建筑地基沖鉆孔灌注樁承載力及施工技術分析

摘 要：本研究基于福州濱海新城CBD核心區(qū)域輸配環(huán)區(qū)域工程地下空間項目，深入探討了高層建筑地基沖鉆孔灌注樁施工技術。結論表明：在灌注樁沖土鉆孔施工過程中需要根據灌注樁的尺寸選擇合適的鉆孔方案；在清孔處理后，需要設置檢測點檢測沉渣厚度；在混凝土灌漿澆筑過程中根據不同的灌注樁尺寸選擇不同的澆筑方式。本文采用有限元軟件對該施工方法進行模擬驗證，數(shù)值結果與實際測試結果十分接近。

關鍵詞：高層建筑；地基；鉆孔；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU 75" " 文獻標志碼：A

在現(xiàn)代城市建設中，高層建筑已經成為城市發(fā)展的重要標志之一[1]。高樓大廈不僅為城市居民提供了更多的居住和辦公空間，同時還塑造了城市的天際線，展示了城市的繁榮與活力。然而，高層建筑的安全和穩(wěn)定性一直是建筑工程領域的核心問題之一[2]。

高層建筑的基礎結構質量對穩(wěn)定性有影響。在高壓力和復雜環(huán)境下，地基工程的施工質量是保障高樓大廈安全的關鍵要素之一[3]。在地基工程領域，沖鉆孔灌注樁已經成為一種常用且有效的地基處理方法，特別是在復雜的地質條件下應用廣泛[4]。沖鉆孔灌注樁施工技術是通過在地下形成深孔，將鋼筋和混凝土灌注到孔內，為地基提供強大的承載能力和穩(wěn)定性的方法[5]。

本研究以福州濱海新城CBD核心區(qū)域輸配環(huán)區(qū)域工程地下空間項目為研究對象，深入探討高層建筑地基沖鉆孔灌注樁施工技術，以全面研究沖鉆孔灌注樁施工技術的性能和應用，進一步保障高層建筑的安全性和可持續(xù)性發(fā)展，同時采用數(shù)值模擬對本研究提出的施工方法進行驗證，為未來高層建筑的安全和可持續(xù)性作出貢獻，同時也能為地基工程領域的進步提供參考。

1 項目概況

本工程為福州濱海新城CBD核心區(qū)域輸配環(huán)區(qū)域工程地下空間項目，其中地下室2層，地鐵區(qū)域地下室4層，融合了商業(yè)、人行通道、公交車場地、城市航站服務中心、出租車換乘區(qū)、汽車庫、交通環(huán)路等功能，上部建筑7棟，其中2棟為超高層建筑，工程施工地點為長樂區(qū)漳港鎮(zhèn)，該工程于2021年4月9日正式開工，樁基及支護部分歷經8個月正式完成。本項目輸配環(huán)區(qū)域內的地下空間一體化開發(fā)、總占地面積約為0.25km2，地下總面積規(guī)模約為52萬m2，總投資約為55億。工程承建范圍以灌注樁基礎為主，占地面積為36882m2，合同造價約為1.16億，其中PHC管樁373根，灌注樁2814根，SMW工法樁438延米，并且建筑持力層為中微風化花崗巖。

2 樁基承載力研究

2.1 基于原位試驗的承載力

為了對本文提出的高層建筑地基沖鉆孔灌注樁施工技術的有效性進行驗證，將該施工技術應用到福州濱海新城CBD核心區(qū)域輸配環(huán)區(qū)域工程地下空間項目中，表1為該高層建筑施工區(qū)域地層分布統(tǒng)計表。

本工程為了檢驗樁基的承載力，對3根樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗。試驗方法是利用堆載平臺上的重物產生反力，對樁基施加靜壓力。在試驗過程中，采用慢速維持荷載法測量樁基的變形和承載力。試驗結果如圖1所示。

根據現(xiàn)場單樁靜載試驗的結果，在13000kN的最大荷載下，1#樁樁頂沉降為16.44mm，沒有出現(xiàn)明顯的破壞跡象，當卸載到最后一級時，樁頂沉降為2.23mm，表明樁身剛度較高，在卸載后，樁頂回彈了7.42mm，殘余沉降為9.02mm，回彈率為45.13％，說明樁身有一定的彈性恢復能力；在13000kN的最大荷載下，2#樁樁頂沉降量為15.77mm，沒有出現(xiàn)明顯的破壞特征。當卸載至零荷載時，樁頂殘余沉降量為8.88mm，回彈量為6.89mm，回彈率為43.69％，最后一級荷載對應的樁頂沉降量為2.04mm，表明樁身剛度較高，承載力較強；根據現(xiàn)場單樁靜載試驗的結果，在13000kN的最大荷載下，3#樁樁頂沉降為27.20mm，沒有出現(xiàn)明顯的破壞跡象。在卸載后，樁頂回彈了12.10mm，回彈率為44.49％，殘余沉降為15.10mm。當進行最后一級荷載時，樁頂沉降為2.92mm，表明樁身剛度較高。

