基于濱海相淤泥的橋梁基礎施工質量影響因素研究

馬劍飛

（秦皇島市地方道路管理處，河北 秦皇島 066000）

1 工程概況

某擬建的互通主線橋位于沿江高速公路，屬濱海泥灘區(qū)，全長2 853m?；A擬采用沖孔灌注樁。因泥灘區(qū)表層土質非常軟弱，故先填筑施工平臺，以便于樁基的順利施工。其中44 號墩及45 號墩處的施工平臺已完成填筑。為研究橋梁基礎施工過程中，鋼護筒、樁身及樁周土體的應力及變形是否會發(fā)生變化，選擇該互通主線橋44-7#、45-7#兩根樁進行現(xiàn)場測試。測試樁的有關參數(shù)見表1。

表1 測試樁尺寸 單位：m

2 地質概況

擬建橋址現(xiàn)主要為灘涂改建的魚塘，水深小于2.6m。橋址地形較平坦且開闊，沿線土質松軟，無明顯起伏，附近無斷裂構造，亦未發(fā)現(xiàn)崩岸、泥石流等地質災害。下伏基巖主要是混合巖化變質巖和混合花崗巖，無巖溶等工程地質問題。起控制作用的是普遍分布的軟土以及此類土在地震力作用下的砂土液化、軟土震陷等不良地質現(xiàn)象。地質構造上，晚古生代凹陷被中、新生代構造疊加、改造，對地層的破壞明顯，造成巖體完整性、風化程度及強度的不均勻性，對施工具有較大影響。

3 測試方案設計

3.1 測試目的和內容

本次測試的目的為研究打設鋼護筒、成孔及成樁階段四根測試樁在軟弱淤泥及施工擾動的作用下，鋼護筒、樁身及樁周土體的受力及變形情況。

測試內容包括埋設變形測試元件（測斜管）測試樁身和樁周土體的水平變形情況及埋設應力測試元件（鋼筋計、鋼板計）測試樁身、鋼護筒的受力狀態(tài)。

3.2 測試原件布置方案

44-7#、45-7#測試樁樁身內各埋設2 根測斜管，且互成90°，與鋼筋籠綁扎在一起沉入樁體，測斜管長度均為25m（至樁頂25m）。44-7#、45-7#測試樁的樁周土內在距鋼護筒1m 處每隔90°均勻埋設1 根測斜管，測斜管實際長度根據(jù)各處入巖深度確定，其中9 號測斜管為37.5m（至施工平臺頂37.5m，下同），11號、16號測斜管為40m，其余測斜管為38m。

3.3 測試頻率

測試周期應按照施工進度的需要確定，可逐日或隔數(shù)日觀測一次，直至施工結束。本工程樁基測試的日程安排為：剛開始1～2d觀測一次，兩周后3天觀測一次，一個月后1 周觀測一次，三個月后7～15d 觀測一次，半年后每個月觀測一次。當施工工況發(fā)生變化時，應適當提高觀測頻度，最高可達1d 觀測3～4 次。計劃觀測周期為1年。

4 測試分析

4.1 樁身及樁周土的水平位移測試

4.1.1 44-7#樁水平位移測試結果

44-7#樁的測斜均在同一階段內進行，即成樁后至承臺施工前。

由于44-7#樁測斜期間，該樁未受任何施工擾動，僅受到樁周土因固結、塑性屈服及流變等原因引起的側向擠壓，樁身及樁周土的水平位移均較小，樁身內6 號管道最大水平位移為15mm；樁周土內12 號管道最大水平位移為22mm。各測試日的側移曲線沿深度變化規(guī)律一致，并隨時間逐漸趨于穩(wěn)定，表明44-7#樁在軟土側向擠壓作用下的樁身及樁周土變位較小。

4.1.2 45-7#樁水平位移測試結果

45-7#樁的測斜分兩個階段進行，第一階段為成樁后至承臺施工前，第二階段為承臺及橋墩澆筑后。其中，2 號、13 號—16 號管道的測斜只在第一階段進行，3號管道在兩個階段均進行測斜。

