深厚杂填土复杂地层中灌注桩成桩技术研究

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　　摘 要：本文根据多年从事地基处理的工作经验，以百度云计算中心（山西阳泉）项目为实例，重点分析了深厚杂填土复杂地层中灌注桩成桩技术的难点，并提出了解决方法，对相同地质条件的地基处理有很好的借鉴意义。
　　关键词：复杂地层;灌注桩;难点;解决方案
　　中图分类号：S2
　　文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015079
　　1 引言
　　随着我国基础建设的不断推进，许多公路、铁路及工业民用建筑中弃土场场地不可避免地作为建设场地加以利用。这种场地相当一部分都存在深厚的杂填土地层，由于杂填土的来源、组成比较复杂，具有性质不均匀、工程性质差等特点。杂填土一般不能直接作为建筑的地基，通常需进行地基处理或采用桩基础直接穿透杂填土地层，相对而言，采用桩基础更为可靠。在深厚杂填土地层中成桩一直是工程施工中的难点，有必要对其进行深入的研究。本文通过工程实例，研究总结了适用于深厚雜填土复杂地层中的桩基施工技术。
　　2 工程概况
　　百度云计算（阳泉）中心项目是山西省2013年度重点工程，该项目位于阳泉市开发区大连东路以南，义白路东侧。主要是通过百度阳泉云计算中心的建设，形成10万台服务器的装机规模，每天处理 10p 级规模的数据，为全国互联网业务提供支撑，发挥基础设施的综合效益，降低信息化发展总体成本。项目占地 24hm2，建设规模约 10 万m2，共9个单体建筑。
　　本项目建设场地原为一弃土场，填土填筑年限1～10a，填土材料来源主要为山体挖方弃土、建筑垃圾和生活垃圾。场地地层自上而下可划分为3层。
　　第1层：杂填土（Q42ml）。为粉质黏土、粉土，含大量建筑垃圾、漂石及孤石，漂石、孤石直径0.5～3.0m，成分为石灰岩。局部存在上层滞水，其对应土层呈可塑、软塑、流塑状，层厚10～40m，该层遍布整个建设场地。
　　第2层：泥岩（C3t）。
　　浅红色，强风化-中风化，岩芯呈碎块状，泥质胶结，夹有铁质结核（俗称鸡窝子铁矿），厚层-巨厚层状，属极软岩，层厚0～5m。
　　第3层：石灰岩（O2f）。
　　灰色-青灰色，属于沉积岩，为较硬岩，中-微风化，白云质结构，块状构造，岩芯多呈柱状，裂隙发育，RQD=70～80，岩体完整，岩体基本质量等级为Ⅰ级。
　　设计采用嵌岩桩作为建筑基础，持力层为中风化石灰岩。设计桩径0.8m、1.0m，桩长20～60m不等，要求桩端进入中风化石灰岩不小于0.5m。
　　3 杂填土工程性质特点
　　3.1 成分复杂，工程性质不均匀
　　场地内的填土为多次填筑而成，填料来源、组成成分、填筑时间等均有较大差异，导致杂填土的性质很不均匀。
　　3.2 欠固结，压缩性大，局部具有湿陷性
　　场地内的杂填土填筑时间较短，结构较为疏松，具有较高的压缩性，根据勘察的结果，场地内杂填土OCR值为0.353～0.630，压缩系数为0.23～0.64，具 Ⅰ 级非自重湿陷性。
　　3.3 孔隙大且渗透性不均匀
　　根据勘察结果，杂填土的天然孔隙比为0.760～1.08，孔隙较大。杂填土的成分复杂，渗透性极不均匀，粉土、砂性土含量高则渗透性好，黏性土含量高则渗透性差，杂填土层中分布有上层滞水，就是局部黏性土含量高，渗透性差的表现。
　　4 桩基施工难点
