长螺旋钻孔压灌桩^[1]施工工艺成熟, 与普通混凝土灌注桩相比, 有工程造价低、工期短的特点。普通长螺旋钻孔压灌桩适用于砂层、砾石层、硬土层及软岩层, 桩径300~800 mm, 桩长≤25 m, 不适用于硬度较高的岩石层。丁旭亭等^[2]研究了经加装加压系统、冷却系统后, 将长螺旋钻孔压灌桩用于块石填土层、卵石层及较软—较硬基岩的钻进。经改进长螺旋钻孔桩机桩架、动力系统后, 桩径可达1 000mm, 桩长可增至55m。

　　 沉管灌注桩和预应力管桩^[2]因施工便捷、无泥浆污染、沉桩周期短等优点在桩基工程中得到广泛运用, 杭州地区的桩基工程较少采用长螺旋钻孔压灌桩。沉管灌注桩和预应力管桩属于挤土桩, 沉桩时具有挤土、震动效应, 当桩基需要穿过较厚、较密的砂质粉土层和砂层时, 沉桩难度较大。因此, 探讨长螺旋钻孔压灌桩在杭州地区桩基工程中的应用问题十分必要。

　　 杭州七格污水处理厂四期工程采用地下式钢筋混凝土结构, 工程平面位置如图1所示。本工程设计规模为30万m³/d, 主体箱体结构平面占地尺寸约为190m×330m, 主体结构设计高度14.5m, 顶部设计覆土深度1.5m, 设计覆土顶部高程13.1~13.6m (1985国家高程基准, 下文同) , 基底埋置深度11.5m。

　　 本地下式污水处理厂埋入地面以下较深, 相较于常规地上式污水处理厂构筑物, 其承受较大的地下水浮力;相较于一般民用建筑物, 其上部结构荷载小, 抗浮力较小。因此, 地下式污水处理厂需要具有较大抗拔力的桩基辅助抗浮^[3]。

　　 工程具有代表性的地质剖面见图2, 基底高程主要为-4.5m, 基底坐落于②₃砂质粉土层, 各岩土层主要物理力学指标详见表1。

　　 本污水处理厂工程场地区域内地下水为松散岩类孔隙水, 水位变化较大, 浅层地下水水位年变化幅度为1.00~2.00m, 场地抗浮设防水位为6.50m。

　　 本场地设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅲ类, 设计特征周期值为0.45s, 属于建筑抗震不利的地段。本工程场地抗震设防烈度为7度。根据液化判别结果, 场地在抗震设防烈度7度的条件下, ②₁砂质粉土层及②₃砂质粉土层会产生中等液化。

　　 因此, 本工程设计应考虑中等地基土液化。

　　 如图2所示, 本工程液化土层较薄, 且在标高-25.0m以下存在软弱下卧层, 经济分析表明不宜采用长螺旋钻孔压灌桩等具有抗拔能力和抗液化能力的桩基作为抗地基液化桩型, 故本工程采用振冲碎石桩消除地基液化^[4]。

　　 本工程所受浮力60~80kN/m², 估算所需单桩抗拔承载能力为300kN左右, 与常规地上式污水处理厂埋置深度较大构筑物 (如生物池) 相比, 本工程构筑物所受的地下水浮力及所需单桩抗拔承载力较大。预应力管桩抗拔承载能力较小, 一般直径400mm的单节管桩能提供的抗拔承载力为230kN左右。同时, 本场地存在较厚的粉土层, 预应力管桩贯穿②₄层、②₆层难度较大, 易爆桩。因此, 本工程不采用预应力管桩抗浮设计方案。

　　 结合本工程前期工程施工状况及杭州地区常用桩型及该地区的实际工程经验, 设计拟从下列3种桩型中选取一种作为本工程抗拔桩:①沉管灌注桩, 桩径426 mm, 振动沉管;②长螺旋钻孔压灌桩, 桩径400~600 mm;③旋挖成孔灌注桩, 桩径700~900mm。

　　 本工程桩主要为抗拔桩, 属于摩擦型桩, 桩基计算要考虑抗拔承载能力, 同时需要根据单桩受力大小计算所配钢筋应力大小, 按照《混凝土结构设计规范》 (GB 50010-2010) 复核桩基裂缝宽度。

　　 以上3种桩基方案的经济性对比主要是不同桩径下桩基工程造价对比。方案对比步骤如下:

　　 (1) 根据本工程地质条件拟定桩基有效设计长度。本工程地质土层在标高-25.0 m以下存在厚度约8.0 m的③淤泥质粉质黏土层, 本土层为软弱下卧层, 宜将桩端置于软弱下卧层以上的②₇黏质粉土层, 因此, 拟定桩基有效设计长度为20 m。

