超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究

王俊霞/ WANG Jun-xia

(中國建筑第二工程局有限公司 華東分公司，上海 200135）

1 引言

超長大直徑鉆孔灌注樁作為橋梁的承載的重要環(huán)節(jié)，也是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要工序，但由于使用中承載載荷較大，容易出現(xiàn)樁體位移，影響安全，在施工中需要避免該問題的發(fā)生[1～3]。我國雖然對超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁的應(yīng)用較為廣泛，但理論研究仍存在問題，尤其是對樁側(cè)土荷載的相關(guān)計算理論不足，不能反映出樁頂沉降和樁體的相關(guān)位移的影響關(guān)系，技術(shù)存在一定的問題[4～6]。而在國外研究中，早期利用彈性理論法，運用泰勒理論，模擬樁周土體，并使用Mindlin 方程進(jìn)行求解，獲得在半無限空間中樁體的任一點的應(yīng)力和位移變化形式，但該方法得出的結(jié)果需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存在較高的誤差率，準(zhǔn)確率較低[7～10]。后來的國外學(xué)者常常采用雙向靜荷載的試驗方法來確定相關(guān)系數(shù)，但需要較長的研究周期，時間效率較低，仍然缺乏相關(guān)的計算理論支持。

2 超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術(shù)

2.1 超長大直徑樁軸向作用傳遞函數(shù)模型

對超長樁體來說，在不同強度下的土層中樁側(cè)的極限摩阻力不同，因此在進(jìn)行施工前需要對樁體的軸向作用下的載荷進(jìn)行分析[11～13]。如圖1所示，對樁身的任意深度中選取柱段進(jìn)行分析。

圖1 樁土體系載荷傳遞

根據(jù)圖1，依照平衡條件得出

式中t(z)——樁體的深度為z時的樁側(cè)摩阻力；

U——樁身周長；

Q(z)——樁體深度為z時的樁身軸力，同時考慮到樁頂?shù)妮d荷QO，那么深度為z時的樁身軸力為

則樁微分端上產(chǎn)生的彈性變形dS(z)則為

式中A——樁身截面積；

E——樁身彈性模量。

將式(3)帶入式(1)中，可以得出

由此來得出樁體在荷載傳遞下的微分方程，而獲得方程缺失對樁體的樁身的軸力計算，因此在微分方程的基礎(chǔ)上添加公式。對樁身的軸力計算則可以通過下面公式得出

式中Qi——基樁在不同截面處的軸力，kN；

ei——樁體基面的應(yīng)變值，可以通過鋼筋計傳感器的測試值得出；

Ei——樁體截面處的樁身材料彈性模量，MPa；

Ai——樁身截面處的截面積，m2。

由此獲得樁土系載荷傳遞的模型，考慮到樁身側(cè)土在傳遞時承受的載荷較大，因此對樁側(cè)土需要額外的計算。

2.2 樁側(cè)土荷載傳遞計算

本文利用雙曲線函數(shù)來擬合樁側(cè)土的荷載傳遞，其傳遞函數(shù)為

式中t——樁段在單位面積中的樁側(cè)摩阻力，kPa；

S——樁身和樁側(cè)土間的相對位移，mm；

a、b——待定常數(shù)。

當(dāng)相對位移S值處于無限大的情況下，樁的側(cè)摩阻力則更接近常數(shù)，即

在b的物理意義中，描述樁側(cè)極限摩阻力的常數(shù)為0 時，得出

在趨近原點做出的函數(shù)曲線斜率為

式中—函數(shù)曲線的斜率；

tm——樁側(cè)的極限摩阻力。

由函數(shù)曲線來表示樁側(cè)土的荷載傳遞，得出樁側(cè)土的荷載傳遞。

2.3 快速成孔技術(shù)

樁基的樁孔施工場地往往較為狹小，同時樁孔嵌巖較小，施工效率要求較高[14～15]，本文選擇了旋挖鉆機(jī)施工工藝進(jìn)行成孔施工，在本文的鉆孔施工中，選擇ZJD3000/210 型和KP3500/210型液壓回旋鉆機(jī)，配置數(shù)量可根據(jù)實際工程情況進(jìn)行選擇，上述中的兩款鉆機(jī)主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 鉆機(jī)主要性能參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)情況，在本文的施工技術(shù)中，配置刮刀鉆頭和滾刀鉆頭，用于對覆蓋層和巖層進(jìn)行鉆進(jìn)，同時配備一定的菠蘿頭鉆頭，用于對地質(zhì)中的基巖進(jìn)行鉆進(jìn)。泥漿凈化器選擇ZX-200 型泥漿凈化器。在鉆孔時的制漿上，選用黏度較低且失水量較少的膨潤土。同時添加分散劑和增黏劑，分別采用純堿和PAC 來作為分散劑和增黏劑。比例的選擇則根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)，以及上文中確定的樁體載荷，來確定泥漿需要的黏度。以樁基作為變徑樁，同時根據(jù)不同的地層選擇不用的鉆進(jìn)參數(shù)，如表2 所示。

許沁將手中的筆按了一下，辦公室里響起了聲音，正是方才許沁和小蟲的對話。許沁剛才故意問仔細(xì)，誘導(dǎo)小蟲把葛局長的意圖全說了出來。許沁放完錄音，大笑，說太好了，我正愁證據(jù)不足呢，你幫我完成了心愿，謝謝。

表2 不同地層下的鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)表2 給出的相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)，進(jìn)行嵌巖鉆孔。

