山區深厚填土復雜地層中接力成樁技術的研究與應用

劉猷鵬 李 俊 郭 瀟 胡熠暉

（中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

我國是個多山之國，據統計，山地、丘陵和高原的面積占全國土地總面積的69%，隨著我國城鎮化建設的不斷推進，大量城市平地資源日趨稀缺，對山多平地少的城市則不可避免地采取移山造地、填溝造地和利用工程棄土場等作為城市發展用地的方法，在該背景下，形成了許多以塊石、碎石土、建筑垃圾等為介質的深厚填土復雜地層建設場地。

由于這種場地深厚填土的來源、填土成分、堆填方式比較復雜，具有結構松散、性質不均勻、工程性質差的特點，一般不能直接作為建筑物的地基，深厚填土區開發建設時通常須對場地進行地基處理或者采用樁基礎穿透深厚填土地層，而山區深厚填土成樁一直是工程施工的重難點，該文通過工程實例，對適用于深厚填土復雜地層中接力成樁技術進行了研究。

1 山區深厚填土特點

山區深厚填土普遍存在以下特點：1）填土場地原始地貌多為山間沖溝、江河岸坡等，是由于工程建設開挖就地回填或作為城市渣土消納場等原因形成的，填筑方式多為拋填、分多次填筑而未經過分層碾壓等有效處理。2）填料來源、組成成分、填筑時間差異性大，成分一般為開山形成的土石方、生活垃圾或建筑垃圾等，其中塊石母巖質地軟硬不一，含量一般大于50%，塊徑大于1m以上的塊石比例較高，工程性質極不均勻。3）填筑時間短，結構疏松，顆粒分配極不均勻，局部具有架空結構，呈欠固結狀態，壓縮性大，后期往往造成地面過大沉降。4）填土孔隙率大、滲透性大，雨后積水和季節性地下水位波動通過填土層間孔隙和土體流失貫通形成排水孔洞，在地面往往會出現非自重濕陷下沉現象。

2 常用成樁方法

根據地方工程經驗，深厚填土地基常用的成樁方法有人工挖孔樁、旋挖鉆孔灌注樁、沖擊成孔灌注樁等。

2.1 人工挖孔樁

人工挖孔樁是指采用人力挖土、成孔，然后安放鋼筋籠，灌注混凝土成樁的方法。人工挖孔樁成孔方法簡單，單樁承載力高，施工時無振動、無噪聲，施工設備簡單，可同時開挖多根樁以節省工期，可直接觀察土層變化情況，便于清孔和檢查孔底及孔壁，施工質量可靠。但由于其勞動條件差、勞動力消耗大、安全風險高，多數地區已被限制使用。

2.2 旋挖鉆孔灌注樁

旋挖鉆孔灌注樁是指采用旋挖鉆機機械成孔，然后安放鋼筋籠，灌注混凝土成樁的方法。旋挖鉆機成孔首先是通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉破碎巖土，并直接將其裝入鉆斗內，然后再由鉆機提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土卸土，直至鉆至設計深度。對黏結性好的巖土層，可采用干作業或清水鉆進工藝，無須泥漿護壁。而對松散易坍塌地層如深厚填土，或有地下水分布、孔壁不穩定的地層，必須采用靜態泥漿護壁鉆進工藝，向孔內投入護壁泥漿或穩定液進行護壁。旋挖成樁具有適應地層強、成孔速度快、工期短、效率高等優點[1]。同時，旋挖成樁還存在成本高、投入大、機械自重大、孔壁護壁效果較差、需要吊裝機械配合等缺點。

2.3 沖擊成孔灌注樁

沖擊成孔灌注樁是指采用沖擊鉆機把沖錘提高，靠自由下落的沖擊力來削切巖層，排出碎渣成孔，然后放入鋼筋籠再灌注混凝土成樁的方法。沖擊鉆機有鉆桿式和鋼絲繩式兩種，前者所鉆孔徑較小、效率較低、應用較少，后者鉆孔直徑大，可根據設計的樁徑來修改鉆頭的大小，錘重一般在3t～10t（具體根據樁徑的大小來確定錘重）。沖擊成孔灌注樁適用于填土層、黏土層、粉土層、淤泥層、砂土層、碎石土層、礫卵石層、巖溶發育巖層或裂隙發育的地層施工，樁孔直徑通常為600mm～1500mm，最大直徑可達2500mm，最大沖孔深度超百米。但在沖擊過程中如遇到大塊石或硬質基巖時，沖擊碎巖困難，易產生偏鉆。同時，沖擊鉆還存在成孔速度慢、效率低、工期長、機械損耗大等缺點。

