0 引言

　　随着地下工程开挖空间的不断发展以及道路边坡、港口、水利护坡等需求量的增加，对基坑及边坡围护结构的安全性和环保性要求显得更加突出。

　　灌注桩作为地下结构常用的形式已被广泛应用，但由于产生大量泥浆和成桩质量难以保证，已无法满足建筑工程的安全与环境保护要求。传统灌注桩工艺^[1]包括泥浆护壁、旋挖成孔、长螺旋压灌、沉管灌注等，都存在一些问题，包括产生大量水泥浆、桩体颈缩、孔壁坍塌、桩身空洞、蜂窝、断桩、夹泥、钢筋暴露受损等问题^[2,3,4,5]，如图1所示。多种传统灌注桩工艺的优缺点如表1所示。

　　针对传统灌注桩的诸多缺点，如排浆量大、成桩质量差等，本文研发一种新工艺灌注桩:液压振动沉管原状取土灌注桩。利用液压振动锤下压钢护筒，使钢护筒沉入土中，通过长螺旋钻将钢护筒内土挖除，然后下放钢筋笼，向钢护筒内灌注混凝土，最后拔除钢护筒。

　　

　　图1 传统灌注桩施工质量问题  

　　 

　　与传统灌注桩相比，振动沉管原状取土灌注桩避免了排浆、挤土，桩身也不会产生颈缩、孔壁坍塌等质量问题。同时由于振动锤的免共振而只产生极低的噪声和振动，这对于环境要求较高的闹市区等地方较为适用。

　　  

　　表1 传统灌注桩优缺点分析 

　　 

　　 

　　

　　表1 传统灌注桩优缺点分析

　　本文将通过现场试桩，比较分析动摩擦与静摩擦力的差异、振动拔管时桩径扩径情况和单桩的成桩时间。

　　1 试验概况

　　试桩场地位于长江三角洲东南前缘，上海浦东新区，地貌属于滨海平原类型。基坑普遍区域采用850@1 050灌注桩作为围护桩，桩顶相对标高(以下标高均为相对标高)为-2.250m，桩底标高为-22.950m，桩长为20.7m，场地标高为-0.500m，其中±0.000=+4.950，如图2所示。本工程围护桩兼作正常使用阶段地下室侧壁的一部分(桩墙合一)。在场地西侧某处用振动沉管原状取土灌注工艺施工1根灌注桩。根据地勘报告，各土层的桩侧极限摩阻力标准值f_sk建议值如表2所示。

　　

　　图2 围护桩所在土层剖面  

　　 

　　  

　　表2 土层物理力学性质指标 

　　 

　　 

　　

　　表2 土层物理力学性质指标

　　2 施工方案

　　2.1 施工设备配置

　　除钢筋加工设备、挖机、导管等常规设备外，新工艺灌注桩主要机械设备及其型号、用途如表3所示。

　　  

　　表3 主要机械设备配置  

　　 

　　 

　　

　　注:钢护筒参数表于外径×壁厚;L为长度;B为宽度;t为厚度;H为高度

　　表3 主要机械设备配置

　　2.2 施工工艺流程

　　施工工艺流程:施工准备→起重机就位→外护筒定位及下沉→振动锤压内护筒→长螺旋钻取土→下放钢筋笼→下导管→浇筑混凝土→振动锤拔除内护筒→拔除外护筒。

　　2.3 注意事项

　　2.3.1 起重机吨位选择

　　由于液压振动锤自身重约8t(含油管重)，振动质量3.95t，考虑拔护筒时需克服土对护筒的摩擦力，预估起重机吨位需达到150t。

　　起重机可选履带式起重机或汽车式起重机，履带式起重机需要在现场花2～3d拼装，本项目场地、时间均有限，较难满足;若选择汽车式起重机，液压振动锤可能会对汽车式起重机产生振动等不利影响。经权衡，最终采用160t的汽车式起重机。

　　2.3.2 内、外护筒尺寸选择

　　灌注桩设计直径850mm，考虑到拔除内护筒后桩径会外扩，因此内护筒尺寸取850mm(外径)×16mm。

　　外护筒尺寸选择除需考虑内护筒外径外，还需考虑钢板圈厚度共20mm，因此本试验设计外护筒尺寸为:940mm×16mm，其内径为908mm(稍大于870mm)。

　　2.3.3 下放钢护筒

　　1)本试桩采用全护筒(下文除特殊注明外，护筒均指内护筒)，用2节护筒(11m+12m)，护筒之间采用焊接连接，如图3所示。

　　

　　图3 钢护筒连接示意  

　　 

　　2)夹具夹紧护筒，锁定后方可起吊护筒，保证使用安全可控。考虑到振动锤夹具夹力太大，而钢护筒壁厚较薄，故在钢护筒端头用厚度10mm、宽度300mm的钢板圈加固。

　　2.3.4 拔除钢护筒

　　混凝土灌注结束直至初凝间隔时间满足要求后，需及时用振动锤将护筒拔出桩孔，间隔时间过长将会加大拔护筒难度。拔护筒控制要点:拔除护筒过程中，振动锤应匀速操作，防止提拔速度过快，导致混凝土密实度下降，影响桩体质量。

