静钻根植桩是近几年研究开发的一种绿色环保的新型桩基^[1]。它具有特殊的施工工艺, 见图1。首先采用可调节叶片的钻头和以搅拌钻杆为主的组合钻杆进行预先钻孔 (图1 (a) ) 。钻至设计深度后, 通过液压系统打开钻头的可调节叶片, 进行扩大头成孔 (图1 (b) ) 。在成孔完成后, 向扩大头注入水灰比0.6的纯水泥浆, 并随着钻杆多次反复升降, 将扩大头内泥浆搅拌均匀, 形成扩大头水泥土浆液 (图1 (c) ) 。扩大头水泥浆注入施工完成后, 钻头叶片关闭, 随着钻杆的提升, 向桩身注入水灰比1.0的纯水泥浆 (图1 (d) ) 。最后, 在水泥土浆液初凝前, 预制桩利用其自重沉入到水泥土中, 水泥土固化后形成水泥土包裹刚性桩体的植入桩 (图1 (e) ) 。

　　 静钻根植桩可以充分发掘桩基的性能, 通过预先钻孔来消除挤土效应, 通过桩周水泥土来提高侧摩阻力, 通过扩底来改善桩端性状, 提高桩端承载力, 控制沉降, 利用预应力管桩来提高桩身材料强度。因此, 相较于传统灌注桩或预制桩, 静钻根植桩具有低振动、低噪声、无挤土、少排泥等优点, 是一种对环境影响小、节能降耗的新型桩基, 具有很高的推广价值, 并最先在浙江地区得到应用^[1]。

　　 静钻根植桩的相关研究近几年也逐渐得到开展。周佳锦等^[2,3]、钱铮等^[4]、Ling等^[5]通过现场静载试验、模型试验、数值分析等手段, 对静钻根植桩开展了抗压、抗拔、水平受荷性状研究, 取得了较丰富的理论研究成果。此外, 徐礼阁等^[6]基于荷载传递法推导了层状地基中静钻根植桩单桩沉降的计算方法。以往研究注重力学性能测试和分析, 很少关注静钻根植桩桩身质量及形态, 而这是正确认识该新型桩基性能的基础。静钻根植桩施工工艺的可靠性和稳定性直接决定着该新型桩基的承载变形性能。另外, 静钻根植桩在深厚淤泥及软黏土层广泛分布的上海地区的实际工程中应用较少。

　　 本文以上海彩虹湾医院项目为依托, 基于静载试验、现场开挖及水泥土性状测试, 较系统地分析了上海地区静钻根植桩施工成桩效果。本文研究成果可以为今后静钻根植桩的实践与理论研究提供参考。

　　 上海彩虹湾医院项目位于上海市虹口区江湾社区。主要建筑物包含23层的医技病房楼、7层的门诊楼和行政科研楼等, 整体设置3层地下室。

　　 场地地貌属滨海平原地貌类型, 根据场地勘察报告, 地表至90.0m深度范围内所揭露的土层, 主要由软弱黏性土、粉土及砂土组成, 具有成层分布的特点, 属于上海典型地层。地下水位位于地面下1.5m。场地土层相关参数见表1, 表中γ为土层重度, c, φ分别为固结快剪黏聚力和内摩擦角, P_s为单桥静力触探比贯入阻力。试桩范围内土层分布及特点如图2所示。

　　 本次施工了6根静钻根植桩, 其中抗压试桩组S1共3根 (编号为S1-1, S1-2, S1-3) , 抗拔试桩组S2共3根 (编号为S2-1, S2-2, S2-3) 。另外, 在静钻根植桩施工前, 为核对场地地层条件及检验施工工艺, 按抗压试桩组S1预成孔的要求施工了非植入预制桩的试成孔桩K1。可以认为试成孔桩K1和抗压试桩组S1桩身的水泥土性质一致。现场施工情况见图3。

