鉆孔灌注樁豎向承載力影響因素

陳智勇，陶旭光，時閩生

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

在橋梁建設中，由于鉆孔灌注樁適應能力強、成本適中、施工簡便等優勢而被廣泛應用。但灌注樁基礎屬于隱蔽工程，大部分為濕法作業需在水下進行，影響灌注樁施工質量的因素很多，質量檢查也比較困難。因此，遇到灌注樁承載力不滿足設計要求時，需要認真謹慎地分析各方面的原因，以便糾正施工薄弱環節，不斷推動技術革新。

1 工程概述

境外某跨海大橋設計全長24 km，整個主橋和引橋區段采用鋼管樁、PHC管樁和鉆孔灌注樁3種樁基型式。

在主橋墩和一側引橋的淺灘區域擬采用鉆孔灌注樁，并分別進行了鉆孔樁的試樁。首先，在主橋墩進行鉆孔樁試樁，樁徑2 300/2 000 mm，樁長為進入泥面約113 m，嵌入中等風化基巖4 m，采用自平衡試驗方法，主要測算鉆孔樁的側壁摩阻力。測試結果為樁側摩阻力值不理想，遠遠不能滿足設計要求。試驗之前對試樁完整性進行了檢測，為I級樁。

此后，在引橋區陸域的鉆孔灌注樁試樁上進行了靜載荷試驗，樁徑1 800/1 500 mm，樁長為進入地面（標高約+1.0 m） 以下約90 m，樁端以頁巖強風化層為持力層。試驗結果表明，試樁在設計荷載下沉降較大，不能滿足要求。具體為：在加載至使用荷載時，樁頂沉降量達到25.45 mm，其中樁底沉降量為14.75 mm，樁身壓縮量為10.7 mm，大于設計要求的12.5+10.7（樁身壓縮） mm；在加載至2倍使用荷載時，樁頂沉降量達到81.42 mm，其中樁底沉降量為59.78 mm，樁身壓縮量為21.64 mm，大于設計要求的38.0+21.64（樁身壓縮） mm。試樁的Q-s曲線見圖1所示。由預埋在樁內的基康振弦應變計測得的摩阻力值在約50 m以上土層中遠小于勘察報告提供的設計參數推薦值，而50 m以下土層中該值與推薦值比較接近，具體見表1所示。

通過初步分析，對鉆孔灌注樁豎向承載力不足的影響因素，可能存在以下幾種情況：

1） 鉆孔灌注樁質量控制不好，造成樁體有縮徑、斷層、夾泥等嚴重缺陷。

2） 勘察報告提供的地基土的樁基設計參數推薦值是否偏高，造成設計計算的單樁極限承載力值偏高。

3） 上部土體較靈敏，鉆孔樁成孔時土體向樁孔方向應力釋放較多，試樁時樁側土應力與成孔前相比差異較大，導致側摩阻力降低。

4） 樁側壁與地基土之間泥漿沉積浸潤，導致樁土接觸面泥皮較厚，限制了土體摩擦力的發揮。

表1 鉆孔樁試樁實測摩阻力值一覽表

5） 樁底沉渣較厚，導致樁端不能承受來自上部樁身傳遞的作用力。

6） 樁端部持力層為強風化層，原位鉆孔顯示巖石粉末較多，在成樁過程中吸取泥漿中的大量水分，造成持力層飽水軟化，樁端壓實過程導致總沉降過大。

2 影響因素分析

2.1 樁體質量

在樁體澆筑完成18 d以后，檢測單位對樁體完整性進行了超聲波跨孔檢測。檢測是在預埋的4根50.8 mm（2英寸）鐵管中進行的，主要評價鉆孔樁的完整程度。檢測結果顯示：該鉆孔樁完整性等級為I～II級，在40.3～42.6 m處由于檢測波能量衰減，可能存在輕微缺陷，為II級，其余深度處為I級。根據工程經驗，II級樁雖有輕微缺陷存在，但不影響樁身結構承載力。I、II級分布情況見圖2。

根據超聲波檢測結果可以判定，本案例中的鉆孔樁樁體輕微缺陷影響不大，且樁端部混凝土質量較好，沉渣不明顯，證明樁身質量不是造成承載力不足的原因。樁的垂直度在成孔后也進行過量測，表明樁垂直度滿足要求。

2.2 地層資料

通過對比表1中鉆孔樁側摩阻力的設計推薦值和實測值，發現在淺部52.0 m以上的地基土層中兩者差異較大，尤其是23.5～52.0 m深度范圍，而在52.0 m以下則相對比較接近。但整體表現為實測值比推薦值小。

