長螺旋鉆孔壓灌超流態混凝土樁的施工質量控制

高彥凱

（中鐵十一局集團第六工程有限公司，湖北 襄陽 441003）

長螺旋鉆孔技術是基礎樁基中的重要工序，其用巨大的扭轉力向下切削土體，通過鉆桿上抬將切削的土體帶出土層，形成樁孔，同時進行混凝土壓灌工序[1]。在目前的樁基施工中，已經出現利用“超流態”技術制作而成的基樁，在工程實踐中效果顯著，整體施工質量控制較好。實踐表明：使用超流態混凝土壓灌樁搭配長螺旋鉆孔的施工技術，能使基樁的單樁承載力和復合受力等整體基樁應力傳遞更好，上部結構施工完成后，整體沉降值及承載力優于常規混凝土灌注樁[2]。由此說明，對長螺旋鉆孔的超流態混凝土壓灌樁施工質量控制進行研究，有重要意義。

1 長螺旋鉆孔壓灌超流態樁工藝原理

長螺旋鉆孔配合超流態混凝土，二者結合的混凝土壓灌樁能顯著提高施工質量[3]。為研究長螺旋鉆孔壓灌超流態樁工藝，需要對其原理進行分析。

長螺旋鉆孔示意如圖1 所示，通過擴底鉆頭不斷切削，能完整填充樁底空間。在液壓擴張組件的加壓機械運動作用下，不斷旋轉帶來土層的運動，形成樁孔，然后用配置好的超流態混凝土進行壓灌填筑。與傳統鉆孔灌注樁相比，其特點是施工速度快，能使孔內灌注不受樁土運動的影響[4]，其灌注質量比普通灌注樁好，不會出現縮徑和斷樁的情況[5]。

圖1 長螺旋鉆孔結構示意圖

1.1 鉆孔及壓灌工藝的數學分析

在啟動鉆孔后，螺旋鉆機葉片隨軸高速運轉，切削土塊隨鉆桿提升至孔口，將鉆屑帶出，如圖2 所示。確定鉆桿鉆孔的角速度ω，葉片鉆孔帶出的離心力使土層中土塊向樁孔壁四周運動，不斷與形成的孔壁接觸而形成摩擦阻力F；如果要使土塊沿葉片向上運動，必須有克服土塊重力的反作用力和葉片旋轉與土塊間產生的摩擦力，該力學統一狀態的數學表達式如公式（1）所示。

圖2 長螺旋葉片鉆孔提升過程

式中：k1和k2分別為兩個方向的分力F1和F2的組合系數，賦值在0～1，通常由地質情況和鉆桿角速度ω的值及方向決定。G為長螺旋鉆桿的自重。

為使壓灌順利工作，而不發生噴漿或壓入困難。需要對提升土體螺旋速度進行研究。在實際施工過程中發現：當長螺旋鉆處于低速旋轉時，輸送至地面的土呈條狀；而當高速作業時，輸送至地面的土呈球狀。由此可知，低速工況下，土是被擠到地面；高速工況下，土體是沿葉片滑滾而出的。因此，土體螺旋提升速度v如公式（2）所示。

式中：n為鉆桿轉速均值；vt為切削速度；R1為長螺旋葉片半徑；R2為軸半徑。

通過上述分析，可以確認在長螺旋鉆孔壓灌過程中，實際鉆進速度與ω、n關系很大。土體螺旋提升速度v提升，鉆進速度也會提升。當確定鉆桿轉速ω時，需要以壓灌速度是否能滿足克服土體螺旋提升速度為充分條件。

1.2 超流態混凝土流變分析

超流態混凝土流動方式基于壓灌工藝，因此需要以葉片旋轉帶動切削土塊，并充分與混凝土拌合為基礎，并且在土層中能克服有關摩阻力和土體抬升速度[6]。

在長螺旋鉆孔壓灌樁施工過程中，對需要壓灌的超流態混凝土來說，需要確認其流動及變形方式。計算流變速度如公式（3）所示。

式中：v為超流態混凝土流變速度；τ為混凝土的切應力；η為塑性黏度；τ0為屈服強度。

通過公式（3），可以得出線性與非線性的兩種超流態混凝土流變速度趨勢模型，如圖3 所示。

圖3 超流態混凝土流變模型

超流態混凝土的流變性質非常突出，需要用性能較好的水泥配置，通常采用強度低的水泥，其整體水化作用相對較弱，不會出現過于飽和的情況。此外，在使用外加劑的過程中，需要仔細篩選活性、細度以及礦物摻料。

2 灌注工藝的力學問題

2.1 庫倫土壓力分析

壓灌工藝需要克服土體強大自生壓力，填筑抽空部位，從而保證新狀態下的力學平衡。在工程實踐中，鉆孔壓灌施工的問題是對土壓進行合理解釋與分析，運用庫倫土壓力理論，并將該理論轉化為施工步驟。假設鉆孔土體受力除土壓E外，還包括其自重G和土體維持平衡的支持力R。在形成天然土體穩定體的過程中，分別定義δ角和φ角。二者能解釋土體顆粒間的嵌擠摩擦作用，在各自角度下形成的土體穩定體能體現真實土壓工況，如圖4所示。