　　 抗压试桩组S1桩长55m, 钻孔直径750mm, 预制桩采用PHC管桩和PHDC竹节桩组合形式。上部PHC管桩直径600mm (PHC600AB型) , 包含3节, 分别长15, 15, 10m;下部PHDC竹节桩竹节直径650mm, 桩身直径500mm (PHDC650-500型) , 1节长15m。抗压试桩组S1采用扩底加固, 扩底直径1 200mm, 高度2 750mm。抗拔试桩组S2桩长43m, 钻孔直径650mm, 预制桩上部为2节每节15m长PHC500C管桩, 下部为1节13m长PHDC550-400竹节桩, 采用非扩底形式。预制桩桩身混凝土强度等级均为C80。根据施工记录, 桩周水泥浆的水灰比为1, 注入量为钻孔有效体积 (扣除预制桩桩身体积) 的30%, 桩端扩底水泥浆的水灰比为0.6, 注入量为扩底部分体积的100%;估算桩周和桩端扩大头水泥掺量分别为9.0%和59.8%。

　　 静载试验在试桩施工完成后43～45d进行, 采用慢速维持荷载法。现场载荷试验结果汇总见表2。试桩S1-1, S1-2的抗压极限承载力均为8 800kN;试桩S1-3加载至8 000kN时, 沉降稳定, 未进入破坏状态, 但桩头发生倾斜而不再适宜继续加载, 根据《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106—2014) 5.4.4条, 取8 000kN作为其抗压极限承载力。由于现场施工条件的限制, 抗拔试桩仅S2-1加载至极限状态, 得到抗拔极限承载力2 880kN;试桩S2-2, S2-3未出现破坏, 根据《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106—2014) 5.4.4条, 取施加的最大荷载3 000kN作为其抗拔极限承载力。根据浙江省行业标准《静钻根植桩基础技术规程》 (DB33/T 1134—2017) ^[7]预估的抗压试桩组S1和抗拔试桩组S2的极限承载力标准值 (简称规范估算值) 分别为6 700kN和2 000kN。抗压试桩组S1和抗拔试桩组S2的现场试验平均极限承载力分别约为8 500kN和2 960kN, 分别较规范估算值提高约27%和48%。静载试验结果表明, 静钻根植桩适用于上海地区地层条件, 可提供可靠的竖向抗压和抗拔承载力。

　　 在桩基施工完成360d后, 结合项目基坑施工, 对试桩S1-2桩身质量进行现场开挖验证 (图4、图5) 。现场切割截面 (图5 (b) ) 清晰地展示了静钻根植桩的桩身材料特点, 在空间结构上, 静钻根植桩的桩土体系是混凝土预制桩、水泥土、桩周土材料性质渐进变化的, 这是形成荷载双层应力扩散模式的结构基础。

　　 在15m开挖深度内, 桩身基本呈圆柱形, 实测桩身直径758～780mm。水泥土与管桩胶结紧密, 第一道支撑处 (桩顶下8m) 和第二道支撑处 (桩顶下15m) 水泥土厚度分别为40～85mm和45～130mm。桩基浅部桩周水泥土较薄, 这可能和施工工艺有关。为了防止水泥浆外溢过多, 注浆终止位置位于桩身上部, 靠预制桩植入水泥浆上溢至桩顶。水泥土和预制桩胶结良好, 桩基在极限状态下破坏更可能发生在水泥土与桩周土的界面处。静钻根植桩桩身水泥土质量较高也证明了, 在深厚软土地区, 静钻根植桩整体施工工艺可靠和稳定, 使得水泥土搅拌后均匀性较好。

　　 水泥土是静钻根植桩桩身结构的组成部分, 其性状对新型桩基承载性能有重要影响。桩周和桩端水泥土性质和作用不同, 通过低强度的桩周水泥土, 形成荷载由预制桩传递给水泥土, 再由水泥土传递给周围土体的双层应力扩散模式, 这与传统劲性搅拌桩相似^[8];通过高强度的桩端水泥土, 保证桩端扩大头强度大于持力层土体强度, 桩端扩大头与预制桩固化成一体共同受力, 从而提高桩端承载力。

　　 结合项目施工进度及场地条件, 分别对试成孔桩K1和试桩S1-3开展了水泥土强度检测。

　　 在龄期48d时, 沿试成孔桩K1桩身进行了水泥土现场取芯, 完成了水泥土无侧限抗压强度和剪切强度测试, 测试结果见表3。由表3可见, 水泥土无侧限抗压强度q_u为1.72～4.01MPa, 平均值为2.38MPa, 变异系数0.28;黏聚力c为350～700kPa, 内摩擦角φ为37°～45°。桩身水泥土无侧限抗压强度较稳定。这反映了静钻根植桩预先成孔施工工艺中桩长深度范围内水泥土得到了充分搅拌, 水泥土性质较稳定。由无侧限抗压强度的应力-应变关系估算桩身水泥土的弹性模量E_cs为102～222MPa, 平均值为161MPa, 变异系数为0.22。此结果与以往模拟施工条件的室内水泥土试验结果^[2]相近。

