潜孔锤引孔灌土静压管桩法基础应用分析

Analysis of Application of Subject Boring Hammer Pilot Hole Cast-in-Place Pressure Pipe Pile Foundation

摘要

场地存在孤石以及硬夹层的地层，当采用管桩基础时，难以施工。本研究开发出潜孔锤引孔灌土静压管桩法，通过与灌注桩基础从成本、工期、环保、安全方面进行对比，发现潜孔锤引孔灌土静压管桩法具有节约成本、缩短工期、环保安全的优势。对该方法施工的管桩，进行单桩竖向抗压静载荷试验，结果表明，潜孔锤引孔灌土静压管桩法基础的单桩竖向抗压承载力特征值能满足设计要求。潜孔锤引孔灌土静压管桩法适用于场地存在孤石或硬夹层的地层条件及基岩较浅的软土地基。

Abstract

The presence of boulders and hard interbedded layers at the site poses significant challenges for pile foundation construction. This study proposes a new technique termed the “down-the-hole hammer pilot hole and pressure-grouted concrete pile method”. Compared to conventional concrete pile foundations， the proposed method demonstrates significant advantages in terms of cost， construction time， environmental protection， and safety. Vertical bearing capacity tests were conducted on single piles constructed using this technique. The results indicate that the characteristic vertical bearing capacity of the piles satisfies the design requirements. Furthermore， the findings confirm that the proposed method is well-suited for site conditions involving boulders， hard interbedded layers， and shallow bedrock.

Graphical abstract

0 引 言

PHC 管桩具有桩身强度高、施工速度快和施工简便等优点，被广泛应用于高层建筑的桩基工程。但是对于难以穿越的孤石或者硬岩夹层等地质情况，PHC管桩难以沉桩^［1］。当场地存在较多孤石、障碍物及硬夹层的地层，松软土层下直接为中风化、微风化岩层时，预应力混凝土管桩基础不宜采用或慎用。存在较多孤石的场地以及“上软下硬，软硬突变”的地层可采用引孔方法穿过^［2-3］。珠海部分靠山边项目场地存在孤石或硬夹层的地层，属于基岩较浅的软土地基，当采用管桩基础时，需要引孔后沉桩。

国内学者针对引孔后打桩进行了广泛的研究与实践。陈超鹏等^［4］针对佛山区域两种典型的不同地质条件下采取先引孔后压桩技术的施工效果差异进行了对比分析，提出引孔压桩法的适应条件，为类似工程提供借鉴。宋辉等^［5］依据惠州地区中海壳牌南海石化项目，对于在复杂地质条件下采用潜孔锤成孔后静压沉桩进行了分析。刘炳等^［6］针对湖南玄武岩地质条件，采用大直径风动潜孔锤引孔技术，实现了预应力管桩在中风化玄武岩地区的成功应用，分析总结了施工过程中的施工要点和参数设置，并对工程中的质量问题提出了具体的处理办法。郭佰良^［7］针对广州花岗岩风化壳地区，结合工程实例，对比几种旋挖机岩石成孔方法，分析出各种成孔方式的优势，为此类区域桩基施工提供了参考。金青^［8］结合唯品会湖南项目，对PHC管桩在桩端为斜层全风化板岩时进行引孔的施工技术进行了总结，为其他类似工程提供借鉴。瞿婷^［9］以连城县城关中心小学工程为例，采用静压施工法和引孔植桩施工方法，解决了有效桩长不足、垂直度难以控制等问题。程巨涛^［10］结合工程实例，采用气动潜孔锤引孔技术来解决孤石问题，并阐述了气动潜孔锤引孔静压管桩施工工艺。龚婷婷^［11］对实际工程中因引孔产生的的吊脚问题和严重的桩身质量问题产生的原因进行了综合分析。王雄旭^［12］在汕头某项目桩基施工中采用液压潜孔锤与旋挖钻机组合施工技术，有效解决了现有旋挖钻在多层花岗岩坚硬岩层功效低的难题，为类似地层的桩基施工提供了经验参考。以往通用引孔做法是钻机成孔后孔内灌注水泥砂浆或细石混凝土，然后再植入管桩，引孔灌浆植桩工法湿作业质量难以控制，易造成污染，工期长且成本高。林惠庭等^［13］对珠海某项目桩基施工采用潜孔锤引孔灌土打入管桩工法，并对潜孔锤引孔灌土打入管桩法的抗压承载力性能进行了试验研究，结果表明潜孔锤引孔灌土打入管桩法单桩竖向抗压承载力特征值能满足设计要求。本文依托珠海某项目，对采用潜孔锤引孔灌土静压管桩法基础在珠海靠山边项目含硬岩层地质条件及基岩较浅的软土地基中的应用进行分析和讨论。

