中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司上海市200000
摘要：目前，桥梁工程桩基础大部分采用的还是钻孔桩基础，施工时间较长、施工时噪音较大，且有大量泥浆产生，面对越来越大的环保压力，钻孔桩工艺种种弊端在城市高架桥梁中表现越来越明显，引进桩基施工新工艺，规避或减弱钻孔桩工艺的不足之处，对于城市高架桥梁来说，显得尤为重要。上海S26公路入城段工程中高架桥梁第一次采用静钻根植桩技术，相比传统的钻孔桩施工工艺，加快了桩基施工速度，降低了施工噪音，减少了泥浆排放，单桩承载力大大提高，从质量、环保、进度方面都有明显提升，值得推广应用。本文通过S26R-6标桥梁静钻根植桩施工实例，对静钻根植桩施工技术作一个分析。
关键词：静钻根植桩；钻孔桩；高架桥梁
1、工程概况
S26公路入城段（G15～嘉闵高架路）工程西起G15公路立交、东至嘉闵高架立交，桩号范围K9+651.545～K16+731.937，全长约7.08km，途经青浦华新镇、徐泾镇和闵行区华漕镇，共分7个标，本标段为6标。
S26R-6标主线高架全长0.97km，全部为门式墩结构，桩基础为钻孔桩和静钻根植桩2种。其中113-129号墩（不含122号墩）采用静钻根植桩，共计32个墩台，每个墩台8根桩，共计256根。
2、静钻根植桩施工技术
2.1静钻根植桩技术概述
静钻根植桩技术是一种高度预制化和机械化的施工工艺，之前普遍用于浙江以及上海的房建工程地基加固桩，本次是上海市第一次将该技术引用于高架桥梁基础结构施工中。
静钻根植桩工法是采用单轴钻机，按照设计标高进行钻孔，孔底按照设计直径及高度进行扩孔，扩孔后，注入桩端水泥浆和桩周水泥浆，边注浆边提钻，注浆完成后依靠桩身自重将桩植入设计标高，通过桩端及桩周水泥浆固化，使桩与固化土体形成一体。
静钻根植工法集钻孔、注浆、深层搅拌、扩孔、高强度预制桩技术于一身的新型桩基础施工方法，其泥浆排放量少且属于非挤土桩，对周边环境影响小，通过桩与周边水泥土的咬合，提高桩身侧阻力，通过下端扩头，改善桩端阻力特性，大幅度提高桩的承载能力。
图2管材堆放
本工程静钻根植桩设计桩长50-52m，钻孔直径900mm，桩基自上而下配置：
复合配筋桩：PRHC800（110）Ⅱ-L1C80
混凝土管桩：PHC800（110）AB-L2C80
竹节桩：PHDC800-600（110）AB-800/600-L3C80
竹节桩：PHDC800-600（110）AB-800/600-L4C80
其中L1不小于10m，L3=L4=15m，L2随L1调整，以保证接桩面相互错开。
2.2静钻根植桩承载力计算
桩身承载力计算（以50m桩长为例）：
表一桩基土层参数表（根据本项目地质勘探报告提供）
2.2.1单桩承载力计算
Rd=Rsk∕γs+Rpk∕γp=∑uiqsikli∕γs+qpkAb∕γp
式中：
Rd——单桩承载力，KN；
Rsk——桩侧总极限摩阻力标准值；
Rpk——极限端阻力标准值，按预制桩的极限端阻力标准值的二分之一取值；
ui——桩身截面周长
li——桩穿越第i层土的厚度
qpk——桩侧第i层土的极限摩阻力标准值；
Ab——扩底横截面面积
Γs——桩侧摩阻力的分项系数，取值1.4
Γp——桩端阻力的分项系数，取值4.15
