現(xiàn)澆混凝土夾芯樁（空心樁）成樁工藝的研究

梁 朋 屈建民 唐 婭 李棟森 匡焰軍 白 雪

1. 德成建設(shè)集團有限公司 湖南 常德 415000；2. 湖南博聯(lián)工程檢測有限公司 湖南 常德 415000

一般工程中設(shè)計的現(xiàn)澆混凝土實心樁，其樁身豎向軸心受壓承載力計算值遠大于基樁豎向承載力標準值。為了在確保承載力的同時，能節(jié)省多余的混凝土，工程上出現(xiàn)了大直徑現(xiàn)澆混凝土空心樁、筒樁和管樁等，但現(xiàn)澆混凝土中、小型空心樁仍極少見，其主要原因是目前中、小型空心樁的多種成樁工藝及專利文獻所提供的方法[1-3]，對降低施工成本的效果極有限。若能研發(fā)出一種低成本的成樁工藝，則現(xiàn)澆混凝土空心樁將會得到廣泛應(yīng)用。

為解決上述難題，我們摒棄了傳統(tǒng)思維，采取等效替換或轉(zhuǎn)換的辦法，研究出了利用夾芯替代空心且可由夾芯樁轉(zhuǎn)換成空心樁的低成本成樁工藝。

1 現(xiàn)澆混凝土夾芯樁的可行性分析

眾所周知，泥漿護壁成孔灌注樁在成孔過程中，對于不同的地質(zhì)條件，使用了相應(yīng)合理密度的泥漿來防止孔壁坍塌，同時泥漿循環(huán)上涌又將成孔的渣土送出孔口。這一神奇的泥漿護壁工作原理，給我們一個很大的啟示：在樁體新澆混凝土中先預(yù)埋的鋼管內(nèi)或后沉入的鋼管內(nèi)灌入某種合理密度的護壁夾芯材料，令其及時填充拔管留下的空間，防止處于流塑狀態(tài)的混凝土筒壁坍塌，就能實現(xiàn)施工的連續(xù)性，制作出與空心樁等效的夾芯樁。若有必要令夾芯樁成為空心樁體時，可在夾芯體內(nèi)注入高壓水流沖出夾芯材料，抽干水就能形成理想的空心樁。

2 護壁夾芯材料的選擇

護壁夾芯材料無需全等同于泥漿對泥漿護壁成孔灌注樁成孔的雙作用，只需對處于流塑狀態(tài)的混凝土內(nèi)筒壁進行有效護壁即可。經(jīng)分析，要求夾芯材料的合理密度應(yīng)約等于新澆混凝土的密度。若密度相差太大，則極易發(fā)生相互滲透或筒壁坍塌，影響樁身質(zhì)量。

選擇夾芯材料時，還應(yīng)考慮對拔管引起的側(cè)阻值要小、孔隙率低、廉價易取等因素。經(jīng)對超高密度泥漿、多種散粒材料、砂石混合泥漿等性能的綜合比較分析，初步結(jié)論為：

1）宜優(yōu)先選用合理密度的砂石混合泥漿作為夾芯材料，其具有可泵送、易操作、價廉、環(huán)保等優(yōu)點，但注意拔管過程中應(yīng)停止振管。

2）有條件的場地也可采用山礫石、砂或砂石混合料作為夾芯材料，其較易操作，但價格稍貴；同時，拔管阻力相對較大，拔管過程中不宜過分振動。

3 模擬夾芯樁試驗

3.1 模擬夾芯樁的試驗?zāi)康?/h3>

夾芯樁能否成功，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是夾芯材料護壁是否可靠。本試驗選用較不利的粒徑20 mm的碎石和相對密度為1.72的泥漿，分別作為夾芯材料。模擬樁的試驗?zāi)康氖怯^測夾芯材料處于樁內(nèi)的成形狀態(tài)、夾芯材料與混凝土相互滲透的影響程度以及拔管的阻力大小等。

3.2 模擬夾芯樁的制作過程簡述

將長4.1 m、DN400 mm的HDPE雙壁波紋管立于平整的地面，其周邊搭設(shè)可靠的操作架；HDPE雙壁波紋管管內(nèi)插入外徑為165 mm（內(nèi)徑為160 mm）、長為4.5 m的鋼管，且垂直居中；先向HDPE雙壁波紋管與鋼管之間灌注坍落度為200 mm的C25混凝土，后向鋼管內(nèi)投入高1 m的碎石，且在碎石頂蓋上一塊φ155 mm木膠板（用于隔離上部泥漿），再灌入相對密度為1.72的黏土泥漿至高3.1 m，并用竹竿反復(fù)穿插消除氣塞，然后在不振動時以0.3 m/min速度立即拔出鋼管。模擬樁豎向剖面如圖1所示。

