪拌成樁質量著手，做好如下主要控制要點：

1）攪拌樁樁位與管樁樁位準確測放，二者樁位中心重合，嚴格控制攪拌樁和管樁各自的垂直度，以使管樁位于攪拌樁中心，使得管樁周圍都能被水泥土均勻握裹，可靠提高樁側摩阻力。

2）根據深厚密實砂層特點，為更易于水泥土攪拌，引孔漿液應摻入適量膨潤土，根據試配結果，嚴格控制攪拌樁水泥漿液的配合比和膨潤土的摻量。

3）水泥土攪拌樁采用3 次噴漿、4 次攪拌工藝，壓漿速度應和提升（或下沉）速度相配合，確保額定漿量在樁身長度范圍內均勻分布。每根樁都要復攪復噴，求得最佳加固效果。

4）做好工序的銜接，避免引孔結束后的長時間等待。應在攪拌樁引孔施工結束后復測管樁樁位，在水泥初凝前完成壓樁。