大直徑超長鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究

孟續(xù)東，何武超

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著我國大型基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，鉆孔灌注樁施工技術(shù)不斷提高，在軟土地區(qū)大直徑超長鉆孔灌注樁被越來越多地用于大型重要工程當(dāng)中。然而，當(dāng)前國內(nèi)主要設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算理論依然是基于常規(guī)樁長的小直徑樁基礎(chǔ)，國內(nèi)學(xué)者已開始了針對大直徑超長鉆孔灌注樁方面的研究，并以荷載試驗(yàn)與有限元數(shù)值分析為手段，研究了包括超長鉆孔灌注樁側(cè)阻與端阻發(fā)揮機(jī)理、極限承載力下荷載與位移曲線、大直徑樁基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)、群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算理論等，并考慮了土層特性與埋深、樁底注漿、長徑比影響、樁底沉渣厚度、持力層等影響因素。

2 荷載傳遞特性

大直徑超長鉆孔灌注樁的定義無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建筑業(yè)一般以樁徑大于0.8m，樁長大于60m界定，橋梁行業(yè)則把大樁徑定義為大于2.5m的樁基礎(chǔ)。根據(jù)試驗(yàn)研究成果，大直徑超長樁基礎(chǔ)樁極限側(cè)阻力與樁端極限承載力并非同步發(fā)揮，存在異步性。該特性受到與土層特性、土層埋深、樁端沉渣厚度、持力層特性、樁徑、長徑比、樁身彈模等因素影響。

樁土間相對位移是產(chǎn)生樁身側(cè)阻的基本傳力機(jī)制[1]。由于土層特性不同，樁身側(cè)阻的極限承載力發(fā)揮存在差異，砂性土發(fā)揮極限側(cè)阻承載力所需位移明顯大于粘性土。根據(jù)試驗(yàn)研究[2]，砂性土層在22～27mm范圍達(dá)到極限位移，而淺層黏性土則在6～17mm范圍達(dá)到極限位移。

土層埋深對其極限側(cè)阻發(fā)揮特性影響很大[3]，由于超長樁為非剛性樁，根據(jù)荷載試驗(yàn)研究成果，上層土體樁身側(cè)阻先于下層土體發(fā)揮至極限，并在達(dá)到極限側(cè)阻之后，發(fā)生剪切破壞，側(cè)阻減弱，出現(xiàn)側(cè)阻軟化現(xiàn)象[4]。

樁端阻力的發(fā)揮滯后于樁側(cè)極限側(cè)阻力，兩者相互耦合，在較小沉渣厚度的條件下，其Q-S曲線呈加工硬化型[2]。樁端沉渣厚度對下部樁身側(cè)阻力、端阻力發(fā)揮影響明顯，較厚的沉渣將導(dǎo)致樁端刺入型破壞[3]。沉渣的“軟墊”效應(yīng)對樁端阻力影響不大，但明顯增加下部樁身側(cè)阻力發(fā)揮需要的位移。在實(shí)際工程中，一般嚴(yán)格控制沉渣厚度，并采用樁端后注漿的方式，減少沉渣影響，可明顯提高樁身承載力。

長徑比越大，端阻占比越小，樁頂荷載很難傳遞至樁端，即長徑比達(dá)到一定值，樁端阻力將不再發(fā)揮作用[4]，其表征為深度效應(yīng)[5]?；谝陨辖Y(jié)論，業(yè)界部分人士提出“有效樁長”這一概念，并區(qū)別于已普遍達(dá)成共識的散體材料樁的有效樁長[5-6]。對于混凝土樁土來講，“有效樁長”僅為相對概念，絕對意義并不存在。其定義從荷載傳遞角度講，即當(dāng)樁長超過一定深度，樁長增加不能提高豎向承載力；從位移變形角度講，樁長增加基本上不能減小樁基沉降?！坝行堕L”的計(jì)算方法目前尚不明確，但其研究對于設(shè)計(jì)規(guī)范的研究具有一定意義。

大直徑樁基尺寸效應(yīng)對樁側(cè)阻力的影響主要表現(xiàn)為，大直徑樁基較厚泥漿護(hù)壁泥皮，以及大直徑機(jī)械鉆進(jìn)導(dǎo)致土體松弛從而降低了土體樁側(cè)摩阻力。于此同時(shí)，樁端土土體開挖后處于超固結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致土體反彈而強(qiáng)度降低，樁端極限承載力降低[5]。

