深厚软土是珠江三角洲、福建、上海、江苏、浙江等沿海地区工程建设中常遇的一种不良工程地质条件, 一直以来都是工程建设界的一大地质难题。珠江三角洲地区的深厚软土区一般软土层以下能作为持力层的土层缺失或不够厚。深厚软土承载力较低且设计于深厚软土地质条件下的桩的稳定性也往往难以满足。所以深厚软土地质条件下的预制管桩经常会面临桩的承载力和稳定性不足的两大难题。

珠海市某工程位于珠海市白藤二路北边, 省道S272西边。建筑场地里拟建建筑物49栋, 分别为别墅群 (一期) 、多层建筑物群 (二期) 、高层建筑物群 (三期) 。本工程拟建场地软土层较厚, 而强风化岩层较薄甚至缺失, 属于从软土层直接进入到中风化层或微风化层的软硬突变地质, 详细土层信息如表1所示。

本工程拟建场强风化岩很薄, 甚至有缺失, 而中砂层及可塑至硬塑黏性土层也不厚且仅是局部分布, 很多部位都是直接由软土层突变到中风化花岗岩。若采用预应力管桩, 极易造成桩头损坏和断桩, 且采用锤击打桩或静压工艺, 预应力混凝土管桩一般只可进入强风化岩层1~3m, 而无法进入中风化岩层, 难以满足桩的承载力和稳定性要求。若采用灌注桩, 施工工期长、造价高。综合考虑各方面因素, 本工程拟采用引孔嵌岩预制管桩。

引孔嵌岩预制管桩施工工艺是指采用凿岩机引一个比设计桩径略大的孔 (通常引孔直径比桩径大5%) , 并钻入基岩一定深度, 而后向引好的孔中灌入一定量的水泥浆, 压入预应力混凝土管桩。本工程以中风化花岗岩层作为持力层, 桩型主要采用PHC400AB95, PHC500A125, 设计嵌岩深度要求为1m, 桩长19~32m, 预应力混凝土管桩混凝土强度等级均为C80。采用引孔嵌岩预制管桩, 将桩尖嵌入中风化层一定深度, 既能满足本工程的承载力要求和桩的稳定性要求, 又能保留预应力管桩单桩承载力高、适应性强、单位承载力造价便宜、成桩质量有保证、环保等优点。

本工程桩基础由珠海某建筑基础工程有限公司负责施工, 其引孔设备是由该公司按工程具体情况定制的多功能凿岩机, 其钻头为金刚石钻头, 图1为凿岩机引孔施工图, 图2为凿岩机特制钻头。

施工要点如下:

施工场地完成“三通一平”, 清除障碍物, 预制桩进场及验收, 场地要求平整压实, 压实度需保证地基承载力满足凿岩机和静压机等重型设备的要求, 以避免陷机。

根据设计图纸编制放样定位图, 结合实际施工情况确定打桩路线, 严格按照施工图纸坐标布置控制网, 并放样定出桩位, 保证放样精度, 桩位放样偏差值应<10mm。桩位确定后, 凿岩机就位, 凿岩机的钻杆应对准桩位中心, 稳定机身, 保证钻杆垂直。

利用凿岩机特制的坚硬钻头不断回转磨碎土体和岩石直至设计基岩处, 引孔直径一般比设计桩径大5%。施工中要确保机身不发生倾斜、移动, 钻进过程中要随时检查钻杆的垂直度, 若发现钻杆偏斜应及时矫正。终孔时可根据钻头凿岩速度来判断是否达到设计基岩层及达到基岩的深度。

确定引孔已钻到设计标高后, 向钻杆空腔内注入高压水泥砂浆, 向钻杆内下放1个钢珠封闭钻头底喷孔, 使水泥砂浆只从侧面喷出。边注浆边提升钻杆直至水泥浆注至2/3孔深处, 停止注浆, 将钻杆完全提出, 凿岩机移至下一桩位。