1 工程概况

1.1　工程简介

珠海斗门某项目总建筑面积为18 372.7 m²，共2栋单体。其中研发楼地上8层，结构高度为38.80 m。设计地震分组第一组，抗震设防烈度7度（0.1g），Ⅱ类场地。框架结构体系，采用PHC500-AB-100管桩基础，桩端持力层为强风化花岗岩，单桩竖向抗压承载力特征值R_a取1 900 kN。静压沉桩，终压值为5 000 kN，有效桩长不小于8 m。

1.2　工程地质

根据本项目岩土勘察报告，场地内各土层由上至下分述如下，典型土层参数详见表1。

（1） 人工填土层（Q₄^ml）

① 素填土：以黏性土混砂为主，局部含少量的碎（块）石，基本完成自重固结，场地内普遍分布。

（2）海陆交互相沉积层（Q₄^mc）

②-1淤泥：饱和，流塑状，以黏粒为主，含有机质和少量的中细砂。场地内普遍分布。

②-2 粗砂：饱和，稍密，以石英粗砂为主。场地内局部分布。

（3）残积土层（Q₄^el）

③ 砾质黏性土：硬塑状，以花岗岩长石风化形成的次生黏土矿物为主。场地内局部分布。

（4）花岗岩层（γ₅^2（3））

④-1全风化花岗岩：原岩矿物成分已遭完全破坏。岩体极破碎，属极软岩。N'=42.9击。全场地内广泛分布。

④-2强风化花岗岩：显著风化，节理裂隙极发育，岩体极破碎，属极软岩。N'=55.3击。全场地内普遍分布。

④-3中风化花岗岩：矿物略有风化，块状构造，岩体较破碎，属较硬岩。饱和单轴抗压强度值f_rk=25.80 MPa。全场地均有分布。场地典型工程地质剖面图如图1所示。

1.3　沉桩过程的不利因素分析

根据岩土工程勘察报告，该项目场地地质情况复杂，场地地基土均匀性较差，岩面埋深起伏较大。对桩基础产生不利影响的主要因素如下：

（1） 持力层地势起伏较大，持力层基岩不平以及含硬夹层，容易造成PHC管桩断桩。

（2） 场地为基岩较浅的软土地基，持力层基岩较浅，且持力层岩面起伏较大。部分区域PHC管桩有效桩长不足6 m，甚至局部区域有效桩长不足3 m，影响桩的竖向抗压承载力。部分区域PHC预应力管桩可以正常施工，有效桩长为9~14 m。正常静压沉桩的桩数量约为总桩数的30%。

（3） 场地中存在较多的孤石，且无规律分布。PHC管桩无法直接穿透孤石，遇孤石易断桩，管桩无法顺利进入持力层，必须采取引孔措施。

2 桩基方案分析比选

2.1　桩基方案分析

场地为基岩较浅的软土地基。本文对静压PHC预应力管桩基础、旋挖灌注桩基础以及潜孔锤引孔灌土静压管桩法基础进行分析比较。

（1） 静压PHC预应力管桩基础

静压PHC预应力管桩基础具有施工便捷、效率高、工期短、质量可靠、检验方便等优点，是本项目的首选桩基方案。当场地存在孤石、硬夹层时静压PHC预应力管桩无法穿过，基岩较浅的软土地基中出现有效桩长不足等影响承载力发挥的不利因素。本项目无法正常静压沉桩的桩数量约为总桩数的70%，需采取引孔等措施。潜孔锤引孔灌土静压管桩法基础采用潜孔锤引孔至持力层，孔内回灌砾质黏性土后静压沉桩，文献［2］中成功解决了基岩较浅的软土地基中管桩沉桩问题。静压沉桩可以直观地控制终压值，施工质量可靠，工期短，与灌注桩相比综合经济性优势明显。不能采用正常静压沉桩工法的PHC管桩，笔者建议按此工法施工。

