鉆孔灌注樁豎向承載力影響因素

陳智勇，陶旭光，時閩生

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

在橋梁建設(shè)中，由于鉆孔灌注樁適應(yīng)能力強、成本適中、施工簡便等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。但灌注樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，大部分為濕法作業(yè)需在水下進行，影響灌注樁施工質(zhì)量的因素很多，質(zhì)量檢查也比較困難。因此，遇到灌注樁承載力不滿足設(shè)計要求時，需要認(rèn)真謹(jǐn)慎地分析各方面的原因，以便糾正施工薄弱環(huán)節(jié)，不斷推動技術(shù)革新。

1 工程概述

境外某跨海大橋設(shè)計全長24 km，整個主橋和引橋區(qū)段采用鋼管樁、PHC管樁和鉆孔灌注樁3種樁基型式。

在主橋墩和一側(cè)引橋的淺灘區(qū)域擬采用鉆孔灌注樁，并分別進行了鉆孔樁的試樁。首先，在主橋墩進行鉆孔樁試樁，樁徑2 300/2 000 mm，樁長為進入泥面約113 m，嵌入中等風(fēng)化基巖4 m，采用自平衡試驗方法，主要測算鉆孔樁的側(cè)壁摩阻力。測試結(jié)果為樁側(cè)摩阻力值不理想，遠遠不能滿足設(shè)計要求。試驗之前對試樁完整性進行了檢測，為I級樁。

此后，在引橋區(qū)陸域的鉆孔灌注樁試樁上進行了靜載荷試驗，樁徑1 800/1 500 mm，樁長為進入地面（標(biāo)高約+1.0 m） 以下約90 m，樁端以頁巖強風(fēng)化層為持力層。試驗結(jié)果表明，試樁在設(shè)計荷載下沉降較大，不能滿足要求。具體為：在加載至使用荷載時，樁頂沉降量達到25.45 mm，其中樁底沉降量為14.75 mm，樁身壓縮量為10.7 mm，大于設(shè)計要求的12.5+10.7（樁身壓縮） mm；在加載至2倍使用荷載時，樁頂沉降量達到81.42 mm，其中樁底沉降量為59.78 mm，樁身壓縮量為21.64 mm，大于設(shè)計要求的38.0+21.64（樁身壓縮） mm。試樁的Q-s曲線見圖1所示。由預(yù)埋在樁內(nèi)的基康振弦應(yīng)變計測得的摩阻力值在約50 m以上土層中遠小于勘察報告提供的設(shè)計參數(shù)推薦值，而50 m以下土層中該值與推薦值比較接近，具體見表1所示。

通過初步分析，對鉆孔灌注樁豎向承載力不足的影響因素，可能存在以下幾種情況：

1） 鉆孔灌注樁質(zhì)量控制不好，造成樁體有縮徑、斷層、夾泥等嚴(yán)重缺陷。

2） 勘察報告提供的地基土的樁基設(shè)計參數(shù)推薦值是否偏高，造成設(shè)計計算的單樁極限承載力值偏高。

3） 上部土體較靈敏，鉆孔樁成孔時土體向樁孔方向應(yīng)力釋放較多，試樁時樁側(cè)土應(yīng)力與成孔前相比差異較大，導(dǎo)致側(cè)摩阻力降低。

4） 樁側(cè)壁與地基土之間泥漿沉積浸潤，導(dǎo)致樁土接觸面泥皮較厚，限制了土體摩擦力的發(fā)揮。

表1 鉆孔樁試樁實測摩阻力值一覽表

5） 樁底沉渣較厚，導(dǎo)致樁端不能承受來自上部樁身傳遞的作用力。

6） 樁端部持力層為強風(fēng)化層，原位鉆孔顯示巖石粉末較多，在成樁過程中吸取泥漿中的大量水分，造成持力層飽水軟化，樁端壓實過程導(dǎo)致總沉降過大。

2 影響因素分析

2.1 樁體質(zhì)量

在樁體澆筑完成18 d以后，檢測單位對樁體完整性進行了超聲波跨孔檢測。檢測是在預(yù)埋的4根50.8 mm（2英寸）鐵管中進行的，主要評價鉆孔樁的完整程度。檢測結(jié)果顯示：該鉆孔樁完整性等級為I～II級，在40.3～42.6 m處由于檢測波能量衰減，可能存在輕微缺陷，為II級，其余深度處為I級。根據(jù)工程經(jīng)驗，II級樁雖有輕微缺陷存在，但不影響樁身結(jié)構(gòu)承載力。I、II級分布情況見圖2。

根據(jù)超聲波檢測結(jié)果可以判定，本案例中的鉆孔樁樁體輕微缺陷影響不大，且樁端部混凝土質(zhì)量較好，沉渣不明顯，證明樁身質(zhì)量不是造成承載力不足的原因。樁的垂直度在成孔后也進行過量測，表明樁垂直度滿足要求。