較大的樁身彈模有利于樁體下部樁身側(cè)阻力的發(fā)揮[7]，但是較大樁土剛度比增大，會使群樁基礎(chǔ)基樁分布越發(fā)不均與，呈現(xiàn)外側(cè)樁荷載大[8]，內(nèi)側(cè)樁分擔(dān)荷載小的趨勢明顯，整體群樁基礎(chǔ)沉降增大[9]。

根據(jù)以上荷載傳遞特性，可以看出傳統(tǒng)靜力計(jì)算公式并不符合超長樁的實(shí)際荷載傳遞機(jī)理，而在實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，多是以通過增加樁徑與樁長、選用堅(jiān)硬的持力層以達(dá)到提高樁基承載力和減小樁基礎(chǔ)沉降的目的，并彌補(bǔ)規(guī)范公式中對大直徑超長鉆孔灌注樁荷載傳遞機(jī)理考慮的不足。

3 樁徑、樁長、樁間距與群樁效應(yīng)系數(shù)

群樁基礎(chǔ)周圍邊樁與承臺內(nèi)部樁受力差別大，且荷載分擔(dān)比例不同，呈現(xiàn)群樁效應(yīng)。于此同時(shí)，側(cè)阻發(fā)揮次序不同，邊樁與單樁類似，從樁頂開始發(fā)揮，而內(nèi)樁則是從樁底開始發(fā)揮，邊樁側(cè)摩阻力明顯大于內(nèi)樁，當(dāng)邊樁達(dá)到樁周土極限承載力而發(fā)生破壞時(shí)，內(nèi)側(cè)樁側(cè)摩阻力并沒有充分發(fā)揮[8]。

進(jìn)一步分析可知，樁數(shù)增加、樁間距減小、樁長增加、樁徑增大將使群樁系數(shù)減小。一般來講，超長鉆孔灌注樁間距大于10D，可不計(jì)群樁效應(yīng)系數(shù)[10]。

群樁效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算方法有很多，目前常用的方法有：（1）考慮群樁實(shí)體基礎(chǔ)周邊長的方法；（2）Converse-Labrre群樁效應(yīng)系數(shù)法；（3）Seiler-Keeney群樁效應(yīng)系數(shù)法；（4）考慮承臺、樁、土相互作用分項(xiàng)群樁效應(yīng)系數(shù)法；（5）考慮應(yīng)力疊合的群樁效應(yīng)系數(shù)法。而基于地基土應(yīng)力疊加的群樁效應(yīng)系數(shù)法能夠綜合考慮樁數(shù)、樁長、樁徑、樁距及其土層特性，適合于超長大直徑鉆孔灌注樁群樁效應(yīng)系數(shù)的技術(shù)[11]。

現(xiàn)行規(guī)范大多是以概念布樁設(shè)計(jì)提出樁間距要求，達(dá)到便于簡化計(jì)算并忽略群樁效應(yīng)，從而留給工程更多安全儲備。

4 沉降計(jì)算理論

目前國內(nèi)主流規(guī)范群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算采用等代實(shí)體深基礎(chǔ)理論，即采用外圍樁外側(cè)邊緣連線構(gòu)成的面積為荷載作用面，選用樁端土為計(jì)算起始土層，采用等效分層總和法計(jì)算壓縮土層沉降，區(qū)別在于沉降計(jì)算修正系數(shù)、樁端面的附加應(yīng)力和壓縮土層的計(jì)算深度的確定方法不同。

美國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范采用荷載與抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法計(jì)算沉降，荷載作用面積同樣取外圍樁面積，等效基礎(chǔ)底面調(diào)整至樁入土深度的2/3處，該規(guī)范考慮了樁身彈性壓縮量。

通過以上計(jì)算理論分析，并結(jié)合大直徑超長鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)自身特點(diǎn)，超長樁將不能視作剛體，沉降應(yīng)充分考慮樁身壓縮變形。同時(shí)，軟土地基中大型群樁基礎(chǔ)承臺對土層施加的附加應(yīng)力作用對于沉降計(jì)算將轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕刂埔蛩?，不可忽略?/p>