（2） 灌注桩基础

灌注桩基础能适应各种地质情况。缺点是造价高，工期长，易造成环境污染，且水下作业施工质量难以保证，桩底沉渣清孔质量较难控制。本项目场地存在孤石，持力层中风化花岗岩较硬，若采用灌注桩基础建议选用冲孔成孔。

2.2　桩基方案比选

结合本项目场地地质情况，综合考虑工程质量，施工工期，项目成本和项目的环保性，提出了2种桩基方案，综合比选情况见表2。

（1） 方案（一）：采用静压沉桩与潜孔锤引孔灌土静压沉桩相结合的PHC预应力管桩基础

采用PHC500-AB-100预应力管桩，单桩竖向抗压承载力特征值R_a取1 900 kN。以强风化花岗岩为桩端持力，静压沉桩，终压力值为5 000 kN，有效桩长不小于8m。广东省标准《静压预制混凝土桩基础技术规程》（DBJ/T 15-94—2013）条文说明第1.5条提及静压桩一般只能压到N'=50 的强风化岩层表面，本项目桩的入岩深度难以满足3d的要求，需采取引孔措施，入岩3d加桩尖的高度即1.65 m。潜孔锤引孔灌土静压管桩工法，施工PHC500-AB-100管桩，其中引孔的孔径取值很关键，如果引孔的孔径过小，静压管桩难以达到入持力层1.65 m，如果引孔的孔径过大，静压管桩桩侧摩阻力会下降。最终选择引孔的孔径比管桩略大，采用D550，既能使桩能有效进入持力层，又能保证孔内挤压密实。潜孔锤引孔后清孔，在孔内回灌砾质黏性土，充盈后静压沉桩。引孔深度应同时满足入岩深度不少于1.65 m和有效桩长不少于8 m。引孔示意图见图2。本项目共167根管桩，初步统计正常静压沉桩48根，潜孔锤引孔灌土静压管桩法沉桩119根。因场地受限，沉桩设备以及潜孔锤引孔设备各一台，预估每天正常沉桩12根，潜孔锤预估每天成孔6根，桩完成时间约30 d，桩施工完毕7 d可检测，从桩开始施工到承台开挖总工期约40 d。因本项目远离居民区，周边建筑少，采用潜孔锤引孔比较合适，同时采取合理安排引孔作业时间，安装扬尘喷淋设施等措施，减少潜孔锤引孔时产生的噪声以及灰尘的影响。

（2） 方案（二）：冲孔灌注桩基础

采用泥浆护壁成孔工艺冲孔灌注桩基础，持力层为中风化花岗岩，分别采用D800、D1000、D1200三种直径灌注桩，有效桩长不少于8 m。其中D800桩10根、D1000桩20根、D1200桩16根，总共46根灌注桩。因场地受限，冲孔设备一台，预估每天成桩1根，桩完成时间约50 d，养护28 d后方可检测，从桩开始施工到承台开挖总工期约80 d。

由表2可知，方案（一）较方案（二）综合造价节约30%，工期缩短40 d。方案（一）较方案（二）综合优势明显，故本项目采用方案（一）。

3 静压沉桩出现的问题以及对策

3.1　超前钻探

因地质条件复杂，地质勘探孔的布置无法真实反应每个承台的实际地质情况。为保证静压PHC管桩的顺利施工，经与建设单位协商，在发现孤石区域以及持力层地势起伏较大区域，对管桩所在的承台进行超前钻探，以更清楚地了解孤石的埋藏深度及厚度，直观地揭露每个承台下岩土层性质，为静压PHC管桩的施工以及引孔施工提供依据。