Rd=3.14×0.8×（15×4+10×6+25×3+45×7+50×5+65×10+80×10+115×5）∕1.4+0.5×6000×3.14×0.722∕4.15=6995.92∕1.4+4883.33∕4.15=4997.1+1176.7=6173.8KN
本项目设计要求静钻根植桩单桩承载力达到5810KN。
2.2.2桩端扩底尺寸计算
Dz——钻孔直径
扩底高度Lb≥3Dz=3*0.9=2.7mm
扩底宽度Db≤1.6Dz=1.6*0.9=1.44m
2.3静钻根植桩施工工艺流程
静钻根植桩施工的具体流程如下：1）钻机定位，钻头钻进①→2）钻头钻进，对孔体进行修整及护壁②→3）钻孔至持力层后，打开扩大翼进行扩孔③④→4）注入桩端固化水泥浆并进行搅拌⑤→5）收拢扩大翼边提升钻杆，同时注入桩身固化水泥浆⑥→6）将桩沉入设计标高⑦⑧。
图3静钻根植桩桩端扩底成孔示意图
2.3.1钻机、修孔、扩底定位
钻孔过程中，边钻孔边对孔体进行修整及护壁。钻孔速度控制在粘土层2～6m/min。中密砂1～5m/min，密砂，砂砾层0.2～5m/min。
扩底操作依靠能够进行扩大和收拢的钻头完成，对扩头部位必须进行有效的监控和数据的存储。
图4可视性扩底操作
2.3.2注入水泥浆
水泥浆采用全自动水泥浆搅拌系统按规定的水灰比进行制作。
桩端水泥浆注入量为扩底部分体积的100%，水灰比为0.6。
桩周水泥浆，桩周水泥浆注入量：（钻孔体积-扩底部分体积-预制桩体积）×30%；桩周水泥浆的水灰比为1。
施工时如因故停浆，应在恢复喷浆前，将搅拌机头下沉0.5m后再喷浆搅拌施工；若长时间停止施工，应对送浆管道及设备进行清洗。
图7静钻根植桩植桩
2.3.4焊接工艺
焊接时，待上下桩节固定后拆除导向箍或导向板再分层施焊，焊缝必须每层检查，焊缝不宜有夹渣、气孔等缺陷，每道焊缝进行超声波检测合格，焊好后的桩接头应自然冷却后方可继续沉桩，自然冷却时间不宜少于8min；严禁用水冷却或焊好即沉桩；
图8焊缝检测
2.3.5掏桩、填芯
根植桩施工完成后，需按照设计要求，掏出根植桩内土体8m，放入填芯钢筋笼后浇筑填芯混凝土，钢筋笼高出桩顶1m锚入承台。
3静钻根植桩施工遇到的问题及解决方案
3.1遇到问题及原因分析
在静钻根植桩施工过程中，主要存在的问题是植桩失败，沉不到设计标高。B本项目发生三根桩，114R-4、128R-1、121L-5，植桩失败位置均在桩底标高往上50cm～2m范围内。
植桩失败原因分析：根据地质报告显示，植桩失败位置处于⑦2灰色粉砂层，泥浆护壁困难，造成缩孔，孔底沉沙。
3.2植桩失败的桩体处理方案
对这些桩的处理措施是：拔出桩体，第二天重新钻孔植桩。
对植桩失败重新二次植桩的3根桩全部进行了大应变检测，桩身完整性和桩基承载力均满足设计要求，均为Ⅰ类桩。
3.3防止植桩失败的预防措施
1）施工顺序合理选择跳打，尽量施工不相邻的桩。
2）钻孔：钻孔时应根据地质情况，确保主机负荷在允许范围内，并在保证成孔质量的前提下选择合适的钻孔深度。在进入7-2层草黄-灰色粉砂（孔深在45米左右）后，钻孔用水掺入膨润土，膨润土掺量控制在5-7%，粘度不小于40s。膨润土在水泥浆搅拌系统的搅拌桶内进行配置完成。在注入水泥浆前，停止掺入膨润土。
3）修孔：钻孔至设定深度后，上下反复升降钻杆进行桩孔的修整。修整次数根据实际情况确定，一般为3-4次，确保孔壁光滑顺直，修孔电流控制在45A以内。
4）扩底：桩孔修整完成后，打开钻头部位扩大翼，按照设计要求的扩孔直径和高度设定的尺寸分次进行扩底，扩底次数不少于三次。
5）植桩时间：提钻结束后，2小时内应进行沉桩。不得当天钻孔，第二天植桩。
