厚砂层泥浆护壁引孔预制桩施工技术.pdf

建筑施工第45 卷第8 期1507FOUNDATDUNDATION础地厚砂层泥浆护壁引孔预制桩施工技术戴连双姚誉清魏文康王萌张国强中国新兴建筑工程有限责任公司北京100079摘要：结合工程实例，探讨预制管桩基础在厚砂层地质条件下的施工应用。介绍了北方内陆地区含厚砂层条件下，先引孔降低土层阻力，再在砂层部位泥浆护壁避免引孔后孔，最后利用静压桩机将预制管桩沉入预定持力层的施工工艺和技术要点，为预制管桩施工提供了新的经验。关键词：预制管桩；泥浆护壁；厚砂层；引孔；静压法沉桩中图分类号：TU753文献标志码：A文章编号：10 0 4-10 0 1(2 0 2 3)0 8-15 0 7-0 3DOl:10.14144/kijzsg.2023.08.001Construction Technology of Prefabricated Piles with Thick Sand LayerMudProtectionWall Guiding HoleDAI Lianshuang YAO Yuqing WEI Wenkang WANG MengZHANG GuoqiangChina Xinxing Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100079,ChinaAbstract:Combined with engineering examples,the construction application of prefabricated pipe pile foundation underthe geological conditions of thick sand layer is discussed.The construction process and technical points of using a staticpressure pile machine to sink the prefabricated pipe pile into the predetermined bearing layer under the condition of thicksand layers in the northern inland region of China are introduced,which involves first reducing soil resistance by guidingholes,then protecting the wall with mud at the sand layer to avoid collapse after guiding holes,and finally providing newexperience for the construction of prefabricated pipe piles.Keywords:prefabricated pipe pile;mud protection wall;thick sand layer;guiding hole;static pressure pile sinking预制管桩常规的施工方法为静压法和锤击法，桩身范围内土层的侧摩阻力是影响预制管桩沉入土层的直接因素。华北平原地区地层多为黏土、粉土层，还常常遇有砂层，且地下水位较低，土质偏坚硬。因此，在施工过程中常因土层阻力大而无法沉至指定持力层，无法满足有效桩长的设计要求，尤其是遇较厚砂层，预制管桩沉至砂层位置，静压桩机压力达到甚至超过终压值，管桩仍无法继续沉入。针对此种情况，可以采用长螺旋钻机进行引孔，穿透砂层降低摩阻力，在砂层位置再利用泥浆护壁避免引孔后孔，再进行静压沉桩，可以确保预制管桩顺利穿过砂层，保证有效设计桩长，满足设计要求。1研究背景1.1项目背景河北省高碑店市教育综合体项目位于河北省高碑店市高铁新城片区，学校建筑面积为16 9 35 1.7 4m，由15 个建筑作者简介：戴连双（19 7 0 一），男，硕士，教授级高级工程师。通信地址：北京市丰台区东铁营顺八条9 号（10 0 0 7 9）。电子邮箱：36 10 8 7 6 33 收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 6单体组成。项目质量管理目标为北京市建筑结构长城杯金质奖、北京市建筑长城杯金质奖、中国建设工程鲁班奖。教学楼A楼、教学楼B楼、宿舍A楼、图书行政楼设计钢筋混凝土预制管桩承台基础，桩长为2 6 m，桩径600mm，采用PHC600-AB型钢筋混凝土预制桩，其中教学楼A楼基础桩49 9 根、教学楼B楼基础桩49 9 根、宿舍A楼基础桩35 7 根、图书馆行政楼基础桩35 0 根，共计17 0 5 根。