第一階段的測試工況與44-7#樁類似，樁未受任何施工擾動，僅受到樁周土的側向擠壓，由圖可知，樁身及樁周土的水平位移均較小，樁身內2 號管道最大水平位移為18mm；樁周土內管道最大水平位移為26mm。各測試日的側移曲線沿深度變化規(guī)律一致，并隨時間逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖可知，樁身內3號管道的側移曲線明顯存在兩種不同的分布規(guī)律，這兩種分布規(guī)律分別對應于兩個階段。為更加直觀地了解承臺及橋墩的澆筑對測試樁水平位移的影響，將3 號管道兩個階段的水平位移分別取平均值進行對比可知，承臺、橋墩的施工會導致樁基產生附加側移，且附加側移沿深度方向變化并不一致，由于附加側移曲線的擬合曲線，其形態(tài)近似一豎直線，因此經承臺、橋墩施工后，3 號測斜管的中心并未發(fā)生明顯變位，但直線形態(tài)發(fā)生一定程度的改變，主要是承臺、橋墩的自重荷載所致。

4.2 樁身應力結果

4.2.1 44-7#樁應力測試結果

44-7#樁的應力測試分三個階段進行：第一階段為成樁后至承臺施工前，共測試29次；第二階段為承臺澆筑后至橋墩施工前，共測試7 次；第三階段為橋墩澆筑后，僅測試1 次。第二階段及第三階段的測試中發(fā)現(xiàn)許多鋼筋計出現(xiàn)損壞，這主要是由于在施工過程中施工人員對鋼筋計的測頭保護不到位，且測試期間屢受臺風和暴雨的侵襲所致。44-7#樁各階段的鋼筋計部分實測結果如圖1所示。

圖1 第1層（a）與第2層（b）鋼筋計應力變化曲線

44-7#樁從成樁2d 后即開始第一階段的測試，此時樁身混凝土尚未終凝，混凝土凝結過程中的水化反應會大量放熱，導致樁身主筋的應力出現(xiàn)一定程度的變化，且以漸進性受拉為主，未出現(xiàn)突然性的變化。隨著時間的推移，混凝土逐漸完成凝結，應力變化曲線較前期明顯放緩，應力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。

第二與第三階段的測試結果表明，鋼筋計應力曲線均出現(xiàn)一定程度的回落，這是由于樁身上部承臺、橋墩的澆筑及施工荷載的作用所致，此時相對前一階段而言樁身受壓，且應力變化約為2～4MPa。在該樁測試期間，鄰近樁44-3#樁、44-8#樁均有過沖孔灌注等施工，但該樁的應力曲線并未發(fā)生明顯變化，這一狀況表明：鄰近樁施工不會對測試樁的應力狀態(tài)造成明顯影響。值得注意的是，第三階段1、2層部分鋼筋計應力曲線出現(xiàn)抬升，這可能是由于施工荷載相對樁身截而偏心而產生彎曲拉應力所致。

4.2.2 45-7#樁應力測試結果

45-7#樁的應力測試分兩個階段進行：第一階段為成樁后至承臺施工前，共測試27次；第二階段為承臺及橋墩澆筑后，僅測試1 次。45-7#樁各階段的鋼筋計部分實測結果如圖2所示。

圖2 第7層（a）與第8層（b）鋼筋計應力變化曲線

與44-7#樁的測試日程相似，45-7#樁也從成樁2天后開始測試。第一階段測試中，混凝土凝結過程中的水化反應大量放熱，導致樁身主筋漸進性受拉；隨著混凝土凝結的逐漸完成，應力變化曲線較前期明顯放緩，應力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。

第二階段測試中，由于樁身上部承臺、橋墩的澆筑及施工荷載的作用，鋼筋計應力曲線出現(xiàn)一定程度的回落，回落幅度與45-7#樁相近。

值得注意的是，第7、8層各測點的鋼筋計均在時間相近的期間出現(xiàn)拉應力突然增大的現(xiàn)象，但彎矩分布規(guī)律卻幾乎不變，由于該期間并未有明顯的施工擾動，這可能是由于鋼筋計測頭因保護不到位而出現(xiàn)一定程度的損壞所致。