3.2　施工过程中出现的问题以及对策

潜孔锤引孔后静压沉桩，多数桩可正常沉桩，部分桩沉桩时有异常情况，出现吊脚以及断桩现象。本项目桩基施工过程出现的异常情况以及处理方法如下：

（1） 潜孔锤成孔时钻进困难。潜孔锤钻进效率主要由风量、风压以及转速控制。现场配置3台大功率高压空气压缩机，根据现场实际情况调整空压机的功率来调节风量的大小，进而调节潜孔锤钻进速度以及岩屑上返排出速度。

（2） 引孔后无法沉桩。其一是出现塌孔现象，场地有粗砂层，易塌孔。其次是桩底岩屑未排出干净，导致桩底沉渣厚度过大。上述情况均采取重复引孔、多次清孔后沉桩。合理安排工序，按照单个承台引孔完成后应立即沉桩，减少引孔与沉桩间时间差。待该承台沉桩完成后再施工下一个承台。

（3） 断桩现象：正常静压沉桩区域以及潜孔锤引孔后静压沉桩区域均有断桩情况出现。采取以下调整措施：一是静压桩的终压值由5 000 kN调整为4 800 kN；二是加大管桩壁厚，将PHC500-AB-100管桩调整为PHC500-AB-125管桩。沉桩过程中控制引孔的垂直度以及沉桩速度不易过快。调整后仅个别桩出现断桩情况。断桩后进行补桩处理。

（4） 个别桩吊脚现象：通过数据比对发现个别桩引孔深度与桩入土深度差别较大形成吊脚桩，差值超过1 m。针对此情况进行补桩处理。

4 静载试验结果分析

本项目共有167根管桩，其中正常静压沉桩48根，潜孔锤引孔灌土静压管桩法沉桩119根。本项目正常静压沉桩区域选取112#桩、134#桩共2根桩按照规范进行静载荷试验，潜孔锤引孔灌土静压管桩法沉桩的桩选取31#桩、63#桩、42#桩、96#桩共4根桩按照规范进行静载荷试验。对不同沉桩方法的桩的静载试验进行对比。设计单桩竖向抗压承载力特征值均相同，R_a=1 900 kN，最大试验荷载为3 800 kN。静载荷试验结果统计见表3。

试验结果表明：

（1） PHC桩的Q-s曲线平缓，为缓变型，当加载到最大试验荷载3 800 kN时桩顶沉降量满足要求。单桩竖向极限抗压承载力≥3 800 kN。

（2） 图3为潜孔锤引孔灌土静压管桩法Q-s曲线，图4为正常静压沉桩区域桩Q-s曲线，两者的桩Q-s曲线表现规律基本一致，表明两个区域桩承载受力性能一致。

5 结 论

（1） 按潜孔锤引孔灌土静压管桩工法施工的PHC500管桩的单桩竖向抗压承载力特征值R_a能达到正常静压沉桩法管桩的单桩竖向抗压承载力特征值R_a=1 900 kN的设计要求，两者桩承载受力性能一致。

（2） 潜孔锤引孔灌土静压管桩法适用于场地存在孤石或硬夹层的地层条件及基岩较浅的软土地基。该工法施工质量可靠，工期短，与灌注桩相比综合经济性优势明显。

参考文献

[1] 蔡杉.浅析某项目大直径潜孔锤引孔锤击PHC 管桩施工技术［J］.福建建材，2018（7）：46-47.

[2] CAI Shan.Analysis of construction technology for large diameter downhole hammer driving PHC pipe piles in a certain project［J］.Fujian Building Materials，2018 （7）：46-47.（in Chinese）

[3] 何余钧，林惠庭，何建亮，含硬岩层的潜孔锤引孔灌土静压管桩法基础设计研究［J］.广东土木与建筑，2023，30（10）：51-55.

[4] HE Yujun，LIN Huiting，HE Jianliang，et al.Research on the foundation design of the drill hammer pilot hole method with hard rock stratum［J］.Guangdong Civil Engineering and Architecture，2023，30（10）：51-55.（in Chinese）

[5] 何余钧，林惠庭，何建亮，桩长6 m~8 m的PHC短桩基础设计探讨［J］.广州建筑，2024，52（1）：68-72，82.