1.2工艺背景随着目前城市环保的要求及城市限行政策的常态化实施和人工成本的急剧增加，传统灌注桩需现场加工钢筋笼，且钢筋用量较大；钢筋笼加工过程中受原材料、施工及焊接工艺、天气等因素影响较多，而且混凝土浇筑过程中也受混凝土自身质量、浇筑环境等因素影响较大，成桩后又需养护2 8 d后方可进行试验及施工，施工周期较长，且养护期间后续工序不能介入，不利于目前城市及建筑市场的快节奏发展。钢筋混凝土预制桩在预制厂进行集中加工，安全、环保及质量可控，规格尺寸受控，强度高，桩身的抗腐蚀性及耐久性优良，进入施工现场后可直接进行使用，且基础桩完成后经检验合格即可进行承台基础浇筑施工，无需等待其桩身混凝土上强度，从而缩短了施工工期，节约了混凝土养护期间的静置成本，具有良好的施工经济效益。150820238Building Construction王萌、张国强：厚砂层泥浆护壁引孔预制桩施工技术戴连双、女姚誉清、魏文康、2地质状况2.1工程地质条件华北地区场地地形平坦，地貌属太行山东麓山前冲洪积平原。高碑店市教育综合体项目拟建场地表层为种植土，至层为第四系全新统冲洪积成因地层，至层为第四系上更新统冲洪积成因地层。本场地土类型主要为中软土，场地及其附近未发现影响场地稳定的不良地质作用，综合场地土层组合情况结合地形地貌条件，本场地的地段类别属于一般地段。实际施工区域地层以粉质黏土、粉土及细砂层为主。预制桩设计桩长2 6 m，桩端持力层进入第层粉质黏土，砂层位于第层细砂，砂层层厚为1.6 0 11.30 m，因此预制桩需完全穿越细砂层。2.2水文地质条件勘察最大勘察深度45.0 0 m，勘察时钻孔内测得地下水位埋深为14.2 9 15.6 5 m（高程4.6 1 5.5 6 m），含水层为层粉土及其下各层，属潜水型，主要补给来源为大气降水、地表渗漏，地下水排泄以人工开采和向下渗流为主要形式。近35 年最高水位埋深为15.0 m，年变幅在2.0 m左右，并且，近年地下水位略有上升趋势。场地地下水pH值在7.9 5 8.0 6 之间，属弱碱性水，场区内在II类环境，干湿交替条件下，地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性；地下水在长期浸水的情况下对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。3预制桩设计参数依托于高碑店市城市教育综合体（一期）项目，本项目预制桩设计如下：设计桩长2 6 m，桩径6 0 0 mm，教学楼A楼基础桩49 9 根、教学楼B楼基础桩49 9 根、宿舍A楼基础桩35 7 根，共计135 5 根，共计35 2 30 m。地基基础设计等级为乙级，预制管桩桩长2 6 m，桩端进入第层粉质黏土，桩顶进入承台10 0 mm，桩型为PHC600AB110-26，桩尖采用b形开口桩尖，单桩竖向抗压承载力设计值取19 0 0 kN。桩基施工完毕后采用静载荷试验对单桩竖向抗压承载力进行验收检测。4施工问题华北平原地质特殊，地层以硬质粉质黏土及超过2 m以上厚砂层为止，且地下水位普遍较高，预制桩施工过程中遇到厚砂层会难以下沉至设计标高，且华北地区地层中砂层多为粉质细砂，砂层密度较大，颗粒之间黏聚力较低，加之受到地下水影响，预制桩下压过程中易塌聚集于预制桩周边，产生“抱桩”现象。经现场进行试验，采用开口型及闭口型穿砂桩尖也无法穿透超2 m以上厚砂层，给具体施工带来了较大的难度，如何将这种具有多种优势的预制桩顺利地使用于砂层较厚的华北平原地区就成为当务之急。为解决华北平原厚砂层预制桩施工难题，依托高碑店市城市教育综合体（一期）项目，将施工思路及需解决的问题总结如下。4.1预制桩难以下压至设计标高华北平原粉质黏土厚且土质较硬，粉质黏土下部砂层较厚，局部砂层甚至可达到11m以上，砂层上部较厚（以高碑店学校项目为例，黏土层覆盖平均5 6 m），黏土层自重较大，因此下部砂层较为密实。采用静压桩机焊接穿砂桩尖直接在原状土层进行预制桩施工难度较大，下沉阻力大，基本上下沉至8 m左右静压桩机已达自身荷载峰值，预制桩已无法再继续下沉。4.2厚砂层易孔问题华北平原砂层较厚，局部砂层甚至可达到11m以上，且地下水位较高（以高碑店学校项目为例，地下水位埋深为14.2 9 15.6 5 m，高程为4.6 1 5.5 6 m），预制桩下压过程中在桩尖1m深度范围内会产生“漏斗效应”，漏斗范围内砂层压力向桩尖集中，造成桩尖砂层挤密，给预制桩下压带来较大阻力，若采用长螺旋进行引孔，厚砂层应力释放又较快，再加上地下水的影响，砂层范围内桩孔会迅速垮塌，给施工造成较大难度。