2.2 地層資料

通過對比表1中鉆孔樁側(cè)摩阻力的設(shè)計推薦值和實測值，發(fā)現(xiàn)在淺部52.0 m以上的地基土層中兩者差異較大，尤其是23.5～52.0 m深度范圍，而在52.0 m以下則相對比較接近。但整體表現(xiàn)為實測值比推薦值小。

該工程陸續(xù)進行了鋼管樁、PHC管樁的試樁，其中鋼管樁的樁徑為1 600 mm，樁長為進入泥面76 m，PHC管樁的樁徑1.0 m，樁長為進入泥面56.0 m。兩組試樁的豎向承載力均滿足設(shè)計要求，實測側(cè)摩阻力值分別見表2、表3。

通過對比表1、2、3中地層性質(zhì)和實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在鉆孔樁中淺部土層幾乎沒有發(fā)揮作用，而在類似地基土發(fā)育規(guī)律的預(yù)制樁樁型條件下，淺部地基土層均能提供較高的摩阻力，PHC管樁表現(xiàn)尤為明顯，說明地基土本身的承載能力沒有問題，根據(jù)地層資料提供的樁基設(shè)計參數(shù)推薦值是可靠的。

表2 鋼管樁試樁實測摩阻力值一覽表

表3 PHC管樁試樁實測摩阻力值一覽表

2.3 土的應(yīng)力釋放

同樣的地質(zhì)條件下，在鉆孔樁和預(yù)制樁中側(cè)摩阻力如此大的差異，是極其不正常的?？紤]到不同樁型的成（沉）樁機理，分析認(rèn)為鉆孔樁施工過程中土的應(yīng)力釋放程度會對豎向承載力造成一定的影響。因為預(yù)制樁是擠土樁，沉樁后，經(jīng)過一段時間的孔隙水壓力消散，樁周土體的密度是在增加的，長期來看，土體性質(zhì)是增強的。而鉆孔樁是非擠土樁，在成孔過程中，周圍土體因應(yīng)力釋放向樁孔中心移動，樁周土體的密度是減小的，雖然長期來看，土體性質(zhì)會因時效作用逐漸恢復(fù)，但恢復(fù)后的土體性質(zhì)與原始土體相比仍會有一些差異。

文獻 [3-4]對軟土中不同樁型豎向承載力進行了時效性的分析，論證了時間效應(yīng)對豎向承載力的影響，但同時也指出對于鉆孔樁，不宜擴大樁豎向承載力的時效作用。筆者比較認(rèn)同此觀點，不但表現(xiàn)在飽和軟土層中，在砂土層也是如此。因為鉆孔樁雖然在時間效應(yīng)下，土體性質(zhì)逐漸恢復(fù)，但是成孔后變疏松的土體并沒有受到來自樁體的擠壓作用，土顆粒排列程度在自重應(yīng)力作用下重新完成固結(jié)過程，不可能完全恢復(fù)甚至超越原土體的性質(zhì)。所以土體性質(zhì)會比原始土體略差，具體的差異程度可以通過靜力觸探試驗或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等原位測試手段進一步驗證。

因此，鉆孔樁的施工應(yīng)重視土的應(yīng)力釋放對樁側(cè)摩阻力的影響。土的應(yīng)力釋放跟成孔的時間和清孔方式有較大關(guān)系。成孔時間越長，土體向樁孔移動時間也越長，直至達到臨界平衡狀態(tài)；清孔時反循環(huán)的抽吸作用又促進了土的應(yīng)力釋放程度。本案例中的鉆孔樁成孔持續(xù)8 d時間以及反循環(huán)的清孔方式均為不利因素。

2.4 樁側(cè)光滑度

泥漿在鉆孔樁成孔過程中主要起到搬運渣土、保護孔壁穩(wěn)定等重要作用，在粗顆粒土層中尤為重要。在試樁位置23.5 m以上為細粒土，下部土層逐漸夾中粗砂，在40.5 m以下為較純的中粗砂層，含少量的礫石顆粒，黏粒含量較少，在成孔過程中必須對泥漿濃度嚴(yán)格控制，絲毫不能馬虎，以防塌孔。然而，泥漿濃度過厚，會造成孔壁形成較厚的泥皮，使樁體和土體分離，并起到潤滑的作用，從而限制了樁側(cè)土層摩阻力的發(fā)揮。泥漿維持時間越久，泥皮的形成也會越牢固，引橋鉆孔樁成孔時間持續(xù)8 d，而主橋鉆孔樁則時間更長，約兩周。

文獻 [5]中某工程4根試樁，φ1 000 mm，樁長62 m，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值5 500 kN。清渣后實測的S1、S2、S3、S4樁泥漿比重分別為1.25、1.23、1.13、1.15，靜載荷試驗得到的單樁極限承載力值分別為4 000、7 000、≥11 000、≥11 000 kN。在地下室開挖時，可以看到其中S1、S2樁樁側(cè)被一層厚度較大的泥皮所包裹，而S3、S4樁樁身混凝土與樁周土體接觸較好。證實了泥漿比重大，必將使泥皮厚度增大，影響樁側(cè)土層摩阻力的正常發(fā)揮。