圖1 模擬樁豎向剖面

3.3 觀測、試驗

1）觀測。在拔管過程中，發(fā)現(xiàn)混凝土和泥漿均有下沉現(xiàn)象?；炷翝仓?0 d后，放倒樁身，在樁底碎石段截取1節(jié)600 mm長筒體，在泥漿段截取2節(jié)600 mm筒體。觀測到碎石節(jié)基本成形，混凝土漿體浸入碎石周邊孔隙，深度3～4 mm，周邊碎石被嵌固形成犬牙狀。觀測2個泥漿節(jié)，均成形良好，其孔徑同鋼管內(nèi)徑。

2）試驗。澆筑后的第24 d，由湖南博聯(lián)工程檢測有限公司對3節(jié)筒體進行了鉆芯取樣并試壓，其強度等級達到C25。

3.4 模擬試驗小結(jié)

模擬樁試驗時采用高密度純泥漿和碎石分別作為護壁夾芯材料，均獲得護壁成功，但出現(xiàn)的問題基本上同此前初步性能分析的情況：純泥漿灌入流速很慢，極易發(fā)生氣塞，拔管速度需控制在0.3 m/min內(nèi)，拔管后管內(nèi)黏附的泥漿較多，顯然這不利于工程樁成樁；利用孔隙較大的碎石等散粒材料時，混凝土的部分漿體流失，同時不能泵送，因而影響施工速度，且材料價格偏高，不適合工程利用。通過前述的夾芯材料分析和模擬樁試驗結(jié)果，為下一步工程試驗樁采用砂石混合泥漿作為護壁夾芯材料奠定了基礎(chǔ)。

4 長螺旋鉆孔壓灌夾芯樁現(xiàn)場試驗

后沉管擠土擴徑夾芯樁的試驗?zāi)康模候炞C后沉管夾芯樁的砂石混合泥漿護壁可靠性；探究后沉管夾芯樁的正確施工方法；進行壓樁試驗，對比混凝土實心樁與后沉管擠土擴徑夾芯樁承載力的差異。

4.1 現(xiàn)場試樁制作過程簡介

試樁地點為常德市某工程項目地下室基坑鄰近的ZK49位，實心樁與夾芯樁間距約7 m。ZK49位的相關(guān)地勘資料如圖2所示。長螺旋鉆孔壓灌樁在粉土、粉砂中的極限側(cè)阻力標準值分別為52、38 kPa，在圓礫中的極限側(cè)阻力標準值為110 kPa，極限端阻力標準值為3 600 kPa。

圖2 ZK49位的相關(guān)地勘資料（柱狀圖）

施工操作過程簡述如下：

1）先打一根直徑600 mm的長螺旋鉆孔壓灌樁，混凝土坍落度為200 mm，強度為C30。樁入土深度11.21 m，進入圓礫層約2.03 m，事后樁機移位。

2）用專用打鋼管樁的設(shè)備，提吊已灌滿坍落度為200 mm砂石混合泥漿的φ 350 mm鋼管（預(yù)制樁尖φ375 mm），按振動沉管灌注樁全長復(fù)打的工藝要求，振沉約9.58 m（夾芯入圓礫層約400 mm）后以0.8 m/min速度拔出鋼管。觀察到振沉鋼管進入原混凝土樁體的速度較快（振動錘動力為300 kN），孔口有少量混凝土溢出，孔頂樁徑未見擴大；拔管很輕松、順暢，夾芯料已全部進入樁體內(nèi)。分析孔頂樁徑未見擴大的主要原因是表土較硬，樁頂混凝土上部無約束而溢出。

3）在完成夾芯樁后，在距夾芯樁約7 m處，另打一根直徑600 mm實心樁，其入土深度為11.65 m，進入圓礫層2.03 m。

現(xiàn)場試樁剖面如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場試樁剖面

4.2 2種樁體的豎向極限承載力標準值估算

根據(jù)豎向極限承載力標準值的相關(guān)規(guī)范公式，并用圖示相關(guān)參數(shù)代入，可得出實心樁的承載力標準值QUK＝2 162.71 kN；對于沉管擠土擴徑夾芯樁，設(shè)原樁徑為D1，樁尖直徑為D2，則效應(yīng)擴徑值D＝（）1/2＝0.71 m，由此得出沉管擠土擴徑夾芯樁的承載力標準值（考慮樁尖的折算作用高度為0.2 m）Q'UK＝2 674.58 kN。