3 工程運用

某工業建筑場地，地處鄂西山區，原始地貌為山間“V”形沖溝，沖溝兩側地形坡度 30°～50°，溝寬 50m～130m，為城郊公路修建時開山平場形成的土石方棄渣場，已拋填20m～40m 厚的填土，在沖溝下緣沖溝匯流處形成了高約 40m的高邊坡，場地填土面積約 28 萬m3，自 2012 年開始隨機填筑，填筑時長 1～8 年。勘察資料表明，該場地深厚填土結構松散，級配極差，局部具有架空架構，工程性質差。

擬建建筑物位于原沖溝上部，為3棟5層框架結構廠房。通過技術、經濟、安全、工期、現場條件等因素的綜合分析對比，設計最終采用了強夯法+鉆（沖）孔灌注樁方案的地基處理方式。

場地地層自上而下可劃分為4層。

第①層素填土：結構以松散為主，承載力低，具高壓縮性，具有架空結構，為場地不良地基土層，工程性質差，不能作為建筑物的基礎持力層。

第②層含碎石粉質黏土：可塑狀，屬中等壓縮性土，厚度在1.0m～5.9m,埋深一般超過15m，層位分布不穩定，局部地段缺失，不能作為基礎持力層。

第③層強風化砂巖：巖質軟弱，巖體破碎，風化裂隙發育，巖芯多呈碎塊狀或短柱狀，平均厚度為2.6m，厚度變化大，分布不穩定，不宜作為基礎持力層。

第④層中風化砂巖夾泥巖：較軟巖，巖石較完整，不同巖性飽和單軸抗壓強度及承載力特征值較高，可以為不可壓縮層，是該工程良好的基礎持力層。

強夯在樁基礎施工前進行，夯錘采用50t，落距20m，根據現場試驗結果（見圖1）顯示強夯有效深度為地表以下6m～8m，受強夯作用土體密實度有所改善，但填土性質在垂直方向性質變化依然較大。

圖1 動力觸探擊數與①素填土深度相關性散點圖

樁基礎設計采用旋挖成孔或沖擊成孔，施工時應考慮填土塌孔對樁基施工造成的不利影響，采用合適的泥漿配合比或在人工填土段采取鋼護筒護壁成樁工藝。

按設計要求，為檢驗成樁可行性和質量效果，在正式施工前選取場地不利地段進行了試樁，試樁根數為3根，樁徑1000mm，樁長22m～35m，設計嵌巖深度4m。根據場地地質條件和當地施工經驗，全孔鋼護筒護壁成樁工藝拔管困難且不易回收、成本高、效率低，不適用于該工程，未予采用，計劃采用泥漿護壁旋挖鉆孔的施工工藝，泥漿護壁沖擊成孔作為備選方案，旋挖鉆機選用XR280D型大功率入巖旋挖鉆機、沖擊鉆機選用CZ-8A型。在施工過程中，3根試樁在填土層鉆進中均發生了塌孔情況，其中2根試樁在旋挖鉆進過程中出現嚴重塌孔、漏漿現象導致無法成孔后采用了備選的沖擊成孔施工工藝，孔內回填干黏土料堵漏后注入泥漿沖孔，再遇漏漿后反復填料處理直至達到設計要求，3根試樁成樁共耗時13天之久。

4 施工難點及原因分析

4.1 施工難點

經分析，在山區深厚填土復雜地層灌注樁施工的主要難點是成孔困難，主要體現在鉆進困難、塌孔、漏漿、埋鉆。

4.2 原因分析

4.2.1 鉆進困難

山區填土成分復雜，填土厚度大，地層雜亂無章，遇大量孤石、漂石處，如孤石、漂石直徑大于鉆頭或孤石、漂石附近地層軟弱時，會隨鉆頭一同旋轉，一般成孔工藝難以穿透成孔[2]。

4.2.2 塌孔、漏漿、埋鉆

因深厚填土隨機回填而未經壓實，結構松散，孔隙率大，在上層滯水和季節水位波動帶處容易塌孔、漏漿，沉渣厚度和混凝土充盈系數不易控制。經統計，該場地在地表以下7m左右、15m～17m、19m～23m處塌孔、漏漿嚴重，尤其在23m左右（原始沖溝地面處）特別嚴重。分析認為，7m左右位于場地強夯作用有效深度界限，上層滯水富集及填土密度改變不利影響明顯，而后兩處漏漿部位分別位于季節水位波動帶，填土孔隙間在地下水流沖蝕下形成了較大的滲流孔洞，極易造成孔內塌孔、漏漿、埋鉆。