為了驗證鉆孔樁試樁樁側(cè)是否存在較厚的泥皮，曾對主橋墩鉆孔樁試樁側(cè)壁采用全芯取樣的方式進行了泥皮采集。根據(jù)采集到的一些樣本，由泥漿固結(jié)形成的泥皮形態(tài)明顯，個別較厚的達10 mm。因此認(rèn)為，本工程中鉆孔樁試樁樁側(cè)泥皮過厚可能是造成試樁豎向承載力不足的主要原因之一。

文獻 [6]中提到鉆孔的孔壁形狀應(yīng)有一些變化，成鋸齒形，應(yīng)避免鉆孔過于平直、光滑，傾向于鉆進過程有些晃動的鉆機，此說法也不無道理，目的同樣是為了能使鉆孔樁側(cè)壁光滑度降低，使樁側(cè)土體摩阻力能得到更好發(fā)揮。

總之，泥皮過厚、側(cè)壁太平整的情況下，會使鉆孔樁側(cè)壁阻力大打折扣，從而影響單樁豎向承載力。

2.5 樁底沉渣

該鉆孔樁設(shè)計時主要靠側(cè)壁摩阻力提供承載能力，當(dāng)樁側(cè)阻力不足時，樁端持力層也能發(fā)揮一定的承載作用。因此，如果樁底存在沉渣必然影響樁的極限承載力和沉降。該樁分別在成孔后和澆筑前進行了2次空壓機導(dǎo)管反循環(huán)清孔，反循環(huán)工藝清孔效果一般都比較理想；另一方面，根據(jù)超聲波跨孔檢測的圖形觀察，未見明顯的樁底缺陷；而且，在試驗靜載過程中較早階段就檢測到了端部力。以上都說明了樁底混凝土結(jié)構(gòu)較完整，印證了端部沒有嚴(yán)重的沉渣影響。

2.6 強風(fēng)化頁巖飽水軟化

引橋根部的鉆孔樁的樁端持力層為頁巖強風(fēng)化層，該層工程地質(zhì)特征為：極堅硬，原巖沿節(jié)理裂隙面風(fēng)化嚴(yán)重，巖芯采取率低（取芯管采用較先進的NMLC型號單動三重管），一般不足40%，芯樣多呈碎塊狀，少量為短柱狀，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)則遠大于50擊。

實際觀察鉆孔取芯得到的巖石土體樣本，樁端部持力層位置的強風(fēng)化特征非常明顯，且存在大量的巖石粉末和巖石顆粒。因為該灌注樁為泥漿護壁濕法作業(yè)，在鉆頭研磨該層土體時，會導(dǎo)致該層結(jié)構(gòu)飽水，進而出現(xiàn)持力層軟化現(xiàn)象。因為樁端部缺乏嵌固，才導(dǎo)致在土體側(cè)阻力不足的情況下，沉降過大。

觀察試樁的Q-s曲線（見圖1），發(fā)現(xiàn)沉降曲線明顯為緩變型曲線，且未出現(xiàn)明顯的破壞點，只是隨著樁端位移的進一步增大實測到端部阻力也不斷增大。說明只要端部軟化巖層被壓實就會有更高的端阻力出現(xiàn)，但此時樁體沉降量已超過規(guī)范要求。

以往經(jīng)驗在設(shè)計端承灌注樁時，一般端部持力層都不會選用頁巖強風(fēng)化層，而是選取下部巖層或密實砂層，正是基于這一方面的考慮。頁巖為力學(xué)強度相對較低的軟質(zhì)巖石，這類巖石出露地表易風(fēng)化，常出現(xiàn)膨脹、泡水易軟化的現(xiàn)象，軟化系數(shù)0.26～0.5，飽和抗壓強度0.14～1.2 MPa，其中石膏、鹽巖長期在地下水溶蝕作用下易產(chǎn)生溶洞或溶溝。若選擇這些巖石作為地基持力層，則建筑物易產(chǎn)生工程基礎(chǔ)滑移、不均勻變形，山體及工程建設(shè)場地邊坡沿軟弱面產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，因而這類巖層對工程建設(shè)不利。

3 結(jié)語

本工程中對鉆孔樁豎向承載力的主要影響因素為：土的應(yīng)力釋放程度、孔壁光滑程度（包括孔壁的鉛直度和泥皮厚度）以及持力層性能等。因巖土復(fù)雜性和鉆孔樁施工隱蔽性的特點，施工中稍有疏忽，便會出現(xiàn)各種不確定的

因素。現(xiàn)有的工程經(jīng)驗中也有很多避免或解決此類問題的方法，但控制不當(dāng)往往會出現(xiàn)此消彼長的情況。因此，鉆孔樁尤其是超長大直徑樁對施工技術(shù)要求和施工過程的控制至關(guān)重要，以保證鉆孔樁有足夠的承載能力，否則，只能通過增加樁長或樁數(shù)等方式才能達到設(shè)計要求，增加了費用的同時又加大了風(fēng)險。因此，如何權(quán)衡工程安全、施工難度、工程成本、施工速度等因素，以及對樁型進行最優(yōu)化是一門值得深入研究的學(xué)問。

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