為了求得較準確的對比數(shù)據(jù)，假定實心樁與夾芯樁同長，此時的承載力標準值Q''UK＝2 119.60 kN。

樁體夾芯后，其承載力按估算值的提高率ρ＝（Q'UKQ''UK）/Q'UK＝26%。

現(xiàn)場對實心樁和擴徑后的夾芯樁做破壞性試壓，試壓報告指出：實心樁試壓結(jié)果為1 980 kN（＜估算值QUK＝2 162.71 kN），夾芯樁試壓結(jié)果為2 880 kN（＞估算值Q'UK＝2 674.58 kN）。

由以上數(shù)據(jù)可得出：原樁體擠土擴徑夾芯后，樁的承載能力得到較大提高，且提高值大于估算值。

5 簡介幾種夾芯樁的施工方法

5.1 預(yù)埋管夾芯樁

預(yù)埋管夾芯樁多用于干作業(yè)成孔的中、小樁型。該方法主要是節(jié)約了樁體多余的混凝土部分，且樁成形質(zhì)量好，本文的模擬樁是很好的例證。

其施工順序為：清理樁孔→吊入居中器、安放鋼筋籠→安放鋼管且校正→鋼管內(nèi)先灌入50 cm左右高的混凝土，再灌滿砂石混合泥漿→澆灌鋼管外周混凝土→拔管初始振動鋼管，拔管過程中停止振動。部分施工過程如圖4～圖6所示。

圖4 成孔后安放鋼筋籠

圖5 安放鋼管、灌夾芯料

圖6 鋼管外灌混凝土

5.2 后沉管夾芯樁

后沉管夾芯樁可用于除人工挖孔樁外的各類型現(xiàn)澆混凝土灌注樁。后沉管夾芯樁擴大了原樁徑，提高了原樁的承載力，成樁速度快，但沉管和拔管時要嚴格落實鋼管垂直居中措施。

其施工順序為：樁體混凝土澆筑完成→安放樁尖和繩墊→振沉鋼管→管內(nèi)灌滿砂石混合泥漿→振沉鋼筋籠→拔管初始振動鋼管，拔管過程中停止振動。部分施工過程如圖7～圖9所示。

圖7 成孔后灌注混凝土

圖8 沉鋼管后灌夾芯料

圖9 沉鋼筋籠后拔管

5.3 大直徑夾芯樁

大直徑夾芯樁施工時，采用單管夾芯的鋼管直徑和施工設(shè)備將受到一定限制，可以采用多管埋置方式或后沉多管方式進行（圖10～圖13）。

圖10 預(yù)埋管剖面示意

圖11 后沉管剖面示意

圖12 預(yù)埋管成樁截面

圖13 后沉管成樁截面

1）大直徑干作業(yè)成孔夾芯樁施工順序為：清孔→吊放中心鋼管底部定位器→安裝鋼筋籠→安裝中心鋼管→吊掛附鋼管→吊掛鋼筋箍→泵送混凝土，令混凝土也進入各管內(nèi)不少于50 cm高→分別同步在管內(nèi)灌入砂石混合泥漿、管外泵入混凝土→拔出附鋼管→拔出中心鋼管。

2）大直徑泥漿護壁成孔灌注夾芯樁施工順序基本同大直徑干作業(yè)成孔夾芯樁，只是原管內(nèi)泥漿濃度較低，需另置換高密度砂石混合泥漿。注意砂石混合泥漿投入的增高值應(yīng)等同于鋼管外混凝土的增高值。

3）后沉多管大直徑夾芯樁施工方法基本上是第5.2節(jié)和第5.3節(jié)的工藝組合，即施工順序為：原樁混凝土澆筑完成→振沉中心鋼管并灌夾芯料→對稱振沉各鋼管并灌夾芯料→無振動條件下拔出各鋼管。

6 綜合效益分析

6.1 樁體直接費（成本）經(jīng)濟效益分析

不同類型樁的成樁工藝有差別，但預(yù)埋管法和后沉管法形成的夾芯部分價格基本相同。

1）以本地區(qū)市場信息價，按振動沉管樁費用再進行材料換算，可得每1 m3夾芯柱的費用為354.26元。

2）對于預(yù)埋管法施工夾芯樁，只能從預(yù)拌混凝土中獲得節(jié)約，C30市場價為440元/m3，則每使用1 m3夾芯柱節(jié)約費用為85.74元。

