建筑工程项目层数较多、场地地质条件不理想时, 需采用桩基础将建筑物的重量传到深层土层或岩层以减少沉降。受地质条件或施工场地条件所限不能采用预应力管桩、预制方桩的时候, 一般采用混凝土灌注桩, 但成本较高。国内有几种施工工艺可有效提高灌注桩的单桩承载力, 减少总桩数;桩数不变的情况下可以减少桩长, 达到节约造价、提高材料使用率的目的。项目开始之初, 建设方的设计管理人员应会同勘察、设计、施工等各方人员, 共同研究制定项目的基础方案, 力求降低桩基础的造价, 为项目创造更大的效益。本文重点研究挤扩灌注桩、后注浆灌注桩这2种工艺的最优适用条件以及给项目带来的经济优势。

挤扩灌注桩是在预钻 (冲) 孔内, 放入专用的三岔双缸液压挤扩装置, 按承载力要求和土层地质条件在桩身适当部位, 通过挤扩装置双向油缸的内外活塞杆进行大小相等、方向相反的竖向移动带动3对等长挤扩臂对土体进行水平向挤压, 挤扩出互成120°夹角的3岔状或3n岔状 (n为同一水平面上的转位挤扩次数) 的上下对称的扩大腔或经多次挤扩形成近似双圆锥盘状上下对称的扩大腔, 成腔后提出三岔双缸液压挤扩装置, 放入钢筋笼, 灌注混凝土, 制成由桩身、承力岔、承力盘和桩根共同承载的钢筋混凝土灌注桩。具体的适用条件、设备参数、设计及施工要求等可参考JGJ 171—2009《三岔双向挤扩灌注桩设计规程》。各地区也编写了地方规程, 如山东省DBJ 14-019—2002《挤扩灌注桩技术规程》、天津市DB29-65—2004《挤扩灌注桩技术规程》、中国铁路总公司Q/CR9401—2017《铁路工程旋挖挤扩灌注桩技术规程》, 河北省DB13/T 999—2008《公路桥涵多节三岔 (DX) 挤扩灌注桩技术规程》等。

根据土层的分布特性, 可将多个承力盘设置在不同深度且承载力较高的土层中, 旋挖挤扩形成承力盘的多层承载, 以获得较高的盘端阻力。挤扩桩的承载力主要来自于承力盘端部, 基桩根部的附加应力急剧减少, 与直孔桩有很大不同。因此, 即使桩孔底存在一些沉渣, 也不会对挤扩桩的承载力或刚度造成较大影响。

承力盘的底面是倾斜向桩孔的较大角度斜面, 钻孔泥渣无法留存, 从而保证了从受荷一开始承力盘的支撑刚度得以发挥。以往工程实测沉降观测资料表明, 挤扩灌注桩沉降量比相同地质条件下的等直径灌注桩减少30%～60%。这个也是挤扩灌注桩在铁道运输项目、公路运输项目、石油仓储项目得到广泛应用的原因。

施工时, 旋挖挤扩一体化设备搭载在旋挖钻机上, 扩头设备包括油缸、外活塞杆、内活塞杆、三岔挤扩臂。无需外部供电, 成盘速度快、质量高, 驾驶室中设有扩盘数字化监控设备, 实现了隐蔽工程可监控化。对黏性土、粉土、砂土、卵石层、砾石层、全风化层、强风化岩层等土层可直接采用挤扩臂成盘;对中风化岩层可在挤扩臂的螺栓孔中安装合金材料的硬岩截齿, 采用旋转切削岩石方式成盘。土层中每桩需要增加1～2h的扩孔工期, 硬质岩层的扩孔时间要更长, 总体而言对总工期无明显影响。

桩端桩侧后注 (压) 浆技术能有效降低桩侧泥皮和桩端沉渣对灌注桩承载力及刚度的不利影响, 改善桩基荷载传递特性, 增强桩底土体和桩侧土体的强度和刚度, 从而提高桩的极限承载力。近年来该技术得到了广泛的应用与发展, 在此不再赘述。

值得注意的是, 后注浆技术在施工过程中须严格控制注浆的压力、瞬时流量、总流量的变化, 避免质量事故。某自动控制系统对某根桩的注浆记录, 完整记录了各个时间的瞬时流量、压力、总水泥用量等, 如图1所示。

根据以往施工经验, 后注浆灌注桩、挤扩灌注桩比普通灌注桩成本低。为进一步科学地研究挤扩灌注桩、普通灌注桩和后注浆灌注桩的经济性指标, 以广东省佛山市顺德区某商业广场项目为例, 进行3种桩型的设计及经济性对比分析。桩基础综合单价的计算采用碧桂园集团《桩基础&基坑支护全费用综合包干单价表20180501》。

广东省佛山市顺德区某商业广场项目的地质特点是场地地质条件良好且基岩埋深不大。3种工艺的单桩指标分析如表1所示。

相较于灌注桩, 挤扩桩增加造价8.3%, 后注浆灌注桩增加造价3.7%。该种土层地质条件下, 灌注桩最经济。

理论造价横向比较:为验证其他类似场地的普遍情况, 假定只有一个单一土层场地, 厚度为10～58m, 土层下即为中风化岩层, 计算中风化岩层埋深不同时各桩型经济性, 以直径800mm的灌注桩所需成本为研究对象, 计算结果如图2所示。

后注浆灌注桩采用全长侧注浆, 桩端为岩层, 不考虑端阻力增大系数;挤扩桩按每7～10m设置一个承力盘布置;3种桩型入岩长度相同, 入岩段承载力及造价均相同, 因此统一不考虑入岩段侧阻力, 只考虑端阻力。土层及岩层承载力参数如下:场地所有土层侧阻力特征值平均为30kPa;岩层端阻力特征值为2 300kPa;后注浆侧阻增强系数为1.4;后注浆端阻增强系数为1;挤扩桩承力盘端阻力特征值为300kPa。

结合分析案例可得出结论:场地存在岩层且埋深不大时, 采用普通灌注桩经济性最好。若同时满足下面2个条件:岩层埋深和中间土层的端阻力较大时, 建议采用挤扩桩灌注技术。

1) 桩端持力层为基岩且岩面埋深较大, 建议采用普通灌注桩。

2) 当桩端持力层不是基岩且桩侧大部分土层端阻力特征值大于500kPa时, 挤扩灌注桩造价最优。

3) 当桩端持力层不是基岩且桩侧大部分土层端阻力特征值小于500kPa时, 建议优先采用后注浆灌注桩;当桩端持力层为卵石层时, 经济效益优势更明显。后注浆灌注桩造价优于挤扩灌注桩和普通灌注桩。

4) 除了基岩埋深较小的情况, 采用挤扩灌注桩、后注浆灌注桩均能替代普通灌注桩并能有效降低成本13%～41.9%, 建议采用。

根据造价计算和分析来选择灌注桩方案, 以供建设单位、设计、造价等相关技术人员参考。