　　深厚杂填土地层桩基施工的难点主要是桩基成孔困难，在含有大量孤石的深厚杂填土地层中成孔工艺目前尚不成熟。《深厚杂填土铁路桥梁桩基础设计》[1]的工程实例中，基岩以上杂填土部分全部进行开挖，开挖完成后边施工柱边杂填土方，填料需要选择和处理，回填过程注意夯实均匀，不要产生侧压。为了在此类地层中成桩，甚至采用了将40m厚的杂填土挖除，重新择土（将杂填土中的孤石剔除）回填后再成桩的方案，成本很高，且重新填筑土时，由于杂填土成分的复杂性，压实性能差，很难保证填土的密实度。《深厚杂填土铁路桥梁桩基础设计》[2]中2-的工程实例中，因在深厚杂填土中灌注桩难以成孔，采用了静压跟管护壁，冲击锤锤击成孔的工艺，但这种工艺需制作大直径钢护筒，钢护筒不能重复利用，施工成本也很高且效率低。《地表深杂填土地层桩基施工技术》[3]的工程实例中，采用了泥浆护壁冲击钻成孔工艺，采用黏土换填，复合护孔的施工方法，但这种工艺只适用于地下水位以下或不漏水的地层中，且成桩效率非常低;本项目场地内杂填土较松散，漏水严重，且局部有上层滞水，成孔中伴有缩径的问题，这种成孔工艺不适用。
　　本场地地层成孔难主要体现在如下3个方面。
　　4.1 钻进困难
　　杂填土成分复杂，含大量的建筑垃圾、漂石及孤石，同时又存在可塑、软塑的粉质黏土，地层软硬不均，一般的成孔工艺难以成孔。
　　4.2 塌孔、缩孔严重
　　地层中较松散的部位容易塌孔，含上层滞水的部位容易发生缩径。
　　4.3 地层松散，漏水严重
　　泥浆护壁的方法不适用于此类地层。
　　5 试桩试验
　　5.1 试桩试验
　　目前大直径桩基机械成孔工艺主要有3种，旋挖机成孔、冲击钻成孔、回旋钻进成孔。项目施工正式开始前进行了试桩试验，由于杂填土极易漏水，一般采用干作业成孔，回旋钻不适于干作业成孔，所以本次试桩采用了旋挖机成孔和冲击钻成孔2种工艺，冲击钻成孔采用了南通CK1200型的冲击钻机，旋挖钻采用了徐工XR220D、三一SR250型2台钻机进行试验，在为期15d的试桩试验中未能完成1根桩基的成孔。
　　5.2 常规成桩工艺试桩失败原因分析
　　场地内的杂填土是粉质黏土、粉土与建筑垃圾、碎石、漂石及孤石等组成的混合土，地层杂乱无章，软硬不一，地层透水性差异巨大。使用泥浆护壁的工艺时，在碎石含量较高的土层中泥浆漏浆严重，难以有效护壁，出渣问题很难解决。 　　而在用旋挖机成孔时也遇到了塌孔问题，但最关键的在于旋挖机成孔时遇到孤石就难以钻进。旋挖机成孔能广泛适用于土层及硬质岩层中的成孔施工，为何在含大量孤石的杂填土中却难以成孔。经研究发现，在杂填土地层中当旋挖机钻头遇到大于钻头直径的孤石，且孤石附近地层较软时，孤石会随钻头一同旋转，导致钻头难以切割孤石，表现为钻机旋转阻力小，但是却很难进尺。
　　6 解决方案
　　通过查阅大量的相关资料并组成了由业内有关专家、钻机厂家技术人员及项目部主要技术人员组成的攻坚小组，经过多次现场试验，项目部提出了适合本场地的成桩施工方案。
　　6.1 地层预注浆
　　针对场地塌孔、缩径严重，地层均匀性极差的问题，在成桩部位进行小直径成孔全孔花管预注浆的加固方案。
　　6.2 机锁杆+入岩筒钻的旋挖工艺
　　为解决杂填土地层钻进中遇到孤石就难以进尺的问题，试桩试验时通过不同掘进工艺的试验，得出了一种适用于含大量孤石的深厚杂填土地层的高效的成孔工艺。即机锁杆+入岩筒钻旋挖施工艺。