5 解決對策

5.1 常規情況處理對策

通過查閱大量相關資料并咨詢業內專家，在分析本場地試樁情況的基礎上，提出在正式施工時改進現有成樁方案，改用沖擊鉆配合旋挖鉆接力成樁技術，具體為在填土層中采用旋挖鉆機干作業鉆至地面以下7m左右，該段填土經強夯后孔壁有一定的自穩能力，7m左右遇第一個塌孔、漏漿點時提鉆，利用挖掘機將優質干黏土料倒入孔內，改用沖擊鉆進行自造漿后注入已經配好的高質量復合泥漿護壁沖孔，期間在15m～17m、19m～23m兩處塌孔、漏漿點利用該方法反復倒入干黏土料和注入高質量復合泥漿沖孔至基巖頂面后，再次改用旋挖鉆鉆至設計樁底成孔，為避免成孔后發生塌孔，保證成樁，必須在清孔后快速安放鋼筋籠和澆筑混凝土。

沖擊鉆通過沖擊勢能對孔周土體具有擠密作用，加之配合倒入的干黏土料和高質量復合泥漿護壁作用，能夠很好地將填土層內孔隙填充并在孔壁形成泥皮，起到防塌、止漏的效果，而大功率旋挖鉆在填土干作業段和硬質基巖段成孔工效較沖擊鉆要高很多。

5.2 特殊情況處理對策

對填土層中前期加固效果欠佳和地下水流沖蝕形成滲流孔洞較多、塌孔、漏漿非常嚴重的個別鉆孔，出現的只出土不進尺的情況，分析其孔壁周邊地層坍塌已經形成“大空腔”，此時，常規處理對策已經不能適用該情況，應改用低標號混凝土或砂漿進行填孔，待混凝土初凝后對該處充填形成護壁作用后再繼續成孔[2]。

6 運用效果

場地灌注樁正式施工時推廣了此套接力成樁技術，每2臺成孔設備（1臺旋挖鉆、1臺沖擊鉆）由之前的13天完成3根樁的情況提高到每2臺成孔設備（1臺旋挖鉆、1臺沖擊鉆）配合接力每天成樁1根～1.5根，大大減小了常規方法在此類深厚填土復雜地層中帶來的不利影響，綜合成樁工效顯著提高，保證了工期目標的實現。

項目樁基檢測由業主委托第三方檢測單位完成，所有灌注樁在成樁后按照設計和規范要求進行了質量檢測，結果如下。

6.1 基樁低應變檢測

根據基樁低應變試驗檢測報告，所檢樁樁身波速介于3805m/s～3919m/s，全部為I類樁。

6.2 基樁鉆芯檢測

基樁鉆芯檢測按總樁數的10%進行抽檢，根據基樁鉆芯檢測報告，所檢樁樁身混凝土芯樣連續、完整、膠結好，芯樣側表面光滑、骨料分布均勻，局部芯樣側表面見少量氣孔，無斷樁現象。所檢樁樁底沉渣厚度滿足規范要求，樁身混凝土強度檢測值和樁端持力層巖石抗壓強度試驗值均滿足設計要求。

6.3 單樁豎向抗壓靜載試驗

單樁豎向抗壓靜載試驗按總樁數的1%進行抽檢，根據單樁豎向抗壓靜載試驗檢測報告，所檢樁單樁豎向抗壓承載力特征值均滿足設計要求，最大沉降量分別為3.78mm、4.76mm、5.29mm（見圖2），滿足規范要求。

圖2 單樁豎向抗壓靜載試驗Q-s曲線圖

7 結語

通過該工程實例表明，改進后的強夯法+沖擊鉆配合旋挖鉆接力成樁關鍵技術能成功解決在山區深厚填土復雜地層中成樁困難問題，灌注樁成樁質量能夠得以保證，避免了采用注漿法、人工挖孔樁、鋼護筒跟管護壁成樁等經濟性差、安全性低的方法，大大減少了施工周期，節約了工程成本，取得了良好的社會和經濟效益。

隨著我國基礎設施建設和城鎮化進程不斷向山區推進、完善，該項關鍵技術在我國類似深厚填土復雜地層的山區和施工經驗較少的地區基礎設施工程和工業與民用建筑工程中值得借鑒和推廣。