4.3 鋼護筒應力測試結果

44-6#樁的鋼護筒外側布設鋼板計，其應力測試分四個階段進行：第一階段為鋼護筒打設完成后至樁基沖孔前，共測試32次；第二階段為樁基沖孔灌注期間，共測試4次；第三階段為成樁后至承臺施工前，共測試13次；第四階段為承臺、橋墩澆筑后，測試1次。

44-6#樁從鋼護筒打設完成后的第2 天即開始第一階段的測試，在軟土側推力及各種施工擾動如鄰近樁的沖孔灌注等作用下，鋼板計應力變化較緩和。

第二階段及第三階段測試的前期，鋼板計應力曲線劇烈波動，沖孔灌注時拉應力急劇增大，結束后已出現(xiàn)明顯回落，這一情況表明：44-6#樁的沖孔灌注對鋼護筒造成較大的影響，在沖孔的動應力作用下鋼護筒應力變化顯著，拉應力在短期內急劇增大后又明顯同落，一些鋼板計甚至因超量程而出現(xiàn)損壞。第四階段的測試數(shù)據(jù)較少，承臺及橋墩的澆筑使鋼護筒偏心受荷，應力曲線出現(xiàn)幅度較小的波動。

由于鋼板計焊接在鋼護筒外側，雖有槽鋼加以保護，但在打設鋼護筒時仍出現(xiàn)一定數(shù)量的損壞，正常工作的鋼板計在分層斷面上離散性較大，無法做出相應的彎矩圖，故對此不再加以分析。

5 橋梁基礎成樁質量的影響因素分析

通過對測試數(shù)據(jù)進行整理分析，可以得出如下結論：

（1）在鋼護筒打設完成至沖孔灌注這一階段，樁周土側移十分微?。讳撟o筒應力變化緩慢且穩(wěn)定。

（2）在樁基施工階段，由于沖孔的應力擴散效應，樁周土產生附加側移，且側移方向為遠離樁身方向，附加側移沿深度方向變化并不一致，在距施工平臺頂面1～2m 處，樁周土所受擾動最大；沖孔灌注也會對鋼護筒造成較大的影響，在沖孔的動應力作用下鋼護筒應力變化顯著，拉應力在短期內急劇增大后又明顯回落，一些鋼板計甚至因超量程而出現(xiàn)損壞。

（3）在成樁后至承臺施工前這一階段，測試樁僅受到樁周土因固結、塑性屈服及流變等原因引起的側向擠壓，樁身及樁周土出現(xiàn)一定程度的側移，并隨時間逐漸趨于穩(wěn)定；成樁初始，樁身主筋因混凝土凝結過程中水化反應的大量放熱以漸進性受拉為主，未出現(xiàn)突然性變化，隨著時間的推移，混凝土逐漸完成凝結，應力變化曲線較前期明顯放緩，應力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）承臺、橋墩的澆筑會導致樁基承受偏心荷載，樁身應力出現(xiàn)2～4MPa 的波動，樁周土產生附加側移但側移變化程度較樁基施工要小。

（5）影響橋梁基礎成樁質量的因素主要有：地基土的固結與定向流動、鄰近樁基的施工擾動、沖孔動應力的擴散效應等。其中地基土的固結與定向流動所產生的軟土側推力是樁基受彎的主要因素，且受彎程度與地層狀況有關，本次測試的最大樁身彎矩為1 239kN·m，表明軟土側推力作用導致的附加彎矩相當可觀，在設計時應予以考慮。

6 結語

軟弱淤泥條件下施工的樁基，往往因樁周土的固結、塑性變形、流變等原因而在樁側承受附加壓力。本文結合某互通主線橋44 號墩及45 號墩處四根樁的現(xiàn)場測試結果，對施工過程中樁基、樁周土及鋼護筒的力學響應進行研究，為相似淤泥條件下的橋梁基礎施工項目提供參考。