　　除上述工序外，长螺旋钻取土、吊放钢筋笼、灌注混凝土等工序与传统灌注桩工艺相同，本文不再赘述。

　　3 施工中碰到的若干问题及解决办法

　　3.1 钢护筒垂直度问题

　　根据相关文献^[6]，灌注桩围护墙垂直度要求≤1/150，但由于本工程围护桩兼作地下室侧壁的一部分，对灌注桩的垂直度要求是≤1/300，要求非常高。

　　由于钢护筒是用振动锤悬吊着，护筒本身会晃动，下护筒时垂直度不好控制。试验中，预计只需十几分钟就能把钢护筒全部压入土体，但由于要调垂直度，实际用时约45min。实际施工时，护筒外壁已沾泥土，这是因为护筒已打下去，但由于垂直度不满足要求，需拔出调整垂直度后重新打。

　　鉴于此，对于垂直度有较高要求的工程，建议把振动锤背面装上滑道，挂靠到桩架的滑轨上;或可另外制作护筒导向架来保证护筒垂直度。

　　3.2 钢护筒起吊问题

　　振动锤夹具与振动锤是滑动连接，所以夹具与振动锤的连接处抗弯能力较弱，试验时不能承受很大弯矩。钢护筒起吊采用两点吊，一台吊机吊住振动锤，另一台吊机吊住护筒中间，以减少夹具所受弯矩。从图4计算结果可知，如果仅用1台吊机起吊振动锤，夹具处的弯矩为172.5kN·m，而按照本试验用2台吊机起吊的方式，夹具处的弯矩为86kN·m，约为前者的50%。

　　3.3 钢筋笼下沉问题

　　尽管钢筋笼底部已用圆钢板封底，但由于钢护筒采用振动拔除，拔除过程中由于振动影响钢筋笼仍然下沉了1m左右，这导致后期需接长钢筋笼及二次灌注混凝土，增加额外工作。

　　

　　图4 两种起吊方式的夹具处弯矩  

　　 

　　针对这种情况，可以考虑下放钢筋笼时使笼底标高高于设计标高，具体预留长度需根据土质及试桩结果给出。

　　4 试验结果及分析

　　4.1 侧阻分析

　　护筒插入12m再拔起(因垂直度不满足要求返工)，吊机最大起吊力约240kN;护筒全部下去后拔起，吊机最大起吊力约320kN，最大值均发生在刚起拔时。扣除振动锤和钢护筒自重、振动质量后，经计算，振动拔管时地面下12,22m桩周土侧阻力分别为46.6,126.6kN。根据表1提供的土层力学参数计算(抗拔)侧阻力，分别为383.3,815.9kN。经测算，振动侧阻力仅为静侧阻力的0.12～0.15倍，这可为类似工程估算吊机起吊力、准备吊机吨位提供一定的工程参考价值。

　　4.2 钢护筒预估直径

　　考虑拔除钢护筒时混凝土对桩周土有挤压外扩作用，桩径会稍微扩大，因此试验时设计护筒外径为850mm。

　　现场的混凝土泵车装载13m³混凝土，但并未全部用完，因此无法通过混凝土总量估算灌注桩直径。拔除钢护筒时钢筋笼下沉了1m，而孔口混凝土标高面下沉了2.75m，假设桩底处混凝土也随钢筋笼下降1m。根据混凝土总量不变原则，拔除钢护筒后灌注桩的平均直径:

　　

　　 

　　经计算，灌注桩充盈系数为1.002，文献[1]要求充盈系数范围值为1.0～1.2，满足规范要求。因此，对于上海软土，振动拔除钢护筒时桩径扩大有限，可以忽略不计，可以直接根据设计桩径配置钢护筒的外径，无须考虑桩径外扩因素。

　　4.3 施工工效分析

　　本次试桩各工序耗时如下:下外护筒15min，下内护筒45min，下钻、取土50min，灌混凝土45min，拔内护筒15min，拔外护筒5min。灌注混凝土后需等待约45min方可拔除内护筒。

　　完成单桩总耗时约3h40min，对比同场地1根灌注桩(采用长螺旋钻孔压灌工艺)的成桩时间约3h，此工艺在工效上相比压灌桩处于劣势。经济方面比较，此工艺需要大吨位的起重机(振动锤自重及振动质量)以拔除钢护筒，而压灌桩工艺只需50～75t的起重机，经济上亦不占优势。

　　从上述分析可见，相比长螺旋钻孔压灌工艺，振动锤用于施工钢筋混凝土灌注桩处于劣势，不建议采用。但如果对垂直度要求不高、无须灌注混凝土的桩基工程，如液压振动锤用于压管桩、钢板桩、预制桩等，其工效优势将得到充分发挥，建议尝试。

　　5 结语

　　针对上海等软土地区，通过本次试桩，有以下结论。

　　1)振动条件下的侧阻力仅为静侧阻力的0.12～0.15倍，这可为类似工程估算吊机起吊力、准备吊机吨位提供一定的参考价值。

　　2)振动拔除钢护筒时桩径扩大很有限，可以直接根据设计桩径配置钢护筒的外径，而不考虑桩径外扩因素。

　　3)液压振动锤用于施工灌注桩处于劣势，不建议采用，但可尝试用于压管桩、钢板桩、预制桩等工程中。