注浆完成后, 用全站仪重新进行桩位放样复核, 桩位中心应大致在引孔的正中心, 并采用桩位护桩十字交叉等距法标记桩位。

将静压机移至桩位上方, 调节液压装置保持机身水平稳定。以离桩端0.2L处作为桩的起吊点将管桩吊入夹持器内夹住 (L为桩长) 。压桩前先进行桩位复核, 调整夹具确保桩端对准桩位中心后压桩。压桩过程中应在90°2个方向吊垂线控制垂直度, 垂直度偏差不得超过0.5%。由于第1节桩的垂直度对控制整条桩的垂直度至关重要, 所以第1节桩的压桩速度不宜过快, 一般保持2~3m/min速度为宜。

整个压桩过程必须在水泥砂浆初凝前完成。压桩至设计标高后, 终止压桩并将静压机移至下一桩位, 管桩露出地面的部分应及时予以截除。另外由于受到起吊设备的限制以及考虑到运输的方便, 单节预制桩的出厂长度一般为10m多不等, 而在深厚软土中桩的设计长度远远不止10m, 所以施工过程中必须接桩以满足桩的设计长度。这就要求有合理的配桩方案和可靠的接桩质量, 接桩要保证焊缝饱满。

采集珠海市与该工程的一条引孔嵌岩预制管桩地质相似、桩长相差不大的一条普通管桩的静载实测数据与该引孔嵌岩预制管桩静载实测数据进行对比分析其承载力性状, 桩对比信息如表2所示, 静载试验对比曲线如图3所示。

由图3可知, 引孔嵌岩预制管桩的Q-S曲线为陡降形, 在点 (5 580, 55.56) 处开始出现明显的拐点而产生下段突变, 故取该点荷载值5 880k N作为极限承载力。普通管桩Q-S曲线为缓变形, 出现2个稍明显的拐点 (4 240, 27.08) 和 (4 770, 42.58) , 取沉降量S=40mm附近拐点对应荷载值4 770k N作为其单桩竖向极限承载力。对比结果表明引孔嵌岩预制管桩的引孔虽削弱了挤土效应, 降低了桩侧摩阻力, 但嵌岩作用极大地提高了桩端承载力, 使引孔嵌岩预制管桩极限承载力较普通管桩提高23.27%。

嵌岩桩需嵌入岩石一定深度, 若入岩太深, 钻孔进尺困难、经济性不合理, 而入岩太浅又不利于桩的抗倾覆稳定性的发挥。张忠苗^[1]认为从桩的稳定性、承载力的发挥、经济性及施工方便性角度考虑存在着一个最优嵌岩深度为1.0~2.5m。JBJP4—2008《建筑桩基技术规范》^[2]指出嵌岩深度应考虑各方面因素的影响, 嵌入完整坚硬和较坚硬岩石中的深度宜≥0.2倍桩径且应≥0.2m。综合考虑桩的抗倾覆稳定性、经济性及施工难度等因素, 本工程的引孔嵌岩预制管桩的嵌岩深度设计为1.0m。

引孔嵌岩预制管桩的施工工艺中, 压桩前预先注入2/3孔深的水泥砂浆, 完全凝固后在桩体与岩体之间形成一层水泥泥皮, 这层水泥泥皮的存在不仅增强了引孔嵌岩预制管桩的抗倾覆稳定性, 还在一定程度上提高桩侧摩阻力。桩基施工中, 用途不同, 注浆的水泥砂浆配合比也有所不同。稀浆, 水灰比约为0.8, 流动性较强, 常用于加固桩底、桩侧的松散土体;中等浓度浆液, 水灰比约为0.6, 用于充填、压实、挤密;浓浆, 水灰比约为0.4, 对已注入的水泥浆液起脱水作用^[3]。引孔嵌岩预制管桩压桩前注入的水泥浆液一般选择中等浓度的浆液, 水灰比为0.5~0.7, 水泥浆强度等级不宜低于M20。