綜上所述，三根樁的極限承載力都達到了13000kN以上，而且單樁靜壓q～s曲線沒有出現(xiàn)明顯的下降點。因此，可以將單樁承載力特征值設為極限承載力的一半，即6500kN。

2.2 基于數(shù)值模擬的承載力

本文使用有限元軟件對樁長為30m、樁徑為0.8m的樁基進行數(shù)值模擬。計算模型的水平尺寸為36m×36m×60m，尺寸是樁長的兩倍。由于鉆探深度不足，因此模型中的土層分為四層，從上到下依次為雜填土（2.0m），黏土①（4.1m）、黏土②（9.9m），粉質黏土（1.8m），全風化泥質砂巖（7.9m）和中風化泥質砂巖（33.7m）。樁體網格尺寸和土體的網格尺寸分別為1m和1.5m，這樣可以保證計算精度和效率。樁體的網格數(shù)為350個，土體的網格數(shù)為23910個，都采用C3D8六面體單元。用壓強的方式施加樁頂荷載，共分9步，第一步為2600kN，后面每步增加1300kN，最終達到13000kN。數(shù)值模擬得到的結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，3#樁的荷載-沉降曲線與有限元模擬樁的曲線非常接近，都呈現(xiàn)出線性關系。本工程試樁的極限承載力是13000kN，這個數(shù)值也是有限元數(shù)值模擬的結果。這表明本工程試樁的極限承載力不低于13000kN，當最大荷載為13000kN時，3#樁和有限元模擬樁的沉降量分別是27.2mm和31.14mm，誤差在14.5％以內，說明采用本文提出的施工技術可以基于現(xiàn)場靜載試驗進行數(shù)值模擬，估算預期的承載力。

3 高層建筑地基沖鉆孔灌注樁施工技術設計

3.1 灌注樁施工要點分析

將灌注樁作為高層建筑地基的關鍵組成部分，其施工質量直接關系到建筑物的安全和穩(wěn)定性。在施工前需要完成地質勘測，了解地下地質條件，包括土壤類型、地下水位等信息，可以選擇合適的灌注樁類型和長度，以滿足工程要求。樁型選擇和設計同樣重要，不同類型的灌注樁（例如灌注樁、預應力灌注樁等）適用于不同的工程需求，須根據工程荷載和地質條件選擇樁型，并設計適當?shù)幕炷僚浜媳龋ＷC樁的承載能力和耐久性。施工質量控制是另一個不可忽視的關鍵要點，在灌注樁的澆筑過程中，需要監(jiān)測混凝土的均勻性和澆筑質量，以防止發(fā)生空洞、裂縫等問題[6]。此外，灌注樁錨固和連接也必須符合設計要求，保證樁與建筑物之間的有效傳力。同時，需要詳細記錄質量控制和施工過程，包括孔洞鉆制、混凝土灌注、養(yǎng)護等，有助于及時發(fā)現(xiàn)和糾正問題，保證施工的連貫性和質量可追溯性。

3.2 灌注樁護筒結構制作與埋設

灌注樁護筒通常分為直徑為1200mm的普通灌注樁和直徑為2400mm的大直徑灌注樁，需要根據高層建筑后續(xù)施工時的負荷要求選擇橫截面直徑。普通灌注樁可用5.5mm的鋼材制作內徑1350mm，高度1800mm的護筒，這種護筒適用于一般高層建筑的地基。大直徑灌注樁可用8.5mm的鋼材制作內徑2500mm，高度1800mm的護筒，這種護筒適用于更高承載能力的高層建筑地基。

在埋設灌注樁護筒前，需要先進行地質勘測，確定地下條件，確定灌注樁護筒的位置和深度后開挖護筒坑結構。當開挖護筒坑結構時，護筒坑結構的尺寸要大于灌注樁護筒約0.5m，以保證護筒可以穩(wěn)定安裝在護筒坑中，用黏土回填護筒坑，并同時進行夯實處理，夯實度要達到96%，避免后續(xù)使用過程中發(fā)生滲透。

3.3 灌注樁沖土鉆孔施工

沖土鉆孔的質量和準確性直接影響灌注樁的承載能力和穩(wěn)定性。在進行沖土鉆孔施工前，需要先進行地址勘測，以便選擇適當?shù)腻N型、鉆孔速度、鉆孔的位置以及深度。為了維持沖土鉆孔的穩(wěn)定性，必須采取適當?shù)目妆诜€(wěn)定措施，例如鋼套管或泥漿涂覆，這可以防止孔壁塌方和土壤倒灌，保持孔內清潔和干燥。在完成沖土鉆孔后，還需要對孔內進行清理，將殘留物質和泥漿清除，以便為灌注樁的澆筑做好準備。為了使經濟效益最大化，結合福州濱海新城CBD核心區(qū)域輸配環(huán)區(qū)域工程地下空間項目，本文根據不同尺寸的灌注樁和不同類型的地基土層提出不同的鉆孔方案。當對普通灌注樁結構進行鉆孔時，采用2.5t的三星錘，根據不同的土層，將鉆孔速度控制在2.5cm/h～115cm/h，土層越軟鉆孔速度越快。當對大直徑灌注樁進行鉆孔時，采用6t的五星鉆孔錘，根據不同的土層，將鉆孔速度控制在0.5cm/h～65cm/h，土層越軟鉆孔速度越快。

