深厚軟弱土層中大直徑灌注樁成孔設備的適用性研究

吳華

摘要：珠江沿海部分地區分布一層深厚的飽和、流塑—軟塑狀淤泥軟弱土層，在此類土層中施工大直徑混凝土灌注樁存在擴徑、縮徑及成孔困難等各種工程施工問題，本文以廣州南沙某樁基礎工程為例，詳細介紹深厚軟弱土層中施工大直徑混凝土灌注樁的相關研究經驗，以供類似工程借鑒。

關鍵詞：深厚軟弱土層；沖擊成孔；充盈系數；空心鉆頭；綜合成本優勢

1.工程概況

1.1項目概況

某樁基礎工程位于廣州市南沙區東涌鎮吉祥西路，交通便利。擬建17～23層高層住宅（A1～A9）9棟，2層地下室，開挖深度約8m。規劃建設用地總面積約78951m2，總建筑面積約247900m2。所有建筑均擬采用樁基礎，樁基施工均在原地面進行，空樁樁長約8m。

1.2場地與地層

場地所處地貌單元屬沖積平原地貌，場地地勢平整開闊，高程約5m～7m，地層中發育厚度較大的淤泥層，層厚6.00m～22.10m，平均12.54m。根據鉆孔揭露，場地巖土層按其地質年代和成因類型自上而下可劃分為第四系人工填土層（Q4ml）、海陸交互相沉積土層（Q4mc）、第四系殘積土層（Q4el）和白堊系基巖（K）等四大部分。各巖土層的分布及特征分述如下：

1.2.1人工填土層（Q4ml，層號1）

土性為雜填土，灰粽、黃褐等色，松散，粘性土為主，上部多建筑垃圾、磚渣、生活垃圾等，層厚0.50m～2.80m，平均1.52m。

1.2.2海陸交互相沉積土層（Q4mc，層號2）

本層從上而下可劃分為淤泥、粉質粘土、淤泥質土和粉砂等共4個亞層，各亞層的特征及分布評述如下：

（1）淤泥層<2-1>：灰黑、深灰色等色，飽和，流塑—軟塑狀，含少量粉砂顆粒，少部分段粉砂顆粒含量稍高，微具腥臭味，干強度高。其主要物理指標平均值為：-ω=53.2%，-e = 1.433，-IL=1.49。進行標準貫入試驗157次，實測擊數N′= 1～3擊，平均1.5擊，標準值為1.4擊；桿長校正擊數N=0.7～ 2.6擊，平均1.3擊，標準值為1.2擊。層厚6.00m～22.10m，平均12.54m。

（2）粉質粘土層<2-2>：灰棕、黃褐等色，濕，可塑為主，下段多硬塑狀，土質均勻，粘性較好，韌性較高，干強度高，層厚1.10m～13.00m，平均4.26m。

（3）淤泥質土層<2-3>：灰黑色，飽和，軟塑狀，成分較均勻，干強度高。其主要物理指標平均值為：=55.8%，= 1.482，=1.52。實測擊數N′=1～4擊，平均3.1擊，標準值為2.6擊；桿長校正擊數N=0.8～3.0擊，平均2.3擊，標準值為1.9擊。層厚1.60m～11.60m，平均4.72m。

（4）粉砂層<2-4>：灰色，飽和，松散—稍密狀，極配稍差，磨圓一般，含少量石英中砂顆粒。層厚0.90m～20.00m，平均5.03m。

1.2.3第四系殘積土層（Q4el，層號3）

該層殘積土為白堊系泥質砂巖風化殘積而成，土性為粉質粘土，灰色，稍濕，硬塑—堅硬狀，粘性較好，層厚0.80m～4.90m，平均2.63m。

1.2.4白堊系基巖（K，層號4）

在鉆孔控制深度范圍內，按巖石的風化程度又可劃分為強風化巖和中、微風化巖等3個風化巖層，各巖層的分布及特征描述如下：

（1）強風化泥質砂巖層<4-1>：灰棕、棕褐等色，巖石風化強烈，巖芯多呈土柱狀、半巖半土狀、碎塊狀，巖芯手捏易散，巖塊手可折斷，遇水易軟化。該層為極軟巖，完整程度為極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。其天然單軸抗壓強度單值由1.18MPa～3.51MPa，平均值2.71MPa，標準值2.23MPa。層厚0.50m～21.70m，平均5.82m。

