大直徑超長鉆孔灌注群樁基礎關鍵技術研究

孟續東，何武超

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

1 國內研究現狀

隨著我國大型基礎設施工程建設技術的發展，鉆孔灌注樁施工技術不斷提高，在軟土地區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中。然而，當前國內主要設計規范計算理論依然是基于常規樁長的小直徑樁基礎，國內學者已開始了針對大直徑超長鉆孔灌注樁方面的研究，并以荷載試驗與有限元數值分析為手段，研究了包括超長鉆孔灌注樁側阻與端阻發揮機理、極限承載力下荷載與位移曲線、大直徑樁基礎尺寸效應、群樁基礎沉降計算理論等，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一標準，建筑業一般以樁徑大于0.8m，樁長大于60m界定，橋梁行業則把大樁徑定義為大于2.5m的樁基礎。根據試驗研究成果，大直徑超長樁基礎樁極限側阻力與樁端極限承載力并非同步發揮，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生樁身側阻的基本傳力機制[1]。由于土層特性不同，樁身側阻的極限承載力發揮存在差異，砂性土發揮極限側阻承載力所需位移明顯大于粘性土。根據試驗研究[2]，砂性土層在22～27mm范圍達到極限位移，而淺層黏性土則在6～17mm范圍達到極限位移。

土層埋深對其極限側阻發揮特性影響很大[3]，由于超長樁為非剛性樁，根據荷載試驗研究成果，上層土體樁身側阻先于下層土體發揮至極限，并在達到極限側阻之后，發生剪切破壞，側阻減弱，出現側阻軟化現象[4]。

樁端阻力的發揮滯后于樁側極限側阻力，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阻力、端阻力發揮影響明顯，較厚的沉渣將導致樁端刺入型破壞[3]。沉渣的“軟墊”效應對樁端阻力影響不大，但明顯增加下部樁身側阻力發揮需要的位移。在實際工程中，一般嚴格控制沉渣厚度，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，即長徑比達到一定值，樁端阻力將不再發揮作用[4]，其表征為深度效應[5]。基于以上結論，業界部分人士提出“有效樁長”這一概念，并區別于已普遍達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。“有效樁長”的計算方法目前尚不明確，但其研究對于設計規范的研究具有一定意義。

大直徑樁基尺寸效應對樁側阻力的影響主要表現為，大直徑樁基較厚泥漿護壁泥皮，以及大直徑機械鉆進導致土體松弛從而降低了土體樁側摩阻力。于此同時，樁端土土體開挖后處于超固結狀態，導致土體反彈而強度降低，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阻力的發揮[7]，但是較大樁土剛度比增大，會使群樁基礎基樁分布越發不均與，呈現外側樁荷載大[8]，內側樁分擔荷載小的趨勢明顯，整體群樁基礎沉降增大[9]。

根據以上荷載傳遞特性，可以看出傳統靜力計算公式并不符合超長樁的實際荷載傳遞機理，而在實際設計與應用中，多是以通過增加樁徑與樁長、選用堅硬的持力層以達到提高樁基承載力和減小樁基礎沉降的目的，并彌補規范公式中對大直徑超長鉆孔灌注樁荷載傳遞機理考慮的不足。

3 樁徑、樁長、樁間距與群樁效應系數

群樁基礎周圍邊樁與承臺內部樁受力差別大，且荷載分擔比例不同，呈現群樁效應。于此同時，側阻發揮次序不同，邊樁與單樁類似，從樁頂開始發揮，而內樁則是從樁底開始發揮，邊樁側摩阻力明顯大于內樁，當邊樁達到樁周土極限承載力而發生破壞時，內側樁側摩阻力并沒有充分發揮[8]。

