超長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工及承載試驗(yàn)研究

戴湘波

（廣東冠粵路橋有限公司，廣州 511400）

1 引言

隨著我國(guó)公路橋梁建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)展，橋梁工程建設(shè)面臨的地質(zhì)、地形、水文、生態(tài)等環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜。在大范圍軟土地基所構(gòu)建的跨河橋梁多采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁具備承載能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁樁基礎(chǔ)施工中。關(guān)于超長(zhǎng)鉆孔灌注樁（＞90 m）的承載機(jī)理及試驗(yàn)相關(guān)研究相對(duì)較少，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)多以中短鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)，導(dǎo)致樁的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)偏保守，因此，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載力學(xué)特性研究十分有必要。

2 工程概況

甘肅省S10 鳳縣（陜西）至合作（甘肅）高速公路卓尼至合作段一期工程路基、橋梁、隧道工程ZH04 標(biāo)段位于甘肅省甘南州臨潭縣，設(shè)計(jì)起終點(diǎn)K75+810.5～K81+768，長(zhǎng)約5.958 km；公路等級(jí)為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速V=80 km/h；有特大橋1 座，計(jì)長(zhǎng)1 207 m；大中橋1 座，計(jì)長(zhǎng)186 m；隧道2 座，長(zhǎng)3 457.5 m，以及其他構(gòu)造物工程等。標(biāo)段第二聯(lián)主橋跨越西溝河?xùn)|岸的公園及西溝河，為了降低建橋?qū)珗@景觀的影響，減少公園內(nèi)的橋墩數(shù)量，橋跨布置為55 m+3×100 m+55 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)；主橋下部結(jié)構(gòu)中，4～7 號(hào)主墩采用雙薄壁實(shí)心矩形截面，主墩縱橋向尺寸為6.0 m，單肢縱橋向截面尺寸為1.5 m，橫橋向截面尺寸為6.5 m，等截面布置。主墩承臺(tái)厚4.0 m，主墩下部基礎(chǔ)采用9 根φ1.8 m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。3 號(hào)、8 號(hào)過(guò)渡墩采用矩形空心薄壁截面，截面尺寸橫橋向?yàn)?.0 m，縱橋向?yàn)?.5 m、3.0 m（其中3 號(hào)墩為2.5 m），壁厚50 cm，承臺(tái)厚2.5 m、3 m，樁基為4 根φ1.8 m 的鉆孔灌注樁。場(chǎng)地分布有大范圍軟土地基，土層巖性如表1 所示，項(xiàng)目組對(duì)選取的超長(zhǎng)鉆孔灌注樁開(kāi)展施工工藝及承載特性分析，以提供基樁的豎向承載力值，確保橋梁樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[1]。

表1 主墩樁位土層巖性參數(shù)

3 成樁施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)備選取

本工程采取樁長(zhǎng)90 m，樁徑1.8 m 的鉆孔灌注樁進(jìn)行橋墩樁基礎(chǔ)施工，成孔深度約為96 m，現(xiàn)場(chǎng)需要采用大型反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行成孔施工。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)綜合分析，擬采用泵吸反循環(huán)鉆機(jī)（型號(hào)GF400）配備直徑325 mm、長(zhǎng)130 mm 的抗扭鉆桿、雙腰鉆頭進(jìn)行施工成孔，該設(shè)備組合最大成孔深度160 m，成孔直徑4.5 m[2]。

3.2 泥漿制備

鉆孔施工需要構(gòu)建泥漿池用于人造漿儲(chǔ)備，人造漿在鉆孔階段進(jìn)行孔內(nèi)循環(huán)。人造漿采用膨潤(rùn)土施工制備，施工配比經(jīng)試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)比，獲取如下：水∶膨潤(rùn)土∶纖維素=1 000∶85∶0.25，人造漿相對(duì)密度控制在1.03～1.05，黏度控制在22～24，含砂率小于0.45%，pH 為9～10，膠體率大于98%；清孔階段則需要補(bǔ)充部分泥漿，現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)泥漿性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及補(bǔ)充，以便其余孔位施工進(jìn)行后續(xù)泥漿利用[3]。