　　 (2) 以桩长20m为定值, 取桩基直径为可变参数, 根据本工程地质条件计算单桩承载力。根据不同桩型常用最小桩径为起始桩径。

　　 (3) 根据不同桩径的单桩承载力, 计算桩基布置间距, 进行设计布桩, 以满足抗浮安全系数不小于1.05, 从而求得本工程桩基总数量。

　　 (4) 按照桩基裂缝宽度限值配置桩基所使用的混凝土强度等级及桩基钢筋用量。

　　 (5) 根据杭州地区的混凝土、钢筋、成桩工程预算定额, 依据桩基总量计算桩基工程总造价。

　　 上述计算结果见表2。

　　 根据计算结果绘制不同桩基直径下的桩基工程造价见图3。

　　 根据方案经济对比计算结果, 可以得出如下结论:

　　 (1) 在抗浮设计中, 采用直径较小的桩型, 桩基工程造价较低。本工程中桩基工程采用直径500mm桩型工程总造价较采用直径400mm桩型工程总造价增加约20% (造价增加约1 000万元) 。

　　 (2) 本桩基工程如采用旋挖成孔灌注桩, 最小桩径为700mm, 较采用直径400mm长螺旋钻孔压灌桩桩基工程总造价增加约70%, 因此, 旋挖成孔灌注桩抗浮设计方案经济性较差。

　　 (3) 本桩基工程如采用直径426 mm沉管灌注桩, 较采用直径400 mm长螺旋钻孔压灌桩桩基工程总造价增加约3%, 两者造价接近。

　　 根据经济性对比分析, 本工程应优先选择直径426mm沉管灌注桩或直径400mm长螺旋钻孔压灌桩为本工程抗拔桩。

　　 本工程场地东北侧为居住区, 桩基施工距离最近居住区距离约75m, 桩基施工噪声强度能否满足《声环境质量标准》 (GB 3096-2008) ^[5]中有关要求, 需要进行计算分析。

　　 国内常用工程设计与施工规范未提供常见施工机械产生的噪声强度数据, 本次分析采用的有关噪声数据主要为查阅互联网及万方数据库中部分论文所得, 其中沉管灌注桩、长螺旋钻孔压灌桩施工时, 距离桩机15 m处噪声强度分别为99.6 dB、62.2dB。

　　 根据有关资料, 多台桩机同时工作时噪声强度按照式 (1) 计算。

　　 式中L_ρ总———n台桩机产生的总声压级, dB;

　　 L_pn、L_p———单台桩机产生的声压级, dB;

　　 n———桩机台数。

　　 假设工程现场同时采用7台桩机进行施工, 距离桩机面15 m处, 各种桩机产生的噪声强度计算如下:

　　 (1) 7台沉管灌注桩桩机最大噪声源强度:L_ρ总=99.6+10lg7=108 (dB) 。

　　 (2) 7台长螺旋钻机最大噪声源强度:L_ρ总=62.2+10lg7=70.7 (dB) 。

　　 在自由声场 (自由空间) 条件下, 点声源的声波遵循着球面发散规律, 按声功率级作为点声源评价量, 其衰减量公式为:

　　 式中ΔL———距离增加产生衰减值, dB;

　　 r———点声源至声点的距离, m。

　　 在距离点声源r₁处至r₂处的衰减值:ΔL=20lg (r₁/r₂) 。

　　 当施工距离远离住户300m时, 噪声强度可以降低ΔL₃₀₀=20lg (300/15) =26 (dB) , 则以上2种桩机施工时产生的噪声最大强度为66dB。

　　 根据《声环境质量标准》^[5], 不同时段的噪声允许值见表3。本工程红线与东北侧居住区之间为二级交通干道, 属于3类环境功能区^[6], 根据3.2.1节计算数值与表3数值对比可知:

　　 (1) 当施工本工程东北角距离住户最近区域桩基时, 采用沉管灌注桩桩机在最近住户处产生的最大噪声源强度无论在昼间及夜间都不能满足环境噪声限值要求。

　　 (2) 当施工距离远离住户300m时, 沉管灌注桩桩机在昼间噪声强度基本能满足环境噪声限值要求。

　　 (3) 采用振冲碎石桩桩机在最近住户处产生的最大噪声源强度在昼间基本满足3类声环境噪声限值要求, 在距住户200m以上距离处昼间及夜间都能满足3类声环境噪声限值要求。

　　 桩机施工噪声产生及其传播受到的影响因素较多, 上述计算过程仅考虑一般条件下自由空间的噪声传播状况, 工程现场实际具有环境背景噪声、空气的温度湿度等非理想状态, 故与实际噪声具有一定差距。