（2）中風化泥質砂巖層<4-2>：棕褐色、少量灰粽色，泥質膠結，層狀結構，巖芯呈短-中長柱狀，敲擊易碎，巖質軟。該層為軟巖，完整程度為較完整，巖體基本質量等級為Ⅳ級。其天然單軸抗壓強度單值由3.95MPa～29.9MPa，平均值9.51MPa，標準值7.83MPa。層厚2.70m～8.60m，平均5.06m。

（3）微風化泥質粉砂巖<4-3>：青灰色、黃褐色和灰黃色，中粗粒花崗結構，塊狀構造，巖石節理裂隙發育，巖芯較破碎，多呈塊狀—短柱狀，局部夾強風化巖塊，巖石屬軟巖。在大多數鉆孔中有揭示，受鉆探深度限制未全部揭穿，已揭示厚度3.40m～7.00m。

2.設計概況

本工程灌注樁為端承樁，持力層為中風化巖或微風化巖，樁端持力層為中、微風化泥質粉砂巖，Ф800mm樁入連續中風化持力層不少于5.1m（或微風化不少于1.6m），Ф1000mm樁入連續中風化持力層不少于6.5m（或微風化不少于2.0m）；當以連續中風化泥質砂巖為持力層時，要求樁端巖樣天然濕度單軸抗壓強度fr≧6MPa，當以連續微風化泥質砂巖為持力層時，要求樁端巖樣天然濕度單軸抗壓強度fr≧12MPa，設計樁身砼為C35。

3.施工工藝流程

測定樁位→移機就位→震動下沉長護筒（沖擊鉆機直接埋設短護筒）→旋挖至設計深度（沖擊至設計深度，孔口補漿護壁）→清沉渣→安置鋼筋籠（鋼筋籠制安）→測孔底沉渣厚度（泥漿循環清沉渣，直到孔底沉渣厚度符合要求）→灌注混凝土→起拔鋼護筒→移至下一樁位。

4.存在的問題及解決措施

本場地軟土和富水砂層總厚度較大，淤泥層厚6.00m～22.10m，平均12.54m，飽和，流塑—軟塑狀，因此施工時需注意采取有效措施確保樁孔的穩定，以防治樁身縮徑、夾泥或塌孔等工程事故和質量問題。深厚軟弱土層在珠三角沿海地區較為常見，尤其是廣州南沙、珠海橫琴和高欄港等地區。經研究，本項目主要需要考慮以下幾個問題：

（1）成孔；（2）護臂；（3）混凝土充盈系數；（4）成本與進度。

針對本項目施工過程中存在的問題，特制訂了以下幾項針對性措施，具體如下：

（1）成孔設備的選擇。本項目共計9棟高層住宅，樁基礎均采用混凝土灌注樁，根據地層情況，持力層需要進入中風化或微風化泥質粉砂巖，采用長螺旋鉆機成孔不可取，故選擇采用SD30A旋挖機和ZZ-6A沖擊鉆機兩種成孔設備進行成孔，其中A1/A2/A3/A8/A9#樓采用SD30A旋挖機，A4/A5/ A6/A7#樓采用ZZ-6A沖擊鉆機。旋挖機和沖擊鉆機各有優勢，具體如下：

旋挖成孔速度快，尤其針對中微風化泥質粉砂巖，天然單軸抗壓強度單值不高，旋挖成孔優勢較為明顯；沖擊鉆機的沖程及沖擊頻率在成孔過程中固定且可以根據土層性質調整，沖擊錘為空心鉆頭，極大降低了沖擊過程中在淤泥層中的抽吸作用，空心鉆頭重量大，在中微風化巖中成孔也較為適用。

（2）護臂措施。本項目淤泥土層厚，旋挖成孔過程中的抽吸作用會造成孔壁的坍塌，因此成孔前必須下長護筒進行護壁。根據空樁樁長、護筒機的打拔能力及其他方面的因素綜合考慮，選擇8m和10m長護筒進行護壁，選擇10m護筒主要是考慮超過樁頂標高2m，以保證樁頭位置處的成樁質量，選擇8m護筒是為了研究護筒底與土層交界處樁徑的突變情況。沖擊鉆機成孔前主要采用2m～4m短護筒進行護壁和定位，無需額外采用護筒機提前打入長護筒。