3.4 沖孔灌注樁清孔處理

沖孔灌注樁的清孔處理對保證樁的質量和可靠性具有重要影響。根據住宅建筑地基建設規(guī)范可知，不同的樁底沉渣厚度均有各自的要求，端成型、摩擦型和抗水平力型樁結構對應的最大沉渣厚度分別為45mm、85mm以及185mm。清孔處理是在沖孔施工后，將孔內的雜質、泥漿和其他不良物質徹底清除的過程。這個步驟的施工質量直接影響灌注樁的承載能力和穩(wěn)定性，施工人員需要精心選擇和使用適當?shù)那蹇坠ぞ吆驮O備，以保證孔壁的干凈和光滑。在清孔過程中，應特別關注孔壁的均勻性，避免后續(xù)灌注過程中出現(xiàn)不均勻承載。

清孔處理還包括對孔內的涂漿操作。在清孔后，施工人員需要在孔內涂覆一層均勻的混凝土漿液，以填充孔隙并提供更好的承載性能。需要根據具體的工程要求和設計規(guī)范精確控制涂漿的質量和漿液的成分。同時，清孔處理也需要注意清理孔口周圍的工作區(qū)域，保證沒有雜物和障礙物干擾施工。這包括清除孔口周圍的土壤和殘留物，并保障施工現(xiàn)場的安全性和保證整潔度。

圖3為普通直徑樁結構的沉渣檢測點布置情況，通過13個檢測點能夠對整個樁結構進行沉渣厚度檢測，當?shù)鼗┕げ捎么笾睆焦嘧督Y構時，可以根據實際情況增加檢測點或按比例調整普通直徑樁結構檢測點的位置。

3.5 鋼筋籠結構安裝及混凝土灌漿澆筑

鋼筋籠結構安裝包括布置和固定鋼筋。工程師和工人必須保證鋼筋籠的尺寸、形狀和位置與設計要求一致。同時，焊接和連接鋼筋籠需要符合相關標準，普通灌注樁大直徑灌注樁的鋼筋籠所需要的吊點數(shù)量分別為2和4，以保證結構的牢固和穩(wěn)定。

混凝土灌漿澆筑是將樁孔充實并加固的關鍵步驟。在這個過程中，混凝土必須以連續(xù)、穩(wěn)定的澆筑速度灌注到樁孔中。施工人員需要密切監(jiān)測混凝土漿液的澆筑壓力和速度，以防止空洞和漿液分離。此外，在混凝土澆筑過程中，應注意避免氣泡和污染物進入，以保證混凝土的均勻性和質量。在普通灌注樁的灌注過程中，采用3.5m3料斗和1根直徑125mm的導管進行灌漿，當對大直徑灌注樁進行灌注時，可增加1根直徑125mm的導管同時灌注。

4 結論

本文結合福州濱海新城CBD核心區(qū)域輸配環(huán)區(qū)域工程地下空間項目，對高層建筑地基沖鉆孔灌注樁施工技術及承載力的數(shù)值計算方法進行研究并得出以下結論。1）當進行護筒坑結構開挖時，護筒坑結構的尺寸需要大于灌注樁護筒約0.5m，安裝完灌注樁后用黏土回填護筒坑，并同時進行夯實處理，夯實度需達到96%以上，避免后續(xù)使用過程中發(fā)生滲透。2）在清孔處理后，需要布置檢測點檢測沉渣厚度，普通直徑樁布置13個沉渣檢測點，大直徑灌注樁須根據需求布置更多的檢測點。3）利用鉆芯法和超聲波透射法對灌注樁進行檢測，發(fā)現(xiàn)均符合施工要求。

參考文獻

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[3]賈欣媛，岳大昌，李明，等.易塌孔地層長護筒+沖抓+旋挖鉆孔灌注樁施工工法[J].四川建筑，2021，41（1）：3.

[4]孫濤，李永康，劉亞臣.存在厚填石地層時沖、旋結合泥漿護壁鉆孔灌注樁工藝應用研究[J].進展：科學視界，2022（10）：86-88.

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[6]張建立.全套管全回轉鉆機鉆孔灌注樁施工技術探討[J].中文科技期刊數(shù)據庫（全文版）工程技術，2022（11）：4.