3）對于后沉管法施工夾芯樁，因沉管擴大樁徑后單樁承載力提高，其每使用1 m3夾芯柱節(jié)約費用為原樁型每1 m3成樁費用減去每1 m3夾芯柱費用。如：長螺旋鉆孔壓灌夾芯樁每使用1 m3夾芯柱可節(jié)約費用750元/m3左右，泥漿護壁沖孔夾芯樁每使用1 m3夾芯柱可節(jié)約費用1 020元/m3左右等。

從上例粗略估算可知：后沉管法施工夾芯樁比預(yù)埋管法施工夾芯樁的直接經(jīng)濟效益好很多。另外，后沉管法提高了單樁承載力，則原群樁受力承臺下的樁數(shù)量減少，相應(yīng)地減少了群樁承臺的體量，降低了工程成本。

6.2 社會意義

1）樁基混凝土總用量減少，則水泥用量減少，減少了生產(chǎn)水泥對環(huán)境的污染。

2）就地利用余土拌制成護壁夾芯料回灌，減少了余土外運和余土（泥漿）對環(huán)境的污染。

3）后沉管夾芯樁工藝是傳統(tǒng)打樁工藝與沉管夾芯工藝的有機結(jié)合，且具有互不干擾、施工連續(xù)、操作簡易快捷、成本低等優(yōu)點，這為今后的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

7 設(shè)計和施工的注意事項

7.1 設(shè)計注意事項

1）后沉管夾芯樁的效應(yīng)擴徑值可作為基樁豎向承載力標準值計算的估算依據(jù)；后沉管在穿越硬土夾層時，幾乎未能擴徑，所以當樁身軸心受壓時，其正截面受壓承載力設(shè)計值，只能由原樁截面減去夾芯面積進行計算。

2）考慮鋼筋的內(nèi)外保護層厚度，其夾芯直徑應(yīng)至少比原樁直徑小250 mm。

3）后沉管中、小直徑夾芯樁不應(yīng)用于支護樁或承受較大水平荷載的樁體。

7.2 施工注意事項

1）采用預(yù)埋鋼管施工直徑小于1.2 m的夾芯樁時，因筒壁厚度較小且有鋼筋籠占位，澆灌混凝土會遇到困難，施工時應(yīng)有可靠的質(zhì)量保證措施。

2）單管預(yù)埋或多管預(yù)埋的中心管下端應(yīng)先在樁孔底安放居中器；居中器宜做成十字形，且在十字桿件端部焊有船形鋼板，其十字形長度應(yīng)比原樁孔徑小20 mm左右。注意管內(nèi)先灌0.5～1.0 m高混凝土，再灌夾芯料。

3）后沉單管時，其管底端應(yīng)設(shè)居中器，在沉管過程中注意按以下操作過程進行：空管自重下沉→下沉停止后校正→灌夾芯料伴振動下沉至設(shè)計深度→再次校正。

4）大直徑樁采用沉管擴徑時，樁頂混凝土不宜全灌滿，應(yīng)留適當孔口高度，以免沉管引起的混凝土上擠溢出造成浪費。

5）鋼管拔出時應(yīng)沿原樁軸線方向進行，拔管初始可振動，在拔管上提過程中停止振管。

8 結(jié)語

現(xiàn)澆混凝土夾芯樁實質(zhì)上是現(xiàn)澆混凝土空心樁的等效替代體，結(jié)構(gòu)合理。通過本文的相關(guān)研究，得出以下結(jié)論：

1）就地利用余土制成砂石混合泥漿作為夾芯材料，實現(xiàn)了對新澆混凝土內(nèi)筒壁的有效護壁，從而保證了施工連續(xù)性，這是本研究的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點。

2）后沉管夾芯樁實現(xiàn)了無新增混凝土擠土擴徑，提高了單樁承載力，大幅度降低了成本。

3）采用預(yù)埋多管法或后沉多管法可實現(xiàn)大直徑夾芯樁（空心樁）的施工，其經(jīng)濟效益將更顯著。

4）夾芯樁的施工工藝是2種傳統(tǒng)簡易工藝的有機組合，且操作簡單，施工快捷，綜合效益顯著。

這些優(yōu)勢為其更廣泛的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。