　　 在基坑开挖阶段, 对试桩S1-3桩身水泥土 (龄期425d) 进行了补充测试 (图6) , 结果见表4。试桩S1-3桩芯水泥土无侧限抗压强度q_u为3.82～4.39MPa, 考虑龄期影响, 与试成孔桩K1的测试结果较一致。另外, 位于④淤泥质黏土层的桩周与桩芯水泥土无侧限抗压强度相近, 表明预制桩植入对桩身水泥土性质影响有限。由于现场施工原因, 未能对桩端扩大头处水泥土进行取样测试。

　　 在不同龄期下 (原状土及8, 16, 28d) , 对试成孔桩K1进行现场静力触探试验, 结果见图7。水泥土搅拌破坏了原状土的结构性, 在施工不久, 如龄期8d时, 埋深40m以下水泥土比贯入阻力P_s明显低于原状土, 随着龄期增加, P_s逐步恢复并提高。龄期16d时的水泥土比贯入阻力P_s较龄期8d时水泥土比贯入阻力P_s增长不明显, 而龄期28d时的水泥土比贯入阻力P_s较龄期8d时水泥土比贯入阻力P_s有显著提高, 其值达4～12MPa, 其中0～40m深的水泥土比贯入阻力P_s较下部增强幅度更大。龄期28d时, 上部0～20m深、中部20～40m深、下部40～55m深的水泥土比贯入阻力P_s的均值分别为6.1, 5.6, 4.8MPa;此时, 沿桩长深度水泥土比贯入阻力P_s呈缓慢减小趋势, 分层效应不明显, 各土层间的水泥土比贯入阻力P_s差异较小, 这和表3中水泥土强度测试结果相互印证。

　　 静钻根植桩的成桩总时间主要包括预钻孔时间、桩端桩周注浆时间、预制桩植入时间。根据施工记录, 抗压试桩组S1和抗拔试桩组S2的成桩时间汇总见表5。相较于传统灌注桩, 施工速度较快, 工作效率较高。按日施工16h计算, 抗压试桩组S1每天可施工3.5根 (190m/d) , 抗拔试桩组S2每天可施工6.5根 (275m/d) 。

　　 由于上海地区静钻根植桩施工工程经验较少, 静钻根植桩在上海典型地层预成孔钻进速度 (表6) 明显小于浙江地区相应地层预成孔钻进速度 ^[7]。随着上海地区工程经验的积累, 静钻根植桩的施工工效还会进一步提高。

　　 本文结合上海彩虹湾医院项目静载试验、现场开挖验证及水泥土检测, 较系统地分析了上海地区静钻根植桩施工成桩效果。主要得到如下结论:

　　 (1) 抗压试桩组S1和抗拔试桩组S2的平均极限承载力约分别为8 500kN和2 960kN, 分别较规范估算值提高约27%和48%。静载试验结果表明, 静钻根植桩适用于上海地区地层, 具有可靠的竖向抗压和抗拔承载力。

　　 (2) 现场试桩结果表明, 桩身水泥土与预制桩胶结紧密, 直观反映在上海地区, 静钻根植桩施工工艺可靠, 成桩质量较好。

　　 (3) 静钻根植桩的预先成孔施工工艺可以使桩长深度范围内水泥土得到充分搅拌, 使得桩身水泥土强度较稳定, 分层效应不明显。龄期48d时, 水泥土无侧限抗压强度为1.72～4.01MPa, 黏聚力为350～700kPa, 内摩擦角为37°～45°, 弹性模量为102～222MPa。

　　 (4) 在上海地层条件下, 静钻根植桩施工效率较高, 孔径750mm、桩长55m的抗压试桩组S1每天施工3.5根, 孔径650mm、桩长43m的抗拔试桩组S2每天施工6.5根。