（3）混凝土充盈系數控制方面。根據本項目前期試驗樁的經驗和數據，旋挖灌注樁平均充盈系數為1.3，根據以往珠三角深厚軟土地區施工經驗，如采用沖擊鉆機成孔，混凝土平均充盈系數一般為1.05，一般不超過1.1。

（4）旋挖和沖擊成孔單就成孔費用來講，各有優勢，但成孔綜合成本優勢不明顯，旋挖功效較快。旋挖成孔人機費350元/m3～380元/m3，產生的泥漿較少，需要外購泥漿護壁，用水用電量較少；沖擊成孔人機費220元/m3～250元/m3，產生的泥漿較多，泥漿可供旋挖成孔護壁，用水用電量較多。

經過綜合考慮，本項目我們采用旋挖和沖擊兩種成孔設備結合，盡可能發揮各項成孔設備的優勢，同時為后續項目提供相關經驗。

5.成孔設備及參數

（1）ZZ-6A沖擊鉆機、空心鉆頭和SD30A旋挖機見圖1、圖2。

（2）ZZ-6A沖擊鉆機和SD30A旋挖機詳細參數見表1、表2。

6.現場施工及開挖至基坑底情況

6.1現場施工情況

本項目混凝土灌注樁共計1031根，其中Ф800為463根，Ф1000為568根，地庫353根，主樓678根，平均每棟主樓75根。本項目共計投入了5臺旋挖機，16臺沖擊鉆機，旋挖功效為平均3根/臺·d，沖擊功效為平均0.5根/臺·d。經合理安排及部署，均在合同工期內完成了所有灌注樁。根據混凝土灌注量進行統計分析，旋挖成孔平均充盈系數為1.25，沖擊鉆進平均充盈系數為1.07。

6.2開挖至基坑底情況

基坑開挖至承臺底后，灌注樁均露出樁頭，下長護筒旋挖成孔灌注樁呈規則圓柱形，Ф1000mm樁尺量為Ф 1200mm，Ф800mm樁尺量為Ф1000mm，基本上與長護筒外徑一致，下8m長護筒護壁的灌注樁在護筒底部有明顯的擴徑。采用沖擊成孔形成的灌注樁露出的樁頭偶有擴徑、縮徑現象，但較為輕微，且未發現有樁頭漏筋、夾泥，經過隨機抽樣檢測，采用兩種設備成孔形成的混凝土灌注樁均滿足承載力、樁身完整性檢測要求。

7.總結

項目完工后對各項成本進行了對比分析，SD30A旋挖成孔僅具有功效優勢，但ZZ-6A沖擊鉆機成孔其綜合成本優勢十分明顯，主要優勢除無需定制長護筒、無需專門租用護筒機進行打拔等外，在混凝土充盈系數方面優勢更為明顯，與旋挖成孔對比，充盈系數平均下降0.18，以理論體積為1000m3計算，沖擊成孔節約混凝土180m3，按照600元/m3計算，不考慮場地處理及鋼護筒費用，單混凝土節約費用10.8萬元。

自動式沖擊鉆機ZZ-6A產生的噪聲小于旋挖機甩土產生的噪聲，也小于手拉式沖孔樁機施工所產生的噪聲；ZZ-6A沖擊鉆機因采用空心錘，成孔過程產生的抽吸作用遠小于旋挖成孔產生的抽吸作用，大大減輕在淤泥等軟弱土層中成孔產生的縮徑、擴徑與塌孔問題，針對成孔時間較長易產生縮徑，可通過最后提錘掃孔解決；ZZ-6A沖擊鉆機成孔速度相較于旋挖成孔慢，可以通過增加設備數量來彌補不足，1臺旋挖機作業面可布置3～5臺ZZ-6A沖擊鉆機，成孔速度可與旋挖機相當；沖擊鉆機重量輕，對場地要求不高，一般情況下鋪設鋼板即可，具有明顯的成本優勢，旋挖機重量和體積均較大，對場地處理要求嚴格。

綜上所述，以及根據本項目的相關統計數據和實體樁樁頭出露情況，針對珠江沿海分布深厚軟弱土層的地區，若施工大直徑混凝土灌注樁，相較于旋挖機和手拉式沖孔樁機，建議優先選用ZZ-6A沖擊鉆機成孔，如需快速施工、不能夜間施工等特殊原因無法選擇ZZ-6A沖擊鉆機的情況下再考慮使用其他成孔方法。

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