引孔嵌岩预制管桩在引孔注浆后, 桩孔上部1/3为空桩, 下部2/3为刚注入的流塑态水泥浆液, 使压桩阻力较小。因此, 引孔嵌岩预制管桩对桩尖穿透能力要求较低, 只要采用闭口桩尖, 防止水泥浆液进入预制管桩内影响水泥砂浆的填充效果及桩的抗倾覆稳定性即可, 一般设计采用十字形闭口桩尖。

近年来, 很多嵌岩桩被证明属于摩擦端承桩, 但理论研究表明深厚软土层对桩不仅产生的侧摩阻力小, 而且在某些特殊情况下还可能产生负摩阻力, 厚软土地质条件下的引孔嵌岩预制管桩属于端承桩, 桩径应按端承桩设计。

引孔嵌岩预制管桩桩端设计嵌入基岩一定深度, 中风化、微风化岩不仅单轴抗压强度高, 而且压缩模量大, 能提供较高的端阻力^[4]。普通预制管桩属于挤土桩, 挤土效应会使桩周围土体产生超孔隙水压力, 管桩施工完成后超孔隙水压力开始消散, 桩四周土体重新固结下沉, 造成桩的承载力下降^[5]。而引孔嵌岩预制管桩属于非挤土桩, 不存在因挤土效应造成桩的承载力下降的现象。因此引孔嵌岩预制管桩能获得较普通预应力管桩更高的承载力。

引孔嵌岩预制管桩在引孔注浆后, 静压机提供的静压力足以将孔底的虚土沉渣及水泥浆挤入桩体四周的土体中, 预制管桩能顺利到达设计标高, 进入中风化岩层。因此, 引孔嵌岩预制管桩比普通预应力管桩沉降量小。相比之下, 由于受虚土沉渣的影响, 嵌岩灌注桩的沉降量往往比引孔嵌岩预制管桩大得多。

引孔嵌岩预制管桩嵌岩深度的嵌固作用, 大大提高了桩的稳定性, 可避免先施工的桩受后施工的桩的施工扰动而发生倾斜及偏位。

引孔嵌岩预制管桩虽然比普通预应力管桩多了引孔和灌浆2道工序, 但其单桩承载力得到了提高, 使得单位承载力造价较低。另一方面, 由于引孔嵌岩预制管桩属于非挤土桩, 不会因挤土效应造成已完成施工的桩受邻桩施工影响而产生桩体上浮的现象^[6]。引孔嵌岩预制管桩完成施工后, 不需复压, 从而缩短了工期, 节省了施工成本。此外, 引孔嵌岩预制管桩能根据引孔深度确定比普通预应力管桩更为合理的配桩方案, 避免了过多截桩, 节省了材料。

引孔嵌岩预制管桩所采用的预制桩是工厂预制, 能严格按照规范标准进行质量控制, 成桩质量有保证, 不会出现灌注桩常遇到的夹泥、颈缩等质量缺陷。由于压桩前先引孔, 引孔嵌岩预制管桩不会因压桩阻力过大而造成桩身开裂、桩头爆裂及断桩等质量事故, 也不会产生挤土效应形成吊脚桩。

引孔嵌岩预制管桩不仅可适用于锤击、静压预制管桩能适用的所有地质条件, 还能适用于软硬突变的深厚软土地质条件, 引孔嵌岩预制管桩拓宽了预制管桩的应用范围。

引孔嵌岩预制管桩不需大功率打桩设备和泥浆护壁, 施工无噪声、无振动、无污染, 能适用于市区某些对环保有特殊要求、对噪声有限制的施工条件, 如医院、学校附近。

引孔嵌岩预制管桩能解决桩基础在深厚软土地质条件下面临的承载力、稳定性不足2大难题。而引孔嵌岩预制管桩具有较锤击、静压预应力管桩不仅承载力高、沉降量小、抗倾覆稳定性能好、经济合理, 还避免了锤击、静压管桩在施工过程中常碰到的施工质量事故。引孔嵌岩预制管桩解决了普通预应力管桩不能适用于软硬突变地质条件的难题, 很好地适用于软硬突变的深厚软土地质条件, 拓宽了预应力管桩的适用范围。