超長鉆孔灌注樁施工及承載試驗研究

戴湘波

（廣東冠粵路橋有限公司，廣州 511400）

1 引言

隨著我國公路橋梁建設規模的不斷擴展，橋梁工程建設面臨的地質、地形、水文、生態等環境愈發復雜。在大范圍軟土地基所構建的跨河橋梁多采用樁基礎進行結構加固，超長鉆孔灌注樁具備承載能力強、操作簡便等優點，被廣泛應用于橋梁樁基礎施工中。關于超長鉆孔灌注樁（＞90 m）的承載機理及試驗相關研究相對較少，其設計標準多以中短鉆孔灌注樁為基礎，導致樁的關鍵參數設計偏保守，因此，超長鉆孔灌注樁承載力學特性研究十分有必要。

2 工程概況

甘肅省S10 鳳縣（陜西）至合作（甘肅）高速公路卓尼至合作段一期工程路基、橋梁、隧道工程ZH04 標段位于甘肅省甘南州臨潭縣，設計起終點K75+810.5～K81+768，長約5.958 km；公路等級為雙向四車道高速公路，設計時速V=80 km/h；有特大橋1 座，計長1 207 m；大中橋1 座，計長186 m；隧道2 座，長3 457.5 m，以及其他構造物工程等。標段第二聯主橋跨越西溝河東岸的公園及西溝河，為了降低建橋對公園景觀的影響，減少公園內的橋墩數量，橋跨布置為55 m+3×100 m+55 m，采用預應力混凝土變截面連續剛構；主橋下部結構中，4～7 號主墩采用雙薄壁實心矩形截面，主墩縱橋向尺寸為6.0 m，單肢縱橋向截面尺寸為1.5 m，橫橋向截面尺寸為6.5 m，等截面布置。主墩承臺厚4.0 m，主墩下部基礎采用9 根φ1.8 m 鉆孔灌注樁基礎。3 號、8 號過渡墩采用矩形空心薄壁截面，截面尺寸橫橋向為6.0 m，縱橋向為2.5 m、3.0 m（其中3 號墩為2.5 m），壁厚50 cm，承臺厚2.5 m、3 m，樁基為4 根φ1.8 m 的鉆孔灌注樁。場地分布有大范圍軟土地基，土層巖性如表1 所示，項目組對選取的超長鉆孔灌注樁開展施工工藝及承載特性分析，以提供基樁的豎向承載力值，確保橋梁樁基礎的穩定性[1]。

表1 主墩樁位土層巖性參數

3 成樁施工關鍵技術

3.1 設備選取

本工程采取樁長90 m，樁徑1.8 m 的鉆孔灌注樁進行橋墩樁基礎施工，成孔深度約為96 m，現場需要采用大型反循環鉆機進行成孔施工。經現場綜合分析，擬采用泵吸反循環鉆機（型號GF400）配備直徑325 mm、長130 mm 的抗扭鉆桿、雙腰鉆頭進行施工成孔，該設備組合最大成孔深度160 m，成孔直徑4.5 m[2]。

3.2 泥漿制備

鉆孔施工需要構建泥漿池用于人造漿儲備，人造漿在鉆孔階段進行孔內循環。人造漿采用膨潤土施工制備，施工配比經試驗室內對比，獲取如下：水∶膨潤土∶纖維素=1 000∶85∶0.25，人造漿相對密度控制在1.03～1.05，黏度控制在22～24，含砂率小于0.45%，pH 為9～10，膠體率大于98%；清孔階段則需要補充部分泥漿，現場需要對泥漿性能進行動態監測及補充，以便其余孔位施工進行后續泥漿利用[3]。

3.3 鉆進成孔、清孔

鉆孔則采用反循環鉆進，依據不同土層巖性控制鉆進速度及鉆進壓力，其中，壓力需要控制在15～20 kN，泵量控制在100～150 m3/h；鉆桿轉速控制在25～40 r/min。初始鉆孔階段，鉆頭需要保持距離孔內渣面25 cm 左右，啟動泥漿泵進行2.5 min左右的沖洗循環；控制鉆速由慢至快，正常鉆進則需要合理控制相關參數，遇見易坍塌土層時，需要增大泥漿密度，保持孔壁穩定性。鉆至設計標高時，需要對孔內渣樣進行指標檢測，其次開展清孔工作（單次清孔2.5 h），沉渣指標滿足技術規范之后則可以提鉆；水下混凝土則在導管及鋼筋籠制安之后進行澆筑，此前則需要進行二次反循環清孔，清空采取空氣壓縮機（型號GFY-75G），清空壓力1～1.1 MPa。

