影響鉆孔灌注樁承載力的主要因素及施工工法研究

師民勤 （山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000）

鉆孔灌注樁具有承載力大、入土深度大、抗震性能好、抗變形能力強(qiáng)、土層適用廣泛、施工設(shè)備完善、計(jì)算理論成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為廣泛使用的基礎(chǔ)形式，在橋梁工程、高層建筑、港口工程中占有重要的地位[1]。鉆孔灌注樁是借助特定的鉆孔或沖孔機(jī)械設(shè)備，在巖土層中形成特定直徑和深度的樁孔，并在孔內(nèi)放置鋼筋籠和澆筑混凝土形成的深基礎(chǔ)。鉆孔灌注樁的承載力是保證上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全的重要指標(biāo)，受到諸多因素的影響，成為設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵控制要點(diǎn)[2-3]。由于樁基的施工過程不易控制，工藝流程復(fù)雜，且在施工后屬于隱蔽性工程，因此，在樁基完工后如果存在承載力缺陷，修復(fù)難度較高，導(dǎo)致整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)損失[4]。研究樁基工程的承載力的影響因素和施工工藝成為目前基礎(chǔ)領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一。

1 工程概況

山西省陽泉市某房建工程由12 棟32 層高層建筑組成，單棟建筑層高70m，建筑設(shè)置1層地下室，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)+筏板基礎(chǔ)，鉆孔灌注樁的直徑為800mm，采用現(xiàn)澆混凝土施工，混凝土等級為C30，有效樁長為20m，整個(gè)工程的建筑樁基礎(chǔ)數(shù)量為389根。建筑場區(qū)地層較為簡單，樁長范圍內(nèi)的土層主要為黏性土，分別為①粉質(zhì)黏土15m，②黏土10m，③粉質(zhì)黏土12m，3 層土體的物理力學(xué)性質(zhì)相近，但其地質(zhì)成因時(shí)代有所不同。其中，①粉質(zhì)黏土的有效內(nèi)摩擦角為10°，有效黏聚力為35kPa，重度為18.7kN/m3；②黏土的有效內(nèi)摩擦角為8°，有效黏聚力為30kPa，重度為19.2kN/m3；③粉質(zhì)黏土的有效內(nèi)摩擦角為5°，有效黏聚力為45kPa，重度為19.9kN/m3。

2 鉆孔灌注樁承載力主要影響因素

2.1 鉆孔灌注樁三維模型的建立

為了研究鉆孔灌注樁的承載力影響因素，采用有限元仿真分析軟件Midas GTS NX進(jìn)行建模，計(jì)算時(shí)，土體采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則進(jìn)行分析，即材料承受的最大剪切應(yīng)力不超過與莫爾圓相切的破壞線，其計(jì)算方法如公式（1）所示。整體土體模型為立方體，邊長為35m，四周側(cè)面采用水平約束，底面采用固定約束，土體網(wǎng)格采用四邊形立體網(wǎng)格劃分。

式中φ為土體的有效內(nèi)摩擦角，度；σ1為土體的最大主應(yīng)力，kPa；σ3為土體的最小主應(yīng)力，kPa。

為了研究鉆孔灌注樁承載力的影響因素，模擬考慮樁體直徑、樁長和彈性模量的影響，設(shè)置了10個(gè)計(jì)算工況，計(jì)算工況見表1。

表1 鉆孔灌注樁承載力影響因素計(jì)算工況

樁基礎(chǔ)模擬過程中只考慮成樁后的受力變形，不考慮成樁過程中土體擾動的影響。鉆孔灌注樁的重度為23kN/m3，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.15，樁土間設(shè)置接觸面單元，與土體的界面為剛性界面。荷載加載模擬時(shí)，荷載作用于樁頂，共分為6級加載，加載范圍為0～3000kN，加載等級為500kN。建立的鉆孔灌注樁三維模型如圖1所示。

圖1 單樁數(shù)值計(jì)算模型

2.2 鉆孔灌注樁承載力影響因素模擬結(jié)果分析

圖2 為不同樁直徑對鉆孔灌注樁承載力的影響計(jì)算結(jié)果。從圖2 中可以看出，樁直徑的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規(guī)律不會產(chǎn)生明顯影響，所有工況下的曲線均隨著荷載的增加，位移呈現(xiàn)分段漸進(jìn)增加的變化規(guī)律，在樁頂位移小于10mm時(shí)，樁頂?shù)暮奢d-位移曲線斜率較小，而樁頂位移超過10mm后，樁頂?shù)暮奢d-位移斜率突然增加，樁基的位移超過一定的范圍后，認(rèn)為樁基的承載力達(dá)到了極限；工況A 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為6MN，極限承載力為10MN，工況B條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為10MN，極限承載力為14MN，工況C 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為18MN，工況D條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為18MN，極限承載力為26MN；樁直徑的增加可以顯著提高的鉆孔灌注樁的承載力，在相同的樁頂位移條件下，樁徑越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大。

圖2 不同樁直徑條件下樁頂荷載-位移計(jì)算結(jié)果

圖3 為不同樁長對鉆孔灌注樁承載力的影響計(jì)算結(jié)果。從圖3中可以看出，樁長的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規(guī)律不會產(chǎn)生明顯影響，所有工況下的曲線均隨著荷載的增加，位移呈現(xiàn)分段漸進(jìn)式非線性增加的變化規(guī)律，在樁頂位移小于10mm時(shí)，樁頂?shù)暮奢d-位移曲線斜率較小，而樁頂位移超過10mm 后，樁頂?shù)暮奢d-位移斜率突然增加，樁基的位移超過一定的范圍后，認(rèn)為樁基的承載力達(dá)到了極限；工況E條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為6MN，極限承載力為12MN，工況C條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為18MN，工況F條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為20MN，工況G條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為14MN，極限承載力為20MN；樁長的增加可以顯著提高的鉆孔灌注樁的承載力，在相同的樁頂位移條件下，樁長越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大。