[6] HE Yujun，LIN Huiting，HE Jianliang，et al.Discussion on design of PHC short pile foundation with pile length of 6~8 m［J］.Guangzhou Architecture，2024，52（1）：68-72，82.（in Chinese）

[7] 陈超鹏，林鸿致.不同地质条件下管桩引孔施工技术［J］.建筑安全，2017（8）：46-48.

[8] CHEN Chaopeng，LIN Hongzhi.Construction techniques for pipe pile boring under different geological conditions［J］.Building Safety，2017（8）：46-48.（in Chinese）

[9] 宋辉，曹爱丽.预应力高强砼管桩在复杂地质条件下的应用［J］.山东电力高等专科学校学报，2007（2）：51-53，50.

[10] SONG Hui，CAO Aili.Construction of precast prestressed high strength concrete cylinder piles under complex geological condition［J］.Journal of Shandong Electric Power College，2007（2）：51-53，50.（in Chinese）

[11] 刘炳，安会丽，张俊国，预应力混凝土管桩在玄武岩地质条件下的施工应用与研究［J］.地基基础，2018，40（3）：329-331.

[12] LIU Bing，AN Huili，ZHANG Junguo，et al.Application and research on prestressed concrete pipe pile construction under geological condition of basalt［J］.Foundation，2018，40（3）：329-331.（in Chinese）

[13] 郭佰良.旋挖钻机在广州花岗岩孤石地区几种岩石成孔方法的分析比较［J］.广东土木与建筑，2021（4）：89-91.

[14] GUO Bailiang.Analysis and comparison of several rock forming methods of rotary drilling rig in Guangzhou granite boulder area［J］.Guangdong Civil Engineering and Architecture，2021（4）：89-91.（in Chinese）

[15] 金青.桩端为斜层全风化板岩PHC管桩引孔施工技术研究［J］.江西建材，2020（4）：156-157.

[16] JIN Qing.Pile end is the construction technology of phc pipe pile drainage for the sloped full-weathered slab［J］.Jiangxi Building Materials，2020（4）：156-157.（in Chinese）

[17] 瞿婷.复杂地质条件下预制管桩施工技术的应用［J］.福建建材，2020（4）：84-86.

[18] QU Ting.The application of prefabricated pipe pile construction technology under complex geological conditions［J］.Fujian Building Materials，2020（4）：84-86.（in Chinese）

[19] 程巨涛.浅析孤石地质静压PHC 管桩施工技术［J］.福建建材，2020（9）：58-59.

[20] CHENG Jutao.Analysis of construction technology for hydrostatic pressure PHC pile in solitary rock geology［J］.Fujian Building Materials，2020（9）：58-59.（in Chinese）

[21] 龚婷婷.预应力管桩引孔施工造成的质量问题探析［J］.安徽建筑，2022（9）：101-102.

[22] GONG Tingting.Analysis of quality problems caused by the construction of prestressed pipe pile leading holes［J］.Anhui Architecture，2022（9）：101-102.（in Chinese）

[23] 王雄旭.硬岩孤石地质条件下液压潜孔锤旋挖钻机组合施工技术研究——以汕头大学学生宿舍二期建设项目为例［J］.工程技术研究，2022，7（19）：34-36.

[24] WANG Xiongxu.Research on combined construetion technology of the hydraulie DTH hammer and rotary drilling rig under hard rock boulder geological conditions-Taking the second phase construction project of the student dormitory of Shantou University as an example［J］.Engineering Technology Research，2022，7（19）：34-36.（in Chinese）

[25] 林惠庭，周文超，唐健彬，潜孔锤引孔灌土打入管桩法抗压承载力性能试验［J］.建筑科学，2024，40（3）：93-99.

[26] LIN Huiting，ZHOU Wenchao，TANG Jianbin，et al.Test on compressive bearing capacity performance of pipe pile with drill hammer［J］.Architecture Science，2024，40（3）：93-99.（in Chinese）