4、静钻根植桩检测
静钻根植桩中的竹节桩属于异型桩，其试验检测参照《预应力混凝土异型预制桩技术规程》JGJ/T405-2017执行。主要检测单桩承载力，桩身完整性可不做检测。
根据预应力混凝土异型预制桩技术规程（JGJ/T405-2017）7.4.3要求，异型复合桩可不检测桩身完整性。异型复合桩中芯桩采用种植法施工，一般依靠自重即可自行沉桩，桩身质量没有损伤，桩身完整性能满足设计承载要求所以不需要检测；
静钻根植桩单桩承载力检测方法可以采用静载试验和大应变检测，静钻根植桩桩身完整性判定可以通过大应变检测，低应变检测静钻根植桩时，因异型桩与水泥土桩直径变化，检测结果不可靠。
本工程静钻根植桩所有试验检测由上海市市政公路工程检测有限公司实施。
图9静钻根植桩试桩静载试验
静载试验：本工程选取了ZX117R-3#为试桩，进行了单桩竖向抗压静载荷试验，单桩极限承载力加载至设计要求的5810KN，试桩和桩周土未出现破坏状态现象，在Q～S曲线上未出现第二拐点，在S～Lgt曲线尾部均未出现明显向下弯曲，最大沉降量13.71mm，满足设计要求。
大应变检测：本工程选取了13根桩进行大应变检测，通过大应变检测桩身完整性和单桩竖向承载力，所有桩均为Ⅰ类桩，承载力结果满足设计要求，详见表2。
图10静钻根植桩大应变检测
5、静钻根植桩技术优缺点分析
静钻根植桩作为一项桩基新工艺，其优点主要有以下几个方面：
1）单桩承载力高。静钻根植桩可根据地质情况对竹节桩和复合配筋桩进行组合，最大限度发挥桩身结构特性，竹节桩桩身与土层作用良好可大幅度提高桩身侧摩阻力，复合配筋桩桩身具有良好的抗弯、抗剪和抗拔性能，且通过桩底注浆和桩周注浆，形成由桩身、桩底水泥浆和桩周水泥土共同承载的桩基础。直径与桩长相同的静钻根植桩是钻孔桩承载力的1.5倍。以S26R-6标为例，原设计高架桥墩全部采用φ800钻孔桩，每个墩12根，后经设计变更成静钻根植桩后，每个墩台采用桩基8根。
2）无挤土，噪音小，泥浆排放少，节能环保。静钻根植桩是采用机械钻孔后植入预制桩，整个施工过程无挤土现象，且产生的噪音比传统的钻孔桩和打入桩要低50%。产生的泥浆只有钻孔桩的30%左右。
3）施工速度快，施工质量可控。在上海，传统钻孔桩施工时间一般为12小时/根，静钻根植桩一般施工时间为6小时/根，且静钻根植桩采用工厂化预制生产，混凝土强度可以达到C80～C100，且施工全过程自动监控，桩身质量更加稳定可控。
表2S26R-6标主线高架桥静钻根植桩大应变检测结果统计表
通过本工程发现，静钻根植桩在高架桥梁中使用，也存在以下不足：
1）静钻根植桩桩机及配合施工的履带吊、挖机等设备占用空间较大，对施工现场的场地面积以及承载力要求较高。
2）静钻根植桩施工对周边环境要求较高，墩台之间不得有河道、架空线等障碍物，会影响桩机转场移动，从而影响工期。
6、结论
静钻根植桩技术是一项桩基施工新技术，它在质量、进度、环保等方面，相比传统的桩基工艺有一定的优势，但是它对于高架桥梁的施工环境也有更高的要求。因此，静钻根植桩在城区内一些地形狭窄的地段使用受限，但在郊区及其他一些地形开阔的桥梁工程中可推广使用。
参考文献：
[1]周佳锦，王奎华，龚晓南，张日红，严天龙，许远荣.??静钻根植竹节桩承载力及荷载传递机制研究[J].?岩土力学.?2014（05）
[2]张日红，吴磊磊，孔清华.??静钻根植桩基础研究与实践[J].?岩土工程学报.?2013（S2）