2.4 導(dǎo)管法灌注樁

在完成鉆孔工藝后，考慮到導(dǎo)管法的施工更加便捷，本文選擇采用導(dǎo)管法進(jìn)行施工。在施工時進(jìn)行灌漿時需要考慮到孔底沉渣厚度，導(dǎo)管到孔底的距離，以及導(dǎo)管的埋置深度和泥漿比重等因素，在第一次灌注時需要遵循準(zhǔn)確的灌注量，在灌注時第一次灌注的混凝土量計算公式為

式中V——第一次灌注混凝土需要的數(shù)量，m3；

D——樁孔直徑，m；

H1——樁孔底至導(dǎo)管地段的間距，m；

H2——導(dǎo)管初次的埋置深度，m；

d——導(dǎo)管內(nèi)徑，m。

表3 不同工況下的灌注樁支護(hù)的特點

在灌注混凝土的過程中，需要保證連續(xù)施工且在1.5h 內(nèi)完成澆注，在氣溫較高的情況下則需要保證在1h 內(nèi)完成澆筑。至此完成鉆孔灌注樁施工。

3 實例論證分析

為了驗證本文設(shè)計的鉆孔灌注施工技術(shù)的可行性，以某地的超大長直徑嵌巖鉆孔灌注樁的施工工程為例，分析實際的施工使用情況。

3.1 地質(zhì)概況

在施工時，需要對地下的土體地質(zhì)性能進(jìn)行了解，在施工中，采樣獲得施工地區(qū)的土體參數(shù)如表4 所示。

表4 土地參數(shù)數(shù)據(jù)

3.2 工程樁體支護(hù)選擇

在該工程中，由于工程使用的場地面積較小，同時該工程中對樁體的變形要求較低，因此選用了鋼板樁支護(hù)技術(shù)來進(jìn)行支護(hù)。在施工前檢查振動錘，保證連接的線路正常，電壓保持在390～415V。為了減少鋼板樁鎖口的摩擦，在鎖口位置涂刷油膏。在進(jìn)行支護(hù)時，選用基坑支護(hù)的鋼板樁作為支護(hù)樁體，在使用前進(jìn)行相關(guān)檢驗和矯正。在施工中，為了保證支護(hù)樁體的平整度和垂直度，工程中在支護(hù)樁外圍設(shè)置了打樁支架，如圖2 所示。

圖2 鋼板樁導(dǎo)架

利用振動錘，錘打鋼板樁，在樁錘和鋼板樁間設(shè)置樁帽，保證沖擊可以均勻分布，避免樁頂受到損壞。采用起重機(jī)將鋼板樁吊運到導(dǎo)架附近進(jìn)行插樁，插入后套上樁帽進(jìn)行錘擊。本工程中對鋼板樁施工質(zhì)量控制如表5 所示。

表5 鋼板樁質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

在本次工程中，鋼板樁滿足表5 標(biāo)準(zhǔn)，完成樁體支護(hù)工作。

3.3 鉆孔灌注施工過程

本工程中樁體為變徑樁體，內(nèi)徑直徑為2.5m，在鋼板支護(hù)以下部分的樁體直徑為2.1m。在進(jìn)行成孔施工時，首先在鋼護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行鉆進(jìn)，在護(hù)筒的防護(hù)下，在地層中采用高轉(zhuǎn)數(shù)的清水破壁法進(jìn)行鉆進(jìn)施工，在鉆進(jìn)中，每進(jìn)尺3m，鉆頭則需要進(jìn)行幾次掃空，確保成樁直徑，在護(hù)筒內(nèi)鉆進(jìn)完成后，進(jìn)行護(hù)筒內(nèi)造漿。在護(hù)筒中泥漿滿足要求后，繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)，并使其形成穩(wěn)定孔壁，每小時的進(jìn)尺保持在0.7～1.2m。在鉆頭離開護(hù)筒底部7m 后鉆進(jìn)速度提升到2m/h。在后續(xù)的鉆進(jìn)中，由于鉆進(jìn)至基巖巖面，將鉆頭更換為直徑2m 的滾刀鉆頭，并增加配重20t，鉆進(jìn)速度控制在0.5～1.4m/天中，并完成鉆孔。鉆孔完成后進(jìn)行混凝土灌注，首批灌注混凝土不小于9.8m3，后續(xù)灌注完成施工。

3.4 施工質(zhì)量

根據(jù)施工完成后該灌注樁的側(cè)阻力和樁土的相對位移關(guān)系，樁體的樁身軸力情況對該灌注樁的施工質(zhì)量進(jìn)行判斷。該樁體側(cè)阻力和樁土的相對位移關(guān)系如圖3 所示。

圖3 樁體不同深度下側(cè)阻力和相對位移關(guān)系

由圖3 可以看出，使用本文設(shè)計的施工技術(shù)進(jìn)行施工的樁體，在不同深度以及不同側(cè)摩阻力的影響下，相對位移可以保持在較低的水平，同時不同條件下對相對位移的影響較小。而該樁體的在受到不同承載力下，樁頂?shù)某两等鐖D4所示。

圖4 不同深度單元樁的樁頂沉降

在圖4 中發(fā)現(xiàn)，本文樁體在不同深度和承載力矩下，樁頂沉降均未超過60mm，證明樁體具有良好的承載性能。通過圖3 和圖4 中的結(jié)果，證明本文設(shè)計的超大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術(shù)具有良好的可行性。

4 結(jié)語

通過對樁體側(cè)土的荷載力矩進(jìn)行運算，獲得樁體側(cè)土的傳遞荷載關(guān)系式，并根據(jù)公式對施工中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，運用該方法進(jìn)行施工的樁體，在側(cè)阻力影響下的相對位移較低。在未來研究中，可以在此基礎(chǔ)上，添加樁體的有限元分析，獲得更準(zhǔn)確的樁體受力圖，并對施工參數(shù)進(jìn)行再次修改，提高樁體的可靠性。