軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁承載性狀分析

廖志兵

(江西省新余市公路管理局渝水分局，江西　新余　338025)

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軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁承載性狀分析

廖志兵

(江西省新余市公路管理局渝水分局，江西新余338025)

文章結(jié)合橋梁工程實例，對軟土地區(qū)預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁大直徑灌注樁進(jìn)行了一系列承載性狀試驗分析，結(jié)果表明：大直徑灌注樁能夠發(fā)揮高承載力特征；在靜載試驗過程，荷載級數(shù)的增大，樁側(cè)阻力占樁體總阻力的比例也不斷上升，極限承載外力下可達(dá)90%，樁底應(yīng)力值占比小；樁周孔隙水壓力在施工期有明顯波動，但伴隨排水固結(jié)孔隙水壓力后期呈緩慢下降狀態(tài)。

梁橋；大直徑灌注樁；軟土路基；摩阻力；承載力

0　引言

如今，橋梁建設(shè)伴隨交通規(guī)模的升級，在跨徑上實現(xiàn)不斷突破，上部結(jié)構(gòu)體積不斷擴(kuò)大，對地基承載力的要求提高，尤其是軟土分布較廣地區(qū)。樁基礎(chǔ)自出現(xiàn)以來，已成為橋梁深基礎(chǔ)的首選方式之一，在軟基影響較大地區(qū)，大直徑灌注樁形式的橋梁樁基得到了廣泛應(yīng)用。大直徑灌注樁按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]劃定為直徑>800 mm的樁，在軟基分布地區(qū)，多以大直徑超長灌注樁為梁橋樁基形式，置換地基土，對軟土地基起到擠密作用，在承載力上有十分顯著的提高[2-3]。灌注樁采用高強(qiáng)混凝土材料，變形量小，能較為穩(wěn)定地為上部結(jié)構(gòu)提供支承。

大直徑灌注樁已廣泛應(yīng)用于大型橋梁、高層建筑等工程中，但關(guān)于灌注樁的應(yīng)用研究目前還較少，筆者以某大跨境梁橋為研究背景，從大直徑灌注樁承載性狀出發(fā)，對軟基段樁基礎(chǔ)工作特性進(jìn)行了試驗分析，為灌注樁的繼續(xù)發(fā)展提供參考。

1　工程概況

試驗段梁橋起點樁號K023+220，終點樁號K026+930，全長371 m，引橋是3聯(lián)13 m簡支T梁，主橋是預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，為變截面箱型結(jié)構(gòu)，高跨比1/17，每個承臺下部埋置6φ1 000mm的灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級C30，由于軟基垂直分布較廣，樁徑約34m，樁底嵌入中風(fēng)化花崗巖。

為研究此路段大直徑灌注樁的承載性狀，分別對兩個承臺下相同位置處單樁P1和P2進(jìn)行了比較試驗，P1和P2樁均以中風(fēng)化巖為持力層，但在地層分布上有不同，表1為P1、P2的各地層性狀分布情況。

表1　P1、P2灌注樁地層分布狀況表

2　試驗概況

試驗樁基為鉆孔灌注樁，由于上覆蓋土層較松散，軟土特征明顯，在進(jìn)行鉆孔灌注階段要進(jìn)行實時監(jiān)測，筆者擬通過對比P1、P2單樁的樁頂應(yīng)力、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁底應(yīng)力變化，分析鉆孔灌注樁的豎向承載特性，同時，軟基受孔隙水壓力變化較大，將在單樁不同土層上布置超靜孔隙水壓力計進(jìn)行施工監(jiān)測。土層在施工階段受鉆孔灌注的擾動影響較大，為提高分析精度，在鉆孔灌注期，10min/次進(jìn)行儀表記錄，當(dāng)灌注結(jié)束后，前兩天1次/30min、之后一周1次/60min，一周后1次/6h。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1灌注樁單樁承載力試驗

根據(jù)慢速維持荷載法，選用4×500t千斤頂和錨樁組成的反力裝置進(jìn)行測驗，以12級1 250kN/次加載方式，采用高精度電子計算機(jī)進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)采集，得到單樁承載力與沉降關(guān)系Q-S曲線如圖1所示。