　　旋挖机钻杆一般采用的是摩阻杆，通过钻杆于钻机转盘之间的摩阻力来向地层施加掘进压力，因模组力较小，掘进压力也较小。机锁杆是钻头下到指定深度后，通过机械锁死的方式将钻杆与钻机转盘连接成整体，再通过液压装置向地层施加掘进压力，掘进压力较摩阻杆大得多。配合上入岩筒钻，在遇到孤石时，旋挖机能将孤石压入到较硬地层中，配合入岩筒钻对孤石的切割作用，能高效地解决杂填土中遇到孤石就难以钻进的难题。
　　6.3 护壁
　　如前所述，在深厚杂填土中如何护壁，保证孔壁不坍塌也是一大难题。泥浆护壁，漏浆严重，难以实现;钢护筒护壁，护筒不能重复利用，成本太高。为解决孔壁易坍塌的问题，本项目施工主要采取了如下几个措施，收效良好。
　　6.3.1 选用外壁 光滑，上下直径大小相同的入岩筒钻，同时在钻进过程中倒入黏性好可塑状的黏性土，通过筒钻的涂抹作用，将黏土涂抹在松散土层的孔隙中，在孔壁上形成一层光滑平整的黏性土壁，起到护壁的作用。
　　6.3.2 遇到含上 层滞水的地层，先下泵抽水，减小侧壁的空隙水压力，再倒入膨润土粉末与干的碎砖块等吸水性材料，使湿软地层硬化，再继续钻进。
　　6.4 成孔后快速浇筑
　　掌控好钢筋笼下笼焊接、混凝土下管浇筑时间，时间越长，越可能在下笼、浇筑的过程中发生塌孔。为防止发生塌孔，保证成桩，须保证成孔后6h内完成浇筑。
　　6.5 特殊情况处理
　　对于前期加固效果欠佳的极个别钻孔，成孔至一定深度时，出現了只出土不进尺的现象。分析其孔内因上部地层坍塌已经形成了“心形空腔”，采用了低标号混凝土填孔，待混凝土有一定强度时（刚初凝），再用旋挖钻机继续成孔，低标号混凝土对此段钻孔护壁作用效果明显。
　　7 成桩情况
　　工地推广使用此套施工技术后，整个场地12台旋挖钻机由之前的1个月完成不了1根桩的情况提高到平均每台钻机每天可以成桩2根。大大提高了成桩效率，保证了工期。
　　8 灌注桩成桩质量检测
　　本工程的桩基检测由山西省建筑科学研究院完成。
　　8.1 小应变检测
　　根据1460根工程桩低应变桩身完整性测试结果，桩身波速介于3.02～4.11km/s之间，其中 Ⅰ 类桩1324根，占检测桩数的90.7%;Ⅱ类桩136根，占检测桩数的9.3%。
　　8.2 抽芯检测
　　对灌注桩按10%的比例进行抽芯检测，根据146根工程桩桩身及持力层钻芯检测，桩身混凝土密实、连续无断桩;现龄期无侧限抗压强度试验和岩石点荷载强度试验结果，均达到设计要求。
　　8.3 载荷试验检测
　　根据6组载荷试验的试验结果，所有载荷试验桩桩基承载力均满足设计要求。
　　9 结语
　　本工程在含大量孤石、黏性土、上层滞水的深厚杂填土地层中完成了1460根灌注桩的施工，形成了“地层预注浆、旋挖机锁杆+入岩筒钻在深厚杂填土中的成套成桩工艺”，成功的解决了杂填土成孔难的问题，避免了采用大开挖、钢护筒护壁等方法，大大节约了工程成本，取得了良好的经济效益和社会效益。这种工艺特别适用于地层软硬不均匀的杂填土、卵石土等类似地层，在公路、铁路桥桩及工业民用建筑中均有一定的推广应用价值。
　　参考文献
　　[1] 庞元志.深厚杂填土铁路桥梁桩基础设计[J].桥涵工程，2014， 13（04）：13.
　　[2]邓尤贵.载体桩在处理深厚杂填土地基中的应用[J].建筑结构，2010， 40 （11）：130.
　　[3]赵长斌，单晓峰.地表深杂填土地层桩基施工技术[J].市政技术，2010，28（11）：223.
　　作者简介：
　　李国辉，办公室主任。研究方向：水利工程施工、地基处理、水文地质和工程地质勘探。
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