3.4 樁底注漿

樁底注漿有助于改善單樁承載力，降低基礎沉降，注漿管可以采用樁基聲測管，樁基混凝土初凝結束之后開展壓漿孔制作，沖開壓漿管內部壓漿，保持灌漿通道暢通，其開塞壓力控制在4～5 MPa；水壓下降時，進行封閉閥門停泵處理（10～15 min），確保壓力消散。若出現水流外噴，則在閥門關閉的同時，隔2～4 min 觀察一次，至管內壓力完全消散[4]。

4 單樁承載試驗分析

4.1 試驗要求

檢測樁樁徑1.8 m，樁長90 m，位于5#墩中間位置，單樁設計容許承載值為6 800 kN，現場通過靜載試驗進行單樁承載特性分析。試驗樁沿樁長9 個控制截面布置傳感器，單個截面需要布置4 個傳感器，壓力盒則需要布置在樁底位置。現場需要測定試驗樁在荷載13 600 kN（兩倍設計承載力）下的樁底及控制截面軸力變化情況，樁頂在荷載作用下的沉降值，以判斷樁基承載能力是否滿足設計要求[5]。

4.2 加載方案

加載方式主要以現場砂石配重進行堆載，加載系統具備25 000 kN 的加載極限，主要由配重、堆載平臺、沉降及應力觀測系統、起頂裝置等組成，系統應用如圖1 所示。試驗樁分級加載過程為：試驗樁加載之前需要進行試加載，對千斤頂、儀表系統使用靈敏度進行檢測，明確現場加載次序及技術人員職責；采取一次循環、分級、分階段進行加載，加載次序：0～13 600 kN，共分10 級加載，每次加載1 360 kN；至最大施加荷載13 600 kN 時，則需要進行5 次卸載，每級卸載2 720 kN。荷載施加過程中，單級荷載試驗樁沉降量在前一次施加荷載沉降量5 倍以上時，需要停止加載，此時取上一次施加荷載為極限值；當試驗樁累計沉降量在40 mm 以上時，且單次荷載施加24 h 之后沉降持續加大，且大于上一次荷載施加的2 倍，則停止加載，極限荷載取上一次施加荷載。

圖1 加載系統示意圖

4.3 結果分析

4.3.1 沉降

現場對樁頂沉降數據進行監測統計，獲取圖2 所示荷載-沉降（P-S）曲線，結果表明，P-S 曲線整體變化較為平緩，試驗樁加載至最大荷載（13 600 kN），沒有出現轉折點；該試驗樁整個加載階段不存在拐點處；樁頂沉降變形速率相對于壓漿后明顯要大；設計選取40 mm 處荷載值作為試驗樁極限荷載，則明顯存在較大的承載富余空間；極限承載力和設計容易承載力之間的P-S 曲線呈線性變化，試驗樁具備良好的彈性變形能力，試驗樁彈性變形占據樁頂變形的主導地位，試驗樁在整個加載階段并沒有達到其承載極限[6]。

圖2 樁頂P-S 曲線

4.3.2 軸力

不同荷載施加情況下，試驗樁軸力隨深度分布情況如圖3所示。研究結果表明，試驗樁軸力整體隨深度變化分布呈凸形，且樁頂位置的軸力隨深度變化速度明顯大于其余位置；軸力變化幅度在深度55 m 處呈現快速衰減的趨勢，大于55 m 深度處的軸力則快速衰減至0。樁身軸力在15 m 地下位置存在較快的衰減速度，大于15 m 地下的樁身軸力則具備較小的變化趨勢；樁頂荷載軸力變化隨施加荷載的增大而呈大幅增加，樁底位置處的樁身內部軸力變化幅度較小，且隨著樁身斷面距離樁頂越大，其軸力值也越小，這主要歸因于樁側土存在一定的側向摩阻力，摩阻力隨著施加荷載的增大而不斷增大[7]。

4.3.3 極限承載力

現場試驗樁P-S 曲線不存在明顯拐點，且未檢測到基樁極限荷載，這對結構安全經濟性來說不能夠提供有效參考。為此，本文規定以下試驗樁容許承載力確定方法：采用回彈曲線割線斜率配合安全系數的方式進行承載力容許值確定，P-S從初始點位置畫一條平行于卸載曲線斜率的割線，該割線和P-S 曲線相交處荷載值則為荷載設計容許值（8 750 kN）。項目設定安全系數為2，則經計算可得極限承載力為17 500 kN。試驗樁的承載能力富余程度較高。

5 結語

橋梁工程面臨的環境愈發復雜，超長鉆孔灌注樁的應用范圍極大。超長鉆孔灌注樁的承載特性對于施工參數的獲取極其關鍵，本文依托軟基地區具體橋梁工程項目開展超長灌注樁施工及承載力學響應分析，獲取試驗樁P-S 及樁身軸力變化規律，所設計的試驗樁能夠滿足承載力相關要求，本文研究內容能夠為相關工程研究提供重要理論參考。