3.3 鉆進(jìn)成孔、清孔

鉆孔則采用反循環(huán)鉆進(jìn)，依據(jù)不同土層巖性控制鉆進(jìn)速度及鉆進(jìn)壓力，其中，壓力需要控制在15～20 kN，泵量控制在100～150 m3/h；鉆桿轉(zhuǎn)速控制在25～40 r/min。初始鉆孔階段，鉆頭需要保持距離孔內(nèi)渣面25 cm 左右，啟動(dòng)泥漿泵進(jìn)行2.5 min左右的沖洗循環(huán)；控制鉆速由慢至快，正常鉆進(jìn)則需要合理控制相關(guān)參數(shù)，遇見(jiàn)易坍塌土層時(shí)，需要增大泥漿密度，保持孔壁穩(wěn)定性。鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，需要對(duì)孔內(nèi)渣樣進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，其次開(kāi)展清孔工作（單次清孔2.5 h），沉渣指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范之后則可以提鉆；水下混凝土則在導(dǎo)管及鋼筋籠制安之后進(jìn)行澆筑，此前則需要進(jìn)行二次反循環(huán)清孔，清空采取空氣壓縮機(jī)（型號(hào)GFY-75G），清空壓力1～1.1 MPa。

3.4 樁底注漿

樁底注漿有助于改善單樁承載力，降低基礎(chǔ)沉降，注漿管可以采用樁基聲測(cè)管，樁基混凝土初凝結(jié)束之后開(kāi)展壓漿孔制作，沖開(kāi)壓漿管內(nèi)部壓漿，保持灌漿通道暢通，其開(kāi)塞壓力控制在4～5 MPa；水壓下降時(shí)，進(jìn)行封閉閥門(mén)停泵處理（10～15 min），確保壓力消散。若出現(xiàn)水流外噴，則在閥門(mén)關(guān)閉的同時(shí)，隔2～4 min 觀察一次，至管內(nèi)壓力完全消散[4]。

4 單樁承載試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)要求

檢測(cè)樁樁徑1.8 m，樁長(zhǎng)90 m，位于5#墩中間位置，單樁設(shè)計(jì)容許承載值為6 800 kN，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)靜載試驗(yàn)進(jìn)行單樁承載特性分析。試驗(yàn)樁沿樁長(zhǎng)9 個(gè)控制截面布置傳感器，單個(gè)截面需要布置4 個(gè)傳感器，壓力盒則需要布置在樁底位置?，F(xiàn)場(chǎng)需要測(cè)定試驗(yàn)樁在荷載13 600 kN（兩倍設(shè)計(jì)承載力）下的樁底及控制截面軸力變化情況，樁頂在荷載作用下的沉降值，以判斷樁基承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求[5]。

4.2 加載方案

加載方式主要以現(xiàn)場(chǎng)砂石配重進(jìn)行堆載，加載系統(tǒng)具備25 000 kN 的加載極限，主要由配重、堆載平臺(tái)、沉降及應(yīng)力觀測(cè)系統(tǒng)、起頂裝置等組成，系統(tǒng)應(yīng)用如圖1 所示。試驗(yàn)樁分級(jí)加載過(guò)程為：試驗(yàn)樁加載之前需要進(jìn)行試加載，對(duì)千斤頂、儀表系統(tǒng)使用靈敏度進(jìn)行檢測(cè)，明確現(xiàn)場(chǎng)加載次序及技術(shù)人員職責(zé)；采取一次循環(huán)、分級(jí)、分階段進(jìn)行加載，加載次序：0～13 600 kN，共分10 級(jí)加載，每次加載1 360 kN；至最大施加荷載13 600 kN 時(shí)，則需要進(jìn)行5 次卸載，每級(jí)卸載2 720 kN。荷載施加過(guò)程中，單級(jí)荷載試驗(yàn)樁沉降量在前一次施加荷載沉降量5 倍以上時(shí)，需要停止加載，此時(shí)取上一次施加荷載為極限值；當(dāng)試驗(yàn)樁累計(jì)沉降量在40 mm 以上時(shí)，且單次荷載施加24 h 之后沉降持續(xù)加大，且大于上一次荷載施加的2 倍，則停止加載，極限荷載取上一次施加荷載。

