人工挖孔樁技術在山地步道工程中的應用研究

陳崇龍

（福建建工集團有限責任公司）

樁基礎是一種具有悠久歷史且在現代社會中仍廣泛使用的基礎形式，其作用是承受上部結構荷載，并將荷載傳遞給樁周及樁端持力層，從而保證建筑物或構筑物滿足安全性和適用性[1-3]。其中，人工挖孔樁因其具有施工設備簡單、操作方便，對周圍環境影響較小，樁體承載力大、布樁容易，造價相對低廉等優點，被廣泛應用于道路、橋梁及建筑等工程領域[4-6]。

為全面提高橋梁施工建設質量水平，袁順才[7]以某高速公路橋梁項目為例，探討了人工挖孔樁技術應用于高速公路橋梁建設中的技術要點，認為護壁施工時應秉持項目動態管理，從而保證項目的支護效果。高亮[8]以某公路工程為實例，對人工挖孔樁技術施工過程中存在施工平臺過大、護壁變形開裂、挖孔樁棄渣和棄方處理等問題進行分析，并根據工程實際情況提出了相應的解決措施，從而保證了人工挖孔樁施工質量。曾寶忠[9]對人工挖孔樁技術在橋梁工程中的應用進行了研究，認為人工挖孔樁開工前應檢查井口圍護結構是否穩固，開挖過程中及時做好護壁施工，且當挖孔深度超過10m，應在施工作業面布置通風設施，以保證施工人員的人身安全。周福南[10]以廈門雙十中學（海滄附校）工程為例，分析了人工挖孔樁技術應用于軟基土層中的要點和難點，認為通過局部固結軟基土層的方法可以有效提高軟土地基的承載力，從而保證人工挖孔樁順利施工。

綜上所述，眾多業內人士已經對人工挖孔樁技術在工程上的應用展開研究。沿著上述思路，針對山地步道工程項目要求施工過程中盡量不影響周圍環境及其所處位置交通不便等問題，本文提出采用人工挖孔樁技術應用于山地步道工程，并以福州市大腹山山地步道為例對其展開研究，分析山地步道工程中人工挖孔樁的施工流程及其技術要點，并對完工后的工程樁抽樣檢測再進行數值模擬研究，分析工程樁的樁身混凝土強度及完整性。

1 工程概況

大腹山山地步道（第1 標段）位于福州市鼓樓區，路線起于五鳳山公園，途徑福大軟件學院、網訊科技和老虎坑水庫，止于軟件園公園，全長2438m。上部主體結構采用雙鋼梁，橋面寬度6000mm，橋面總厚度163mm，由100mm 厚的鋼筋混凝土墊層、50mm 厚的瀝青混凝土基層和13mm 厚的塑膠面層組成。下部結構采用262 根人工挖孔灌注樁為基礎，樁基直徑1200mm，最小設計長度8000mm，實際樁長根據現場實勘地質條件而定，樁基進入持力層深度由土層性質確定，對于強風化花崗巖、碎塊狀花崗巖和中風化花崗巖，樁基進入持力層的深度分別為3600mm、2400mm和1000mm。

2 工程地質條件

根據已有地質資料及現場鉆探，結合土工試驗結果可知，大腹山山地步道工程地質條件如下：①坡積粘性土：淺紅色，含少量中粗粒石英和高嶺土，局部夾雜30 mm～140mm 的碎石，揭示厚度為1.30m～13.90m。②全風化花崗巖：肉紅、褐紅色，含中粒石英及長石顆粒，揭示厚度為0.10m～5.90m。③砂土狀強風化花崗巖：灰黃色，含粗粒石英、長石顆粒及云母片，揭示厚度為1.10m～30.40m。④碎塊狀強風化花崗巖：灰黃色，含云母片、長石及石英，揭示厚度為0.80m～20.70m。⑤中、微風化花崗巖：以淺黃色為主，含石英、長石、角閃石顆粒及云母片，揭示厚度為1.13m～9.50m。