4.3引孔深度及直径问题根据地勘报告可知，本区域内上部土层为粉质黏土，土层黏聚力较高，但下部砂层洁净，黏聚力低，成孔较差。本项目所涉及预制桩均为摩擦端承桩，为保证桩端阻力及桩身摩擦力能满足设计要求，采用引孔进行施工，需进行现场试验确定引孔深度及引孔直径。5解决措施1）为预制桩穿越厚砂层引入长螺旋进行引孔。在常规静压预制桩工艺的基础上，增加了长螺旋引孔。采用长螺旋钻机引孔施工，引孔孔径不应大于桩身直径的0.8 倍，以保证预制桩桩身摩擦力的有效发挥，引孔深度为刚穿透砂层即可，桩长范围内有多个砂层时穿透最底层砂层。2）为保证引孔长度范围内不孔，创新引入泥浆护壁。为保持引孔深度范围内不孔，引入了化学泥浆进行孔壁保护。采用现场配制泥浆并用泥浆池储备，储备的泥浆量能够保证每天成孔施工的需求量。引孔作业时，应保持泥浆液面高度，以形成足够的泥浆柱压力，并随时向孔内补充泥浆。下压预制桩时，宜适时做好泥浆回收，实现其再利用并防止造成环境污染。3）为减少泥浆对原状地层的影响，有效发挥土层摩阻力及桩端阻力。引入泥浆护壁后，为保证地层土层内摩擦力及土性不改变，采用了可降解化学泥浆。该化学泥浆对地层的影响小且可降解，是一种水溶性、易混合的粉末颗建筑施工第45 卷第8 期1509戴连双、姚誉清、魏文康、王萌、张国强：厚砂层泥浆护壁引孔预制桩施工技术粒聚合物，无毒无污染，重复利用，废浆易于降解。为保证桩端持力层和桩身土层摩擦力能有效发挥，结合施工规范要求，我公司将引孔直径定为0.8 倍的预制桩桩身直径，引孔深度结合地勘报告，定为19 m。经现场前试桩静荷载桩身极限承载力试验，以上引孔直径、引孔深度及可降解化学泥浆的使用，能满足设计要求，可使桩身摩阻力及桩端阻力有效发挥。6主要工艺原理预制管桩在沉桩深度范围内若遇砂层，因摩阻力较大难以施工至预定持力层，可采用长螺旋引孔减小摩阻力，若砂层较厚，达到2 m以上，引孔后砂层因黏聚力低易发生孔壁塌造成引孔失败，若在砂层位置采用化学泥浆护壁，改善孔壁稳定性，静压桩机下压预制桩顺利到达预定持力层，待静压成桩完成后，地层休止期内，不稳定的化学泥浆会迅速降解，水分顺砂层空隙流失。土层摩阻力随之能够有效发挥，从而使得预制桩桩基承载力及沉降变形能够满足设计要求（图1）。预制桩静压桩机下压长螺旋钻机引孔泥浆泵泥浆泥浆稳定液面泥浆稳定液面注入口泥浆吸入口泥浆池0.8D0.8D图1工艺原理7施工流程工艺试验点位放样化学泥浆制备（及泥浆池准备）长螺旋钻机引孔（泥浆护壁）桩孔清理预制管桩穿砂层桩尖焊接静压桩机下压预制桩桩身连接桩头处理抗压及桩身完整性检测8关键技术点8.1泥浆制备为保证护壁质量，采用现场配制泥浆并用泥浆池储备，储备的泥浆量能够保证每天成孔施工的需求量。引孔作业时，应保持泥浆液面高度，以形成足够的泥浆柱压力，并随时向孔内补充泥浆。下压预制桩时，宜适时做好泥浆回收，实现其再利用并防止造成环境污染。采用对地层影响小且可降解的奈普顿化学泥浆。8.2泥浆护壁引孔采用长螺旋钻机进行引孔施工，引孔孔径不应大于桩身直径的0.8 倍，引孔深度为刚穿透砂层即可，在钻进过程中因砂层过厚需提前准备好足够量的泥浆，并在钻进过程中不断补充泥浆，泥浆泵压力控制在0.6 1.0 MPa，保持钻进液面，确保地层压力平衡。钻杆进入厚砂层后需慢速钻进，钻头转速不大于10 r/min，钻进过程中需经常检查钻杆垂直度，防止出现斜孔。提钻速度须与注浆速度相匹配，避免提空产生负压造成孔壁塌。压浆至高于砂层上顶面1.0 m后停止注浆，将钻杆全部提出，移走钻机，检查孔深、钻孔垂直度等参数，合格后进行下一步施工（图2）。图2长螺旋引孔及静压桩8.3清孔成孔穿透砂层后，利用长螺旋钻叶进行清孔，清孔的目的是将孔内的颗粒状物排出孔外，减少孔底沉渣，节省二次清孔时间。本次清孔一般不需调整泥浆密度，因为如果将泥浆密度过早调低，在下压预制桩过程中泥浆里的颗粒会很快沉淀，影响到二次清孔的效果，一般泥浆密度保持在1.2 5 以下，在测得孔底沉渣厚度小于10 0 mm时，及时抓紧时间下压预制桩。经预制桩桩身静荷载承载力试验，抽检预制桩承载力最大加载量为39 0 0 kN，最终沉降量为14.32 15.8 4mm，而单桩竖向承载力设计值为19 0 0 kN，满足设计要求。9结语本文创新地将传统的灌注桩施工工艺与静压桩施工工艺进行组合，形成了适用性强、组合合理、性能可靠、应用灵活的新工艺，很好地解决了厚砂层地质预制桩施工难以达到设计标高及承载力难以满足设计要求的难题，提高了预制桩施工效率，保证了预制桩施工质量，为厚砂层预制桩施工提供了新方式，是一种较为先进的施工方法，符合节能和经济效益的要求，有广阔的推广应用前景。参考文献1 蒋益平，张尔海，沙丽新，等.基于载荷试验的振沉钢管桩承载力研究 J.结构工程师,2 0 2 2,38(5):9 9-10 6.