圖1　單樁承載力(Q)與沉降(S)關(guān)系曲線圖

由圖1可知，P1、P2灌注樁在承載力極值上有明顯不同，P1樁在0～15 000kN的整個實驗加載過程中，沉降曲線都較為緩和，未有明顯折線變化，當(dāng)施加15 000kN外荷載時沉降僅約13mm，灌注樁在該軟土地基中有較好的發(fā)揮作用；而P2樁在加載至8 750kN時，樁體沉降速率開始比上一級加載提高許多，從8 750kN以后，樁體的沉降隨試驗荷載的每一級增加出現(xiàn)了明顯折線變化，12 500kN外荷載作用下P2樁體沉降已超過了40mm，可見，P2灌注樁的極限工作荷載約為8 750kN。P1、P2的樁體承載力差異主要與兩個灌注樁的分布地層差異有關(guān)，P1樁在13.6m埋深開始進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，32.8m后進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖，嵌巖深度為0.6m，承載力狀況較好，而P2樁體在黏土與中風(fēng)化粉砂巖之間分布了部分的殘積砂質(zhì)黏性土，較P1整體的土層性質(zhì)差，嵌巖深度也少了0.2m，而試驗為工程樁，實際工程樁基所處的地下土層分布狀況對靜載承載力試驗結(jié)果有明顯影響。

3.2灌注樁身軸力試驗分析

本試驗采用高精度的振弦鋼筋應(yīng)力計對灌注樁進(jìn)行軸力變化監(jiān)測，伴隨之前靜載試驗的過程記錄了不同加載下的應(yīng)力變化，再通過樁身軸力計算公式：

(1)

εs=σs/Es=Ps/(AsEs)

(2)

N=σA=εsEpA

(3)

式中：Ps——振弦鋼筋應(yīng)力計采集的鋼筋荷載；

K、f——傳感器系數(shù)和不同壓力作用下的振弦鋼筋應(yīng)力計自振頻率；

A、As——P1、P2樁身截面面積和鋼筋截面積；

Ep、Es——樁身和鋼筋的彈性模量值。

P1樁受地層性狀影響承載力較好，圖2為此灌注樁隨埋深增大時樁身軸力的變化曲線。

圖2　隨埋深變化下樁身軸力曲線圖

樁身軸力是由鋼筋應(yīng)力計數(shù)據(jù)換算而來，由圖2曲線可知，靜載試驗時加載1 250 kN、2 500 kN、3 750 kN，樁身軸力在14 m以下接近0，樁體還無法整體共同進(jìn)入工作，受上部加載樁體周間土層在發(fā)揮主要作用，類似于摩擦樁的工作機(jī)理；施加荷載級數(shù)繼續(xù)提高后，P1的樁身下部也陸續(xù)開始進(jìn)入工作，比較加載5 000 kN之后的軸力變化，曲線越來越緩，表明受樁頂外力提高的影響，在樁身軸力提高的同時，樁間土的摩擦效應(yīng)也在不斷的增強(qiáng)，灌注樁在軟土地基中與樁間土的摩擦效應(yīng)對提高承載力發(fā)揮著重要的作用。

3.3灌注樁樁側(cè)阻力、樁底應(yīng)力試驗結(jié)果分析

由振弦鋼筋應(yīng)力計數(shù)據(jù)計算相鄰測點軸力的差值為該測段樁身的樁側(cè)阻力工作值[4]，選取P1、P2兩單樁的極限承載力(15 000 kN、8 750 kN)對應(yīng)的實測軸力數(shù)值分析，得到兩根灌注樁樁側(cè)阻力變化曲線如圖3所示。

圖3　樁側(cè)阻力與樁長關(guān)系曲線圖

樁與樁間土層的摩擦力在提高地基承載性狀發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)路基荷載較小時，一般是樁體上半部分在發(fā)揮摩擦效用，同時對周間土也產(chǎn)生擠密效應(yīng)。由圖3可見，在極限外荷載作用下，全樁都在發(fā)揮作用，但此時上半樁身的摩阻應(yīng)力較小，土層多為黏土，而下部花崗巖層發(fā)揮著主要承載作用，產(chǎn)生端承樁的工作機(jī)理；P1樁穿過塑性黏土后直接與強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖接觸，灌注樁整體承載力提升較大，在嵌巖段最大摩阻力約5 310 kPa，P2樁約3 819 kPa，相差39%。樁身受外荷載的增大影響豎向位移也在擴(kuò)大，直接影響深層較好巖層的摩阻力發(fā)揮，大直徑鉆孔灌注樁的“端承摩擦樁”工作方式對軟基承載力有顯著提高。

兩根工程樁以中風(fēng)化花崗巖為持力層，樁底埋設(shè)高精度壓力傳感器，在靜載試驗過程記錄了分級荷載下樁底的荷載變化如圖4所示。

圖4　分級荷載作用下樁底荷載變化曲線圖

圖4再次表明了在靜載試驗中外荷載較小時，灌注樁的承載力主要由上半樁身與樁間土的摩阻力提供，當(dāng)分級荷載繼續(xù)增加，樁體的豎向位移引起了下部樁間土的共同參與，此時，樁底壓力計入荷載逐步增大，樁端也開始提供承載力；圖4中12級荷載樁底荷載可達(dá)1.75 MN，圖3中樁身阻力在極限荷載作用下發(fā)揮較大作用，P1樁側(cè)阻力占灌注樁總阻力約90%，P2約86%。樁端阻力分別占10%、14%，說明大直徑灌注樁在軟土路基中與樁間土的摩阻力是提高地基承載力的主要因素，在施工過程中，孔樁側(cè)壁的混凝土灌注應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范，對地基承載力會有較大幫助。