該工程陸續進行了鋼管樁、PHC管樁的試樁，其中鋼管樁的樁徑為1 600 mm，樁長為進入泥面76 m，PHC管樁的樁徑1.0 m，樁長為進入泥面56.0 m。兩組試樁的豎向承載力均滿足設計要求，實測側摩阻力值分別見表2、表3。

通過對比表1、2、3中地層性質和實測數據，發現在鉆孔樁中淺部土層幾乎沒有發揮作用，而在類似地基土發育規律的預制樁樁型條件下，淺部地基土層均能提供較高的摩阻力，PHC管樁表現尤為明顯，說明地基土本身的承載能力沒有問題，根據地層資料提供的樁基設計參數推薦值是可靠的。

表2 鋼管樁試樁實測摩阻力值一覽表

表3 PHC管樁試樁實測摩阻力值一覽表

2.3 土的應力釋放

同樣的地質條件下，在鉆孔樁和預制樁中側摩阻力如此大的差異，是極其不正常的?？紤]到不同樁型的成（沉）樁機理，分析認為鉆孔樁施工過程中土的應力釋放程度會對豎向承載力造成一定的影響。因為預制樁是擠土樁，沉樁后，經過一段時間的孔隙水壓力消散，樁周土體的密度是在增加的，長期來看，土體性質是增強的。而鉆孔樁是非擠土樁，在成孔過程中，周圍土體因應力釋放向樁孔中心移動，樁周土體的密度是減小的，雖然長期來看，土體性質會因時效作用逐漸恢復，但恢復后的土體性質與原始土體相比仍會有一些差異。

文獻 [3-4]對軟土中不同樁型豎向承載力進行了時效性的分析，論證了時間效應對豎向承載力的影響，但同時也指出對于鉆孔樁，不宜擴大樁豎向承載力的時效作用。筆者比較認同此觀點，不但表現在飽和軟土層中，在砂土層也是如此。因為鉆孔樁雖然在時間效應下，土體性質逐漸恢復，但是成孔后變疏松的土體并沒有受到來自樁體的擠壓作用，土顆粒排列程度在自重應力作用下重新完成固結過程，不可能完全恢復甚至超越原土體的性質。所以土體性質會比原始土體略差，具體的差異程度可以通過靜力觸探試驗或標準貫入試驗等原位測試手段進一步驗證。

因此，鉆孔樁的施工應重視土的應力釋放對樁側摩阻力的影響。土的應力釋放跟成孔的時間和清孔方式有較大關系。成孔時間越長，土體向樁孔移動時間也越長，直至達到臨界平衡狀態；清孔時反循環的抽吸作用又促進了土的應力釋放程度。本案例中的鉆孔樁成孔持續8 d時間以及反循環的清孔方式均為不利因素。

2.4 樁側光滑度

泥漿在鉆孔樁成孔過程中主要起到搬運渣土、保護孔壁穩定等重要作用，在粗顆粒土層中尤為重要。在試樁位置23.5 m以上為細粒土，下部土層逐漸夾中粗砂，在40.5 m以下為較純的中粗砂層，含少量的礫石顆粒，黏粒含量較少，在成孔過程中必須對泥漿濃度嚴格控制，絲毫不能馬虎，以防塌孔。然而，泥漿濃度過厚，會造成孔壁形成較厚的泥皮，使樁體和土體分離，并起到潤滑的作用，從而限制了樁側土層摩阻力的發揮。泥漿維持時間越久，泥皮的形成也會越牢固，引橋鉆孔樁成孔時間持續8 d，而主橋鉆孔樁則時間更長，約兩周。

文獻 [5]中某工程4根試樁，φ1 000 mm，樁長62 m，設計標準值5 500 kN。清渣后實測的S1、S2、S3、S4樁泥漿比重分別為1.25、1.23、1.13、1.15，靜載荷試驗得到的單樁極限承載力值分別為4 000、7 000、≥11 000、≥11 000 kN。在地下室開挖時，可以看到其中S1、S2樁樁側被一層厚度較大的泥皮所包裹，而S3、S4樁樁身混凝土與樁周土體接觸較好。證實了泥漿比重大，必將使泥皮厚度增大，影響樁側土層摩阻力的正常發揮。

為了驗證鉆孔樁試樁樁側是否存在較厚的泥皮，曾對主橋墩鉆孔樁試樁側壁采用全芯取樣的方式進行了泥皮采集。根據采集到的一些樣本，由泥漿固結形成的泥皮形態明顯，個別較厚的達10 mm。因此認為，本工程中鉆孔樁試樁樁側泥皮過厚可能是造成試樁豎向承載力不足的主要原因之一。

