扩孔取砂工艺助预应力混凝土管桩穿越密实砂层

扩孔取砂工艺助预应力混凝土管桩穿越密实砂层

张石军

张石军（北京四达贝克斯工程监理有限公司石家庄分公司）

摘要：预应力管桩沉桩过程中遇到较硬夹层施工很困难，本文结合工程实际经验，介绍一种采用扩孔钻头取砂并用钠基膨润土浆护壁的方式破坏较硬夹层的方法。

关键词：扩孔钻头扩孔取砂钠基膨润土冲击成孔

0引言

国内某核电站新建武警营房，建筑面积4313.5平方米，建筑物总高度15米，框架结构，柱网间距9.9×7.8米。所处区域为海域回填区，1999年采用对海淤泥进行排水固结、回填抛石层进行强夯。因回填抛石地基承载力有限，而且很难保证地基的均匀性。为克服原地基处理方式存在的缺陷，结合当地预制桩使用经验和冲孔灌注桩经验，为降低工程造价，缩短建设工期，基础采用了预应力混凝土管桩基础，桩型PHC-500(AB)120-C80,桩长44m，桩顶标高-1.5m，单桩设计承载力特征值1100kN,设计共128根。

1地质、地下水情况

1.1场地地质情况如下

1.2地下水情况本工程场区内地下水主要为第四纪孔隙水，赋存于⑥-1粉细砂层中，水位受潮汐影响，变幅小于海水。稳定地下水位埋深在地面下7.5～8.0m之间，具有弱承压性。

2采用的施工工艺

本工程管桩设计为摩擦桩，其桩端全新面进入持力层不小于1m。根据招标文件要求，首先使用冲孔钻机将①层打穿后分层回填土、石，然后进行沉桩，工程试桩时先后采用静压和锤击两种方式进行沉桩，在桩端到达⑥-1层试均出现桩无法压入或桩顶破坏的情况。因此，如何穿越⑥-1层中密～密实状态的粉细砂层是本工程采用预应力管桩能否成功的关键。

2.1采用扩孔钻头取砂并用钠基膨润土浆护壁，破坏⑥-1层粉砂层在勘察钻机的基础上，经过多次试验、改进，研究出采用扩孔钻头（见下图）取砂破坏密实砂层，使管桩能够穿越⑥-1层的施工工艺。

2.1.1扩孔钻头介绍如上图所示扩孔钻头为满足本工程需要而研究制造的，钻头自重约70kg,收紧状态时宽度为220mm，打开时达到450mm。具体原理为：钻头分为上下两部分，主杆为可伸缩内套滑杆，两翼分别由2根杆件通过螺栓相互连接并与主杆连接；钻头在受拉时为收紧状态，在受压时则为打开状态。钻头底部为“V”型，与翼沿外侧均焊有合金材料的牙口，提高了钻头的耐磨性和刚度。钻头杆件为中空，设有泥浆孔，钻进时钠基膨润土浆从泥浆孔喷出，利用钠基膨润土体积膨胀的作用达到护壁的作用。

2.1.2具体施工方法①桩尖采用C型开口桩尖，桩端用砂袋封堵结实（曾试验采用素混凝土封堵的桩尖，但制作周期长，钻头钻进混凝土层较困难，后放弃。）静压27m桩至地面以下10cm，使桩端位于⑥-1粉细砂上1米左右。这样可以避免桩机走动时对桩的影响；沉桩中断时桩端位于淤质粉质粘土层未达到持力层，可以减少以后压桩的难度，也可以避免桩端在较难穿透的土层时接桩。②静压桩机撤离桩位，勘察钻机就位，首先使用直径220的岩芯管将管桩孔内的石子、粘土取出，取土深度达到桩端一下1m左右（使扩孔钻头能够达到桩端以下，避免扩孔钻头在管桩内打开而造成管桩破坏）。③同时在距桩位2m外不影响其他桩施工的位置挖一泥浆池，泥浆池应做到封闭、不漏浆。泥浆池内调制钠基膨润土浆，泥浆密度为1.3～1.5之间。泥浆池内架设泥浆泵与钻杆相通，并在泥浆池与桩位间开挖泥浆沟，使钠基膨润土浆在泥浆池与桩之间形成环路。④将岩芯管更换为扩孔钻头，由管桩孔内下放到桩端以下，此时钻头为悬空状态，依靠自重成收紧状态，到达土层后钻机转动并施加压力，钻头在钻洞中逐渐打开，同时泥浆从钻头的泥浆孔喷出随着钻头转动形成泥浆护壁。⑤泥浆池内拌好的钠基膨润土浆通过泥浆泵加压由钻杆进入钻头后喷出。在钻头钻进过程中，浆将砂及其他少量的砂层夹杂物由管桩孔返出，通过泥浆沟流回泥浆池。砂在泥浆沟内沉积，泥浆沟内做到不间断的清理。⑥根据钻头钻进深度对比勘察报告，并观察管桩孔返浆中细砂的含量可以判定是否已经穿透⑥-1粉细砂层。在确定穿透砂层后，钻机移位至下一根桩，静压桩机就位压桩17m至设计深度。

2.2其他工艺在工程初期曾试验采用冲孔钻机冲透⑥-1层的工艺。即采用冲孔灌注桩施工中的冲击成孔工艺在打穿①层抛填石后继续冲孔直至穿透⑥-1层，然后分层回填土、石，进而进行预制桩施工。

3两种工艺的比较

3.1两种工艺实施情况第1种工艺施工106根，施工前期出现了同一承台桩在扩孔取砂后串孔的现象，这样就减小了桩的摩擦力并且给后续压桩带来一定难度。后经调整扩孔取砂顺序，使2根临近的桩不同时扩孔取砂，在后面的施工中未出现此问题。

采用第2种工艺共施工22根桩，其中20根沉桩到设计深度，2根桩由于⑥-1粉细砂层出现塌孔压桩未能一次到位。此2根桩经扩孔取砂处理后压到设计深度。

目前本工程已经结束，采用以上2种工艺施工的桩经静载荷试验和全部低应变检测均达到设计要求。

3.2单根桩穿越粉细砂层工序投资及工期比较

综合考虑工程造价和工期因素，本工程在扩孔取砂试验成功后，主要采用扩孔取砂工艺穿越⑥-1粉细砂层。

4总结语

预应力管桩因其疲劳强度高、承载力高、经济、施工速度快等优点在一般建筑工程中广泛应用，但在此核电站因地质情况复杂一直未能采用。扩孔取砂工艺作为一种新工艺在本工程的使用成功，破解了该核电站不能使用预应力管桩的难题，也为解决预应力管桩沉桩过程中遇到较硬夹层问题找到了一个很好的解决方法。

该工艺的成功经验在此核电站及国内类似场地上具有较好的推广应用价值。

参考文件：

[1]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）黄强.刘金砺等.

[2]《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）陈凡.徐天平等.

[3]《先张法预应力管桩》（苏G03-2002）李世歌等.江苏省工程建设标准设计站.