圖3 不同樁長條件下樁頂荷載-位移計(jì)算結(jié)果

圖4 為不同彈性模量對鉆孔灌注樁承載力的影響計(jì)算結(jié)果。從圖4中可以看出，彈性模量的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規(guī)律不會產(chǎn)生明顯影響，所有工況下的曲線均隨著荷載的增加，位移呈現(xiàn)分段漸進(jìn)式非線性增加的變化規(guī)律，在樁頂位移小于10mm 時(shí)，樁頂?shù)暮奢d-位移曲線斜率較小，而樁頂位移超過10mm后，樁頂?shù)暮奢d-位移斜率突然增加，樁基的位移超過一定的范圍后，認(rèn)為樁基的承載力達(dá)到了極限；工況H條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為8MN，極限承載力為14MN，工況I 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為10MN，極限承載力為16MN，工況C 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為18MN，工況J 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為14MN，極限承載力為20MN；彈性模量的增加可以顯著提高的鉆孔灌注樁的承載力，在相同的樁頂位移條件下，彈性模量越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大。

圖4 不同彈性模量條件下樁頂荷載-位移計(jì)算結(jié)果

3 鉆孔灌注樁施工工法分析

鉆孔灌注樁的施工流程較為復(fù)雜，施工質(zhì)量與過程管控和地質(zhì)條件的各種因數(shù)相關(guān)。結(jié)合山西省陽泉市某房建工程實(shí)際，樁基礎(chǔ)的施工選用泥漿護(hù)壁、旋挖鉆機(jī)成孔的方式進(jìn)行施工，施工鉆機(jī)型號為KTY4000型鉆機(jī)，搭配六翼式刮刀、滾刀兩種鉆頭，鉆機(jī)的穩(wěn)定性能好，成孔效率高，故障頻率低，能夠滿足場區(qū)地層的旋挖鉆進(jìn)。鉆孔灌注樁的總體施工流程如圖5所示。

圖5 旋挖鉆孔灌注樁的總體施工流程

在樁基施工過程中，首先對樁基位置采用全站儀或者GPS RTK進(jìn)行定位放樣，放樣精度控制在50mm以內(nèi)，開孔前對樁基上部采用鋼護(hù)筒防止土層坍塌，鋼護(hù)筒的厚度為10mm，在護(hù)筒的刃腳采用10mm 鋼板進(jìn)行加固；旋挖鉆進(jìn)時(shí)，采用優(yōu)質(zhì)黏土泥漿進(jìn)行護(hù)壁，同時(shí)為了避免塌孔導(dǎo)致的樁基縮徑和斷樁，應(yīng)始終保持孔內(nèi)水頭高于地下水位1m以上，必要時(shí)可以通過摻入外加劑的方式改善泥漿質(zhì)量，泥漿的相對密度控制在1.1～1.2，黏度控制在18Pa～24Pa，含砂率不超過4%，膠體率大于95%，失水率小于20ml/30min，酸堿度pH 為8～10。

旋挖正常鉆進(jìn)過程中保持鉆速穩(wěn)定，合理調(diào)整和掌握鉆進(jìn)參數(shù)，加接鉆桿時(shí)，將鉆頭提高80mm～100mm，然后將導(dǎo)管內(nèi)的鉆渣清除干凈后再停泵接桿。泥漿可以導(dǎo)入沉淀池，沉底后循環(huán)使用，鉆孔完成后對孔深、孔徑、傾斜度進(jìn)行檢測，清孔保證孔內(nèi)沉渣厚度不超過300mm。

樁基鋼筋籠在工廠內(nèi)加工完成，每節(jié)段鋼筋籠長度一般不超過18m，受力鋼筋間距誤差控制在±20mm，鋼筋保護(hù)層厚度控制在±10mm，在鋼筋籠內(nèi)設(shè)置聲測管，聲測管采用圓形鋼管，鋼管直徑為54mm，壁厚度為1.4mm，鋼筋籠的吊裝采用25t汽車吊完成，吊裝和運(yùn)輸過程中保持鋼筋籠的牢固，避免產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。

4 結(jié)語

以山西省陽泉市某房建樁基礎(chǔ)工程為研究對象，運(yùn)用仿真分析的手段，建立了單樁鉆孔灌注樁三維分析模型，研究樁長、樁彈性模量以及樁直徑對其豎向承載力的影響，并提出相應(yīng)的施工工法，得到以下結(jié)論：

（1）樁直徑、樁長和彈性模量的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規(guī)律不會產(chǎn)生明顯影響，曲線均隨著荷載的增加，位移呈現(xiàn)分段漸進(jìn)式非線性增加的變化規(guī)律。

（2）在相同的樁頂位移條件下，樁直徑、樁長和彈性模量越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大，實(shí)際工程中可以改變這3個(gè)影響參數(shù)增加樁承載力。

（3）結(jié)合工程實(shí)際，提出了泥漿護(hù)壁、旋挖鉆機(jī)成孔的樁基施工方式，并針對施工過程中關(guān)鍵控制點(diǎn)提出了相應(yīng)技術(shù)要求，為保證樁基的質(zhì)量控制提供了良好的基礎(chǔ)。