超長鉆孔灌注樁質量控制理論與技術問題

鄭金剛

(河北燕峰路橋建設集團有限公司，河北 石家莊 050091)

超長鉆孔灌注樁在大型橋梁和高層建筑中越來越廣泛的應用。樁的承載力是樁與土共同作用的結果，了解超長樁的界定與定義、承載力理論問題以及檢測、設計以及缺陷處治技術，將對正確確定超長灌注樁承載力有指導意義。

1 超長樁的界定及定義

超長鉆孔樁由普通樁通過逐漸增加樁長而形成。若樁徑已定，在樁頂荷載作用下，普通樁樁側及樁端抗力將達到極限狀態(tài)。增加樁長度，樁頂可承受荷載逐漸增大，樁土剛度呈直線增加；當樁長增加到一定數(shù)值時，樁頂可承受荷載增大速率逐漸減小，樁土剛度的增幅逐漸平緩形成拐點。此時，如繼續(xù)增加樁長，則樁土剛度不再增大，基本保持在一個定值（見圖1）。

從圖1可以看出，在相同樁頂沉降的情況下，隨土層樁土剪切剛度減小而拐點下移，在土層不變的情況下隨著樁頂沉降增加拐點下移。

按現(xiàn)有規(guī)范計算方法計算樁長時，設計承載力取樁側摩阻力極限值和樁端阻力極限值的1/2。在樁頂容許大沉降的前提下，中小橋梁的中短樁計算結果與實際情況基本吻合。

對特大橋及重要橋梁，樁頂容許沉降均較小的長樁或超長樁才能滿足上部結構的正常使用功能。從超長樁受力機理得知，因樁土位移的限制，下段樁側摩阻力和樁端阻力不可能充分發(fā)揮，樁側摩阻力和樁端阻力不可能出現(xiàn)整體達到極限的狀態(tài)。

圖1 樁長—樁土剛度曲線圖

超長樁定義為：特大橋及重要橋梁在極限荷載作用下，為滿足橋梁對樁頂沉降的限制條件，鉆孔樁逐漸增長，但增加到一定長度后部分樁側摩阻力并不能完全發(fā)揮，我們把有此特征值的樁基稱為超長樁。

樁側各土層摩阻力恰好達到極限值時的臨界樁長為超長樁界定值。

超長樁的長度界定因樁頂位移、荷載及樁土參數(shù)的變化而不同。從單層土的計算分析可以看出，在荷載作用下，同等樁頂沉降時，超長樁界定值在軟土中較大，硬土中較小。統(tǒng)計分析可以看出實際工程樁在不同的荷載作用或不同的樁頂位移時，96%的超長樁界定值分布在40m～80m的范圍內。

2 超長鉆孔灌注樁單樁承載力可靠度與成孔檢測

2.1 超長鉆孔灌注樁承載能力可靠度研究

利用JC法計算各類土的可靠度指標β，當抗力按對數(shù)正態(tài)分布計算時可靠度平均值在2.091~4.945之間；當抗力按正態(tài)分布計算時，可靠度平均值在1.520～3.071之間；汽車荷載分布形態(tài)對計算結果影響不大，抗力按對數(shù)正態(tài)分布計算時，計算結果高于按正態(tài)分布計算的結果。一般運行狀態(tài)和密集運行狀態(tài)計算結果相差不大。利用最小二乘法確定超長鉆孔灌注樁目標可靠度指標在2.3～2.5之間。

2.2 超長鉆孔灌注樁擴孔值的統(tǒng)計及成孔檢測規(guī)程

通過對多個工程共計2630根鉆孔灌注樁的成孔直徑進行統(tǒng)計分析，給出了實際成孔直徑擴孔值標準值的建議取值，如表1所示。

表1 擴孔值建議取值

根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ 041—2000）和《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTJ 024—85）對鉆孔灌注樁成孔質量標準的規(guī)定，結合多個工程的成孔質量檢測實踐編寫的超長鉆孔灌注樁成孔質量檢測規(guī)程對超聲法成孔檢測的設備要求、檢測方法、數(shù)據(jù)分析、報告編寫方法等做了詳細規(guī)定，對今后超聲成孔檢測方法的推廣和應用具有指導意義。

3 超長鉆孔灌注樁群樁承載性能的研究

3.1 超長鉆孔灌注樁群樁承載力的理論研究

筆者對3D、4.5D和6D三組不同樁間距超長鉆孔灌注樁進行了理論計算分析，總結了樁端應力與樁端位移與樁間距的關系，圖2～圖4為計算分析圖。

圖2 不同樁間距下樁端應力云圖

圖3 樁端應力與樁間距的關系

圖4 樁端位移與樁間距的關系

3.2 超長鉆孔灌注樁群樁室內模型試驗

筆者通過試驗對三組不同樁間距的群樁承載性能進行了室內模型試驗分析，圖5為樁間距分別為3D、4.5D和6D的群樁荷載—沉降實測曲線，并得到群樁中各樁的樁身軸力、側摩阻力、樁側阻力與樁土相對位移分布。

圖5 不同樁間距的三組群樁的Q—S曲線

4 超長鉆孔灌注樁質量檢測與缺陷處理

4.1 質量缺陷嚴重程度判定與現(xiàn)場處治

為解決現(xiàn)行規(guī)范關于超聲波法樁身質量單一判據(jù)的不足，本研究將檢測到的混凝土聲學參數(shù)，用數(shù)理統(tǒng)計方法計算得到梯形隸屬函數(shù)的分類，應用模糊數(shù)學理論，將樁基混凝土質量設定為優(yōu)、合格和不合格三類，綜合考慮各個參數(shù)對基樁質量評價的影響，確定各個參數(shù)對總體影響的模糊權向量，建立模糊綜合評價模型，得到樁基質量判斷的綜合判斷結果。

筆者對超長樁樁基灌注質量事故的預防與處理措施、不同缺陷處理方案、后注漿的施工工藝及參數(shù)進行了研究，形成一套完備的超長樁，該技術在工程中得到成功應用。表2為該缺陷處理技術應用情況表。

表2 缺陷處理技術應用情況表

4.2 缺陷處治注漿材料試驗研究

通過對注漿材料的試驗研究，得出以下結論：

（1）在注漿材料中用尾砂替代部分水泥，既能滿足灌漿要求，又可降低工程成本，并為尾砂利用開辟新途徑；

（2）采用正交試驗法設計灌漿材料可降低試驗次數(shù)、降低費用、提高效率；

（3）注漿材料試驗說明早期水泥漿試塊，波速與抗壓強度呈線性變化，水泥漿液的早期強度遠低于混凝土；

（4）礦粉漿液用于切割處理斷樁缺陷部位，不影響注漿效果。試驗證明：礦粉漿液切割效果優(yōu)于清水和水泥漿液；

（5）注漿模擬試驗是注漿處理的必要工序，可以得出注漿量、漿液擴散半徑等，以及漿液水灰比、注漿介質結構特征、注漿壓力等因素的關系。

圖6～圖9為試驗得出的注漿量、擴散半徑與吸水率和水灰比的關系圖。

圖6 注漿量Q與吸水率q的關系

圖7 注漿量Q與水灰比W/C的關系

圖8 擴散半徑R與吸水率q的關系

圖9 擴散半徑R與水灰比W/C的關系

5 結語

本文重點分析了超長鉆孔灌注樁單樁和群樁的相關理論問題，提出了超長鉆孔灌注樁成孔質量檢測的相關指標和技術規(guī)程，以及超長灌注樁的質量檢測和缺陷處理技術，對超長鉆孔灌注樁的質量控制和管理有較好的指導意義。

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