進一步分析可知，樁數增加、樁間距減小、樁長增加、樁徑增大將使群樁系數減小。一般來講，超長鉆孔灌注樁間距大于10D，可不計群樁效應系數[10]。

群樁效應系數的計算方法有很多，目前常用的方法有：（1）考慮群樁實體基礎周邊長的方法；（2）Converse-Labrre群樁效應系數法；（3）Seiler-Keeney群樁效應系數法；（4）考慮承臺、樁、土相互作用分項群樁效應系數法；（5）考慮應力疊合的群樁效應系數法。而基于地基土應力疊加的群樁效應系數法能夠綜合考慮樁數、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系數的技術[11]。

現行規范大多是以概念布樁設計提出樁間距要求，達到便于簡化計算并忽略群樁效應，從而留給工程更多安全儲備。

4 沉降計算理論

目前國內主流規范群樁基礎沉降計算采用等代實體深基礎理論，即采用外圍樁外側邊緣連線構成的面積為荷載作用面，選用樁端土為計算起始土層，采用等效分層總和法計算壓縮土層沉降，區別在于沉降計算修正系數、樁端面的附加應力和壓縮土層的計算深度的確定方法不同。

美國橋梁設計規范采用荷載與抗力系數設計法計算沉降，荷載作用面積同樣取外圍樁面積，等效基礎底面調整至樁入土深度的2/3處，該規范考慮了樁身彈性壓縮量。

通過以上計算理論分析，并結合大直徑超長鉆孔灌注群樁基礎自身特點，超長樁將不能視作剛體，沉降應充分考慮樁身壓縮變形。同時，軟土地基中大型群樁基礎承臺對土層施加的附加應力作用對于沉降計算將轉變為主要控制因素，不可忽略。

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力向下擴散作用影響著群樁計算方法被提出[12-13]。該計算方法與試驗數據比較接近，說明該方法能夠較好地適應大直徑鉆孔灌注群樁基礎的沉降計算。于此同時，超長樁樁端持力層高應力狀態下的壓縮模量的取值是導致計算沉降與實際沉降偏差較大的重要原因。

5 施工工藝與技術

軟土地基上的超長大直徑群樁基礎往往需要穿越較厚的軟塑和流塑狀土層，到達較硬的巖石持力層，選用合理的鉆孔設備和成孔工藝是順利成孔的難點。大直徑超長鉆孔灌注樁多采用氣舉反循環成孔，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。當穿越卵石、漂石層時，刮刀式鉆頭易發生卡鉆和堵管，從而使鉆進速度放慢，降低鉆進效率。根據寧波某工程施工經驗，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，也可加大鉆機功率并增加配重以提高破碎能力，增進鉆進效率。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，應慎用沖擊鉆。對于基巖均勻的土層可采用旋挖鉆成孔，但應注意避免斜面基巖導致斜孔，可采取的主要控制措施有加設先導圈、改進刀頭形式、增加配重和增設導向等。

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理、群樁效應、樁基礎沉降計算及施工關鍵技術的分析與總結，應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，塔墩分離的連續梁結構受力體系。中跨主梁采用鋼箱梁結構，邊跨為疊合梁，橋面寬29mm，采用V型鋼塔單索面設計。

根據地質詳勘報告，擬建場地25m以上淺層以海積相淤泥質土和粉、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，地質條件差；埋深60m以下深部土層工程性質較好，埋藏適中，可作為橋梁工程樁基持力層。

結合大橋總體分析計算及場地地質條件，大橋基礎的總體概念設計考慮施工、工程造價等因素，以差異沉降為主要控制因素確定單樁承載力安全系數，進行不同樁徑，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，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。

根據靜載試驗報告，主橋樁基礎承載力能力較為充足，差異沉降能夠滿足規范要求，試驗結果如表1所列。

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6 結 語

大直徑超長鉆孔灌注樁越來越多地被應用于大型建筑工程，以及橋梁工程當中，其荷載傳遞機理不同于普通常規樁基礎，現行主流規范設計已明顯不再適用。工程設計師應結合工程經驗，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，重視概念設計，以達到既滿足設計使用需求，同時也能降低基礎工程造價的目的。