3.4超靜孔隙水壓力測試結(jié)果與分析

在鉆孔灌注施工階段，軟基的各土層孔隙水會有較大影響，地基承載力將受孔隙水壓力發(fā)生變化[5]。試驗在孔壓變化較大的各個地層分界面布設(shè)超靜孔隙水壓力計，得到三個土層界面孔隙水壓力變化如圖5所示。

圖5　土層超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線圖

由圖5可知，灌注樁在鉆孔和灌注過程中，容易引起土層孔隙水壓力的上升，但總體的孔隙水壓呈下降趨勢，受塑料排水板的快速排水固結(jié)幫助，三個土層分界面的超靜孔隙水壓力在施工前期下降較快，雖然中間受施工影響如鉆孔鉆進(jìn)發(fā)生的抽吸作用、混凝土灌注不連續(xù)等導(dǎo)致孔隙水有小范圍起伏波動，但土體孔壓在整個監(jiān)控期內(nèi)呈快速下降-緩慢下降的變化趨勢。

試驗樁所在土層孔隙水壓力相差較大，由圖5曲線分布可知，灌注樁的施工對淺層土的影響最大，尤其在表層填土與粉質(zhì)黏土分層，最大孔隙水壓力約23.8 kPa，灌注結(jié)束后約20.4 kPa，之后的固結(jié)排水穩(wěn)定在17.8 kPa；相比第三層孔隙水壓，孔壓在經(jīng)歷排水固結(jié)后約4.9 kPa。施工期孔隙水壓力對地基的抗剪強(qiáng)度有影響，為更好發(fā)揮灌注樁的承載力，應(yīng)嚴(yán)格控制施工期間的各項流程及指標(biāo)。

4　結(jié)語

橋梁采用樁基礎(chǔ)施工噪音小，抗震性能好，地基承載力有較好提高，通過對實例預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋下部灌注樁承載性狀的研究，得到結(jié)果如下：

(1)大直徑灌注樁承載力受到地層性狀的影響，實例兩個工程樁由于土層分布的不同，P1樁極限承載力比P2樁高出20%；

(2)樁身軸力在外荷載施加較小時，上部樁體發(fā)揮主要作用，下部樁身軸力接近0，隨荷載級數(shù)的增大下部樁身軸力增大；

(3)大直徑灌注樁主要由樁側(cè)阻力發(fā)揮承載能力，占總阻力85%以上，荷載級數(shù)較高時，下部樁身穿過巖層物理性質(zhì)較好，其摩阻力對樁身阻力影響最大；

(4)在施工期，鉆孔開挖、灌注對土層的擾動較大，尤其是分布于表層的填土，孔隙水壓力居高不下，排水固結(jié)速度較緩，應(yīng)嚴(yán)格控制施工流程的各項指標(biāo)。

[1]JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2]趙春風(fēng)，魯嘉，孫其超，等.大直徑深長鉆孔灌注樁分層荷載傳遞特性試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009(5)：1020-1026.

[3]汪凡文，秦勤.橋梁工程大直徑嵌巖樁的承載性狀研究[J].交通科技，2007(3)：8-9.

[4]顧培英，王德平，呂惠明.大直徑灌注樁樁側(cè)摩阻力試驗研究[J].公路交通科技，2004(1)：62-66.

[5]李嫻.鉆孔灌注樁施工控制要點及常遇事故處理[J].山西交通科技，2010(3)：70-72.

Analysis on Carrying Properties of Large-diameter Bored Grouting Piles in Soft-soil Area

LIAO Zhi-bing

(Jiangxi Xinyu Highway Administration Bureau，Xinyu，Jiangxi，338025)

In combination with bridge engineering examples，this article conducted a series of bearing behavior experiment analysis on prestressed continuous large-diameter grouting piles in soft soil area，and the results showed that：the large-diameter grouting pile can play the high bearing capacity characteristics；and during the static load test，the proportion of pile side resistance representing the total pile resistance keeps rising with the increase of loading classification number，the limit bearing can reach up to 90% under external forces，and the pile bottom stress accounts only for a small proportion；the pore water pressure around the piles has significant fluctuations during the construction，but showing the slow decreasing at the late stage with the drainage consolidation pore water pressure.

Girder bridge；Large-diameter grouting pile；Soft-soil roadbed；Friction resistance；Carrying capacity

U443.15+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.013

1673-4874(2016)08-0049-04

2016-06-05

廖志兵(1974—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工及管理。