基于以上分析，仍然采用Boussinesq解，并綜合考慮樁身壓縮，以及承臺底土的附加應(yīng)力向下擴(kuò)散作用影響著群樁計(jì)算方法被提出[12-13]。該計(jì)算方法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，說明該方法能夠較好地適應(yīng)大直徑鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)的沉降計(jì)算。于此同時(shí)，超長樁樁端持力層高應(yīng)力狀態(tài)下的壓縮模量的取值是導(dǎo)致計(jì)算沉降與實(shí)際沉降偏差較大的重要原因。

5 施工工藝與技術(shù)

軟土地基上的超長大直徑群樁基礎(chǔ)往往需要穿越較厚的軟塑和流塑狀土層，到達(dá)較硬的巖石持力層，選用合理的鉆孔設(shè)備和成孔工藝是順利成孔的難點(diǎn)。大直徑超長鉆孔灌注樁多采用氣舉反循環(huán)成孔，鉆桿分為氣舉和泵吸兩種形式。

對于鉆具的選擇，采用四翼籠式刮刀鉆頭在淤泥層中成孔效果較好，在卵石層及基巖中宜采用焊齒滾刀鉆頭。當(dāng)穿越卵石、漂石層時(shí)，刮刀式鉆頭易發(fā)生卡鉆和堵管，從而使鉆進(jìn)速度放慢，降低鉆進(jìn)效率。根據(jù)寧波某工程施工經(jīng)驗(yàn)，可改用干抓或濕抓的方式穿越卵石或漂石層，在工程條件允許下，也可加大鉆機(jī)功率并增加配重以提高破碎能力，增進(jìn)鉆進(jìn)效率。由于沖擊鉆成孔周期長，清孔難度大，鋼絲繩易斷裂，孔底沉渣厚度難以控制，因此對于超長大直徑鉆孔灌注樁，應(yīng)慎用沖擊鉆。對于基巖均勻的土層可采用旋挖鉆成孔，但應(yīng)注意避免斜面基巖導(dǎo)致斜孔，可采取的主要控制措施有加設(shè)先導(dǎo)圈、改進(jìn)刀頭形式、增加配重和增設(shè)導(dǎo)向等。

6 工程案例

通過以上對大直徑超長鉆孔灌注樁荷載傳遞機(jī)理、群樁效應(yīng)、樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算及施工關(guān)鍵技術(shù)的分析與總結(jié)，應(yīng)用于寧波某一特大型橋梁。該橋主跨400m，采用矮塔斜拉橋方案，跨徑布置為64m+86m+400m+86m+64m，采用塔梁固結(jié)，塔墩分離的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力體系。中跨主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，邊跨為疊合梁，橋面寬29mm，采用V型鋼塔單索面設(shè)計(jì)。

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，擬建場地25m以上淺層以海積相淤泥質(zhì)土和粉、砂性土為主，屬于典型軟土地層，承載力在50～65kPa之間，壓縮性高，地質(zhì)條件差；埋深60m以下深部土層工程性質(zhì)較好，埋藏適中，可作為橋梁工程樁基持力層。

結(jié)合大橋總體分析計(jì)算及場地地質(zhì)條件，大橋基礎(chǔ)的總體概念設(shè)計(jì)考慮施工、工程造價(jià)等因素，以差異沉降為主要控制因素確定單樁承載力安全系數(shù)，進(jìn)行不同樁徑，不同持力層等方案比選，并最終選定主墩采用2.0m樁徑大直徑，平均樁長為90m超長鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁徑比45，以碎石為持力層。邊墩及輔助墩樁徑1.5m，樁長80m，樁徑比53∶1，以中粗砂為持力層。

根據(jù)靜載試驗(yàn)報(bào)告，主橋樁基礎(chǔ)承載力能力較為充足，差異沉降能夠滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

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6 結(jié) 語

大直徑超長鉆孔灌注樁越來越多地被應(yīng)用于大型建筑工程，以及橋梁工程當(dāng)中，其荷載傳遞機(jī)理不同于普通常規(guī)樁基礎(chǔ)，現(xiàn)行主流規(guī)范設(shè)計(jì)已明顯不再適用。工程設(shè)計(jì)師應(yīng)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮大直徑超長鉆孔灌注樁的荷載傳遞特征等多種影響因素，重視概念設(shè)計(jì)，以達(dá)到既滿足設(shè)計(jì)使用需求，同時(shí)也能降低基礎(chǔ)工程造價(jià)的目的。