　　 (1) 采用长螺旋钻机施工时在最近住户处产生的最大噪声源强度无论在昼间及夜间都能满足环境噪声限值要求, 不需要采取消除噪声措施。

　　 (2) 采用沉管灌注桩桩机施工时, 当施工远离住户300m以上距离时, 昼间噪声强度基本能满足环境噪声限值要求。

　　 (3) 采用沉管灌注桩桩机施工, 在本工程距离住户最近区域范围内, 桩机在最近住户处产生的最大噪声源强度无论在昼间及夜间都不能满足环境噪声限值要求, 需要采取消除噪声的措施。

　　 本地下式污水处理厂工程设计根据噪声限值条件, 初步选取振冲碎石桩作为消除地基液化桩, 采用长螺旋钻孔压灌桩作为抗拔桩, 满足3类环境功能区的环境噪声限值要求

　　 本工程设计对沉管灌注桩、长螺旋钻孔压灌桩、旋挖成孔灌注桩^[1]作施工优劣对比见表4。根据上述对比分析, 可以得出:

　　 (1) 采用沉管灌注桩群桩基础时, 易产生挤土效应。当工程周边有已建构筑或存在基坑工程时, 宜采用无挤土效应的长螺旋钻孔压灌桩。

　　 (2) 当场地存在较密实的土层时, 采用沉管灌注桩桩机施工时, 沉桩难度较大, 必要时需采用长螺旋引孔施工工艺辅助沉桩。

　　 (3) 长螺旋钻孔压灌桩在砂质土层施工时, 容易发生塌孔或缩颈。本工程②₁~②₆土层为砂质土层和粉砂层, 应采取合适的施工技术控制施工质量。

　　 本工程拟采用长螺旋钻孔压灌桩设计方案, 施工关键技术在于解决成孔质量问题, 包括在较硬的②₄、②₆粉砂层钻孔问题;在②₁~②₆土层容易发生的塌孔或缩颈问题。

　　 (1) 选择大功率钻机。长螺旋钻孔压灌桩的成孔质量对桩身侧摩阻力影响较大, 特别是遇到硬度较大土层时反复钻孔, 将钻孔周围的土钻松, 降低桩身侧摩阻力, 从而降低抗拔承载力。为避免上述反复钻孔, 应选取较大功率的钻机 (如60kW的长螺旋钻机) 。

　　 (2) 控制提钻速度和混凝土塌落度。在砂质土层成桩时, 影响施工质量主要因素为混凝土的坍落度和提钻速度。提钻速度由泵送混凝土量控制, 宜为1.2~1.5m/min, 钻杆提升过程中必须保证钻杆中积蓄一定量的混凝土, 混凝土灌注要连续进行, 以防止出现断桩、缩颈、混凝土中夹杂泥沙。为保证基桩混凝土的密实度, 拔出振动管时, 边拔出边振动, 超灌高度不少于0.8m, 确保桩顶混凝土质量符合设计要求。施工过程中应严格执行浇筑前测量混凝土的坍落度, 控制好混凝土坍落度为18~20cm。

　　 本工程采用振冲碎石桩消除地基液化, 从经济性、噪声环境限制、施工可行性等方面分析长螺旋钻孔压灌桩、预应力管桩、沉管灌注桩、旋挖成孔灌注桩等抗浮设计方案, 可以得出以下结论:

　　 (1) 抗浮桩用于抗浮设计方案时, 同等浮力作用下, 小直径桩抗浮设计方案较为经济。本工程中桩基工程采用直径500mm及700mm桩型工程总造价较采用直径400mm桩型工程总造价分别增加约70%、20%, 大直径旋挖成孔灌注桩桩基抗浮设计方案经济性较差。

　　 (2) 沉管灌注桩和预应力管桩沉桩时产生噪声强度较大, 当施工场地附近有环境噪声限值要求时, 应计算昼间及夜间沉桩时噪声强度, 当不能满足环境噪声限值要求时, 宜采用长螺旋钻孔压灌桩等钻孔桩。

　　 (3) 沉管灌注桩和预应力管桩沉桩时具有挤土、震动效应, 当桩基需要穿过较厚、较密的砂质粉土层、砂层时, 沉桩难度较大, 宜采用长螺旋钻孔压灌桩等穿透能力较强的桩型。

　　 (4) 长螺旋钻孔压灌桩在砂质土层和较硬土层沉桩时, 容易发生的塌孔或缩颈, 施工应选择大功率钻机, 控制提钻速度和混凝土塌落度确保成桩质量。

　　 长螺旋钻孔压灌桩应用于本工程, 能充分发挥其无泥浆污染、噪声小、无振动、无挤土、穿透力强、施工速度快、经济性高等特点。