圖1 加載系統(tǒng)示意圖

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 沉降

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樁頂沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，獲取圖2 所示荷載-沉降（P-S）曲線，結(jié)果表明，P-S 曲線整體變化較為平緩，試驗(yàn)樁加載至最大荷載（13 600 kN），沒(méi)有出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；該試驗(yàn)樁整個(gè)加載階段不存在拐點(diǎn)處；樁頂沉降變形速率相對(duì)于壓漿后明顯要大；設(shè)計(jì)選取40 mm 處荷載值作為試驗(yàn)樁極限荷載，則明顯存在較大的承載富余空間；極限承載力和設(shè)計(jì)容易承載力之間的P-S 曲線呈線性變化，試驗(yàn)樁具備良好的彈性變形能力，試驗(yàn)樁彈性變形占據(jù)樁頂變形的主導(dǎo)地位，試驗(yàn)樁在整個(gè)加載階段并沒(méi)有達(dá)到其承載極限[6]。

圖2 樁頂P-S 曲線

4.3.2 軸力

不同荷載施加情況下，試驗(yàn)樁軸力隨深度分布情況如圖3所示。研究結(jié)果表明，試驗(yàn)樁軸力整體隨深度變化分布呈凸形，且樁頂位置的軸力隨深度變化速度明顯大于其余位置；軸力變化幅度在深度55 m 處呈現(xiàn)快速衰減的趨勢(shì)，大于55 m 深度處的軸力則快速衰減至0。樁身軸力在15 m 地下位置存在較快的衰減速度，大于15 m 地下的樁身軸力則具備較小的變化趨勢(shì)；樁頂荷載軸力變化隨施加荷載的增大而呈大幅增加，樁底位置處的樁身內(nèi)部軸力變化幅度較小，且隨著樁身斷面距離樁頂越大，其軸力值也越小，這主要?dú)w因于樁側(cè)土存在一定的側(cè)向摩阻力，摩阻力隨著施加荷載的增大而不斷增大[7]。

4.3.3 極限承載力

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁P-S 曲線不存在明顯拐點(diǎn)，且未檢測(cè)到基樁極限荷載，這對(duì)結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)不能夠提供有效參考。為此，本文規(guī)定以下試驗(yàn)樁容許承載力確定方法：采用回彈曲線割線斜率配合安全系數(shù)的方式進(jìn)行承載力容許值確定，P-S從初始點(diǎn)位置畫(huà)一條平行于卸載曲線斜率的割線，該割線和P-S 曲線相交處荷載值則為荷載設(shè)計(jì)容許值（8 750 kN）。項(xiàng)目設(shè)定安全系數(shù)為2，則經(jīng)計(jì)算可得極限承載力為17 500 kN。試驗(yàn)樁的承載能力富余程度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁工程面臨的環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的應(yīng)用范圍極大。超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的承載特性對(duì)于施工參數(shù)的獲取極其關(guān)鍵，本文依托軟基地區(qū)具體橋梁工程項(xiàng)目開(kāi)展超長(zhǎng)灌注樁施工及承載力學(xué)響應(yīng)分析，獲取試驗(yàn)樁P-S 及樁身軸力變化規(guī)律，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)樁能夠滿足承載力相關(guān)要求，本文研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程研究提供重要理論參考。