文獻 [6]中提到鉆孔的孔壁形狀應有一些變化，成鋸齒形，應避免鉆孔過于平直、光滑，傾向于鉆進過程有些晃動的鉆機，此說法也不無道理，目的同樣是為了能使鉆孔樁側壁光滑度降低，使樁側土體摩阻力能得到更好發揮。

總之，泥皮過厚、側壁太平整的情況下，會使鉆孔樁側壁阻力大打折扣，從而影響單樁豎向承載力。

2.5 樁底沉渣

該鉆孔樁設計時主要靠側壁摩阻力提供承載能力，當樁側阻力不足時，樁端持力層也能發揮一定的承載作用。因此，如果樁底存在沉渣必然影響樁的極限承載力和沉降。該樁分別在成孔后和澆筑前進行了2次空壓機導管反循環清孔，反循環工藝清孔效果一般都比較理想；另一方面，根據超聲波跨孔檢測的圖形觀察，未見明顯的樁底缺陷；而且，在試驗靜載過程中較早階段就檢測到了端部力。以上都說明了樁底混凝土結構較完整，印證了端部沒有嚴重的沉渣影響。

2.6 強風化頁巖飽水軟化

引橋根部的鉆孔樁的樁端持力層為頁巖強風化層，該層工程地質特征為：極堅硬，原巖沿節理裂隙面風化嚴重，巖芯采取率低（取芯管采用較先進的NMLC型號單動三重管），一般不足40%，芯樣多呈碎塊狀，少量為短柱狀，標準貫入試驗擊數則遠大于50擊。

實際觀察鉆孔取芯得到的巖石土體樣本，樁端部持力層位置的強風化特征非常明顯，且存在大量的巖石粉末和巖石顆粒。因為該灌注樁為泥漿護壁濕法作業，在鉆頭研磨該層土體時，會導致該層結構飽水，進而出現持力層軟化現象。因為樁端部缺乏嵌固，才導致在土體側阻力不足的情況下，沉降過大。

觀察試樁的Q-s曲線（見圖1），發現沉降曲線明顯為緩變型曲線，且未出現明顯的破壞點，只是隨著樁端位移的進一步增大實測到端部阻力也不斷增大。說明只要端部軟化巖層被壓實就會有更高的端阻力出現，但此時樁體沉降量已超過規范要求。

以往經驗在設計端承灌注樁時，一般端部持力層都不會選用頁巖強風化層，而是選取下部巖層或密實砂層，正是基于這一方面的考慮。頁巖為力學強度相對較低的軟質巖石，這類巖石出露地表易風化，常出現膨脹、泡水易軟化的現象，軟化系數0.26～0.5，飽和抗壓強度0.14～1.2 MPa，其中石膏、鹽巖長期在地下水溶蝕作用下易產生溶洞或溶溝。若選擇這些巖石作為地基持力層，則建筑物易產生工程基礎滑移、不均勻變形，山體及工程建設場地邊坡沿軟弱面產生滑坡等地質災害，因而這類巖層對工程建設不利。

3 結語

本工程中對鉆孔樁豎向承載力的主要影響因素為：土的應力釋放程度、孔壁光滑程度（包括孔壁的鉛直度和泥皮厚度）以及持力層性能等。因巖土復雜性和鉆孔樁施工隱蔽性的特點，施工中稍有疏忽，便會出現各種不確定的

因素?，F有的工程經驗中也有很多避免或解決此類問題的方法，但控制不當往往會出現此消彼長的情況。因此，鉆孔樁尤其是超長大直徑樁對施工技術要求和施工過程的控制至關重要，以保證鉆孔樁有足夠的承載能力，否則，只能通過增加樁長或樁數等方式才能達到設計要求，增加了費用的同時又加大了風險。因此，如何權衡工程安全、施工難度、工程成本、施工速度等因素，以及對樁型進行最優化是一門值得深入研究的學問。

[1]JGJ94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[2] 張宏，夏偉，陳定平.超長鉆孔灌注樁成孔質量檢測與驗算[J].公路與汽運，2009（4）：195-198.

[3] 陳蘭云，陳云敏，張衛民.飽和軟土中鉆孔灌注樁豎向承載力時效分析[J].巖土力學，2006（3）：471-474.

[4] 葉為民，黃甫，唐益群，等.飽和軟土中打入式預制樁單樁承載力的時效性[J].巖土力學，2000，21（4）：367-369.

[5] 董金榮，鄭朝輝.超長大直徑鉆孔灌注樁檢測[M]//樁基工程設計與施工技術.北京：中國建材工業出版社，1994：216-221.

[6] 樓曉明，陳強華，俞有煒，等.鉆孔灌注樁承載力異常現象分析[J].巖土工程學報，2001（5）：547-551.