圖4 土體力學計算模型

土壓E的計算過程，如公式（4）所示。

式中：α、θ、β為土體與各自作用力的角度；φ、ε、δ為土體與各邊所呈角度。在天然狀態下，土體各層次運動錯位，在角度干擾下，會形成復雜的應力狀態，直接影響后續灌注工藝的施工效率。使用長螺旋鉆桿鉆進中需要及時提鉆，避免樁孔的自穩性受到具體土壓影響而導致滑塌，保證施工質量。

2.2 樁土摩阻力分析

在下探鉆土過程中，長螺旋鉆桿會與土體的摩擦產生阻力。成樁后樁土摩阻力最大。基于庫倫土壓理論對摩阻力進行研究。長螺旋鉆桿進入土層，形成摩擦角，以摩擦角為變量參數，便于找出側摩阻力值的變化，土層中的摩擦角如公式（5）所示。

式中：φ為長螺旋鉆桿與土層摩擦角；c為土體黏聚力；σ為鉆桿接觸土體正應力值。

通過對摩擦角進行分析，可以定量計算側摩阻力。須引入相關參數，分別為法相土壓力強度P，淤泥土層中法向土壓力系數Kcn和土層側壁摩阻力系數Kcf。計算在淤泥質土層下，側摩阻力與土壓力的數量關系，如公式（6）和公式（7）所示。

式中：Pn和Pcf為摩阻力值；γ為土體重度；z為土層厚度。通過上述計算可知，長螺旋鉆桿鉆進土層需要及時噴漿壓樁，從而減少樁土間的摩擦力。由于土體摩擦角是不變量，因此要使整體鉆桿摩阻變小，提高施工質量，必須加強外界潤滑，例如該文提出的摻加超流態混凝土施工。

3 工程案例及質量控制

3.1 工程案例施工

青島地鐵4 號線14 工區登瀛車輛基地項目，位于青島市嶗山區沙子口街道登瀛社區、嶗山路以南魚水路西側。由于現場地層情況復雜，需要重點保護周邊環境，因此選擇長螺旋鉆孔內灌超流態混凝土灌注樁進行施工。

在工程施工期間，對壓灌速度及土體螺旋提升速度等施工參數進行實測，得到對比指標見表1。

表1 不同情況下兩種速度的對比

根據表1 實測結果，在長螺旋鉆孔內灌超流態混凝土灌注樁施工中，考慮壓灌速度和土體螺旋提升速度受到鉆桿、切削、土壓和摩阻影響，可能會影響鉆孔和超流態混凝土壓灌成型質量，在切削土體工況下，壓灌速度v1＞螺旋提升速度v2，這是因為在現場工程中，螺旋鉆桿切削土體不是絕對均衡方式，而是受到地層的特殊性限制。在現場施工過程中，如果出現土體切削障礙，就會影響實際的壓灌速度v1，而切削的土體碎塊隨著螺旋提升，出孔不受地層影響，因此在切削擾動下，會出現壓灌速度v1小于提升速度v2的情況。對比其余工況，均能驗證關于壓灌工藝和流變分析，可以指導工程實踐。

3.2 質量控制分析

超流態混凝土壓灌樁在長螺旋鉆桿鉆進過程中，邊鉆邊壓灌。當鉆桿鉆孔完畢，開始提鉆時，鉆桿已經同步向孔內壓灌。為驗證成樁質量，對登瀛車輛基地現場施工的前4 根基樁進行跟蹤監控，記錄成樁效果。數據見表2。

表2 1#-4#基樁施工質量記錄表

通過表2 可知，1#-4#基樁整體成樁效果較好。其質量控制的3 個主要項目均滿足設計要求。對充盈系數來說，首根樁壓灌后，測量的系數為1.28，相對正常，2#樁充盈量更大，比1#樁多0.04。說明在壓灌速度與葉片旋轉速度恒定不變的情況下，雖然能更好地控制整體施工質量，但表征現場所用超流態混凝土方量會增加，灌注時間也會延長，為協調整體施工進度和控制成本，3#和4#樁的充盈系數有所放松，但整體質量符合指標要求。關于沉渣厚度方面，4 根基樁均滿足端承樁≤50mm 的設計要求。在垂直度控制方面，整體均滿足≤1%的垂直度偏差要求。項目施工質量得到保證，再次驗證該文方法的可操作性。

4 結論

該文對長螺旋鉆孔壓灌超流態混凝土樁施工進行分析，從兩種技術的需求出發，對目前施工質量的整體控制進行數理分析，得到以下3 個結論：1）限于土層中的巨大土壓力，長螺旋鉆桿切削鉆孔的過程需要關注整體受力平衡以及土體螺旋提升速度，該參數直接影響后續壓灌混凝土的質量。2）對鉆孔壓灌工藝進行數學表達，壓灌速度≥土體螺旋提升速度，充分保證超流態混凝土壓灌樁的質量，在超流態混凝土拌合料的制備過程中需要考慮其流變性質。3） 根據庫倫土壓理論及樁土摩阻力分析，發現使用長螺旋鉆孔時需要及時提鉆，使超流態混凝土能迅速地充盈樁孔，避免發生較大的自穩性問題或摩阻力變大導致基樁施工質量下降。