3 施工流程及技術要點

3.1 施工流程

大腹山山地步道人工挖孔樁的施工流程如下所示：

測量放樣→開挖第一節樁孔土方→支護壁模板澆護壁混凝土→待混凝土強度達1.5MPa 后拆模→開挖第二節樁孔土方→以此類推至設計巖層→進行樁底大頭施工→清孔終孔檢查→吊放鋼筋籠、安裝預埋鋼板→澆筑樁身混凝土→樁基檢測。

3.2 技術要點

⑴測量放線：檢查復核控制樁點基線尺寸是否符合點位，用GPS 及鋼尺測出各軸線和樁位，并在樁心定位上作出標記。

⑵土方開挖：開挖時先中間后周邊，每一節樁孔土方開挖深度為1000mm，開挖完成后均應檢查中心點及幾何尺寸是否符合要求，擴底部分先挖樁身圓樁體，再挖擴底尺寸。

⑶護壁施工：在每一節樁孔土方開挖完成后，均采用150mm后的C30混凝土作為護壁，“八字”形布置，并進行混凝土強度試驗以保證護壁混凝土強度。護壁遵循“多循環、短進尺、強支護”的原則。

⑷樁基混凝土澆筑：挖孔達到設計深度后，清除孔底沉渣，并下放鋼筋籠，澆筑樁基混凝土。樁基混凝土強度等級為C30，坍落度控制在30mm～50mm。施工時，樁基混凝土由串桶導管導入井底，每層澆筑高度不得超過1.0m，并分層搗實直至樁頂。

4 人工挖孔樁質量檢測

鉆芯法是一種局部破損檢測方法，在人工挖孔樁質量檢測中得到廣泛應用，其原理是通過對鉆芯芯樣混凝土的膠結情況、有無蜂窩麻面及強度等綜合判定樁身的混凝土強度及完整性是否滿足設計要求。因此，本節采用鉆芯法對本工程的人工挖孔樁進行質量檢測，根據JRG/T 3512-2020《公路工程基樁檢測技術規程》相關規定[11]，選用鉆芯法對工程樁進行檢測時，抽檢數量不應低于總樁數的10%且不少于10 根，故本次隨機選取30根工程樁（A1～A30），每根樁取3 個芯樣，進行樁身混凝土強度及完整性檢測。

人工挖孔樁承載力多采用靜力堆載的方法測量，考慮該山地步道工程中共有262 根工程樁，且樁的長度長短不一，并結合項目工期要求，最終選取5 根（A3、A7、A17、A21 和A26）不同長度的工程樁進行靜載試驗。同時，采用ABAQUS有限元軟件對所選取的5根工程樁進行數值模擬分析，驗證數值方法的可靠性，并在此基礎上分析其余工程樁的承載力。數值模擬分析時，采用C3D8R 網格單元，并在模型周圍土體及其端部施加X、Y、Z 方向上的約束，在模型頂部分級加載，每級荷載為工程樁設計承載力的1/10，超過工程樁設計承載力后，采用位移控制加載，當樁身最大位移量為10mm 時，其所對應的荷載為極限荷載[12]。

4.1 樁身混凝土強度

根據文獻[11]，樁身混凝土芯樣抗壓強度由式⑴確定。

式中：fcu為樁身混凝土抗壓強度（精確到0.1），MPa；P為試件測得的破壞荷載（精確到0.01），kN；d為試件的平均直徑，mm。

鉆芯法樁身混凝土強度抽檢結果如表1 所示。由表1 可知，各工程樁的混凝土強度平均值均超過30.0MPa，其中A3 工程樁的混凝土強度平均值最大（38.6MPa），A1 和A21 工程樁的混凝土強度平均值最小（31.1MPa），表明工程樁混凝土強度滿足設計要求。此外，從表1 可以看出，A6、A13、A21 和A26 工程樁中各有1個芯樣試件的混凝土強度實測值小于30.0MPa，但總體而言，A6、A13、A21和A26工程樁的樁身混凝土強度平均值均達到了工程設計要求。

表1 樁身混凝土強度抽檢結果

4.2 樁身完整性

鉆芯取樣的同時，對樁身混凝土的完整性及樁底沉渣情況進行檢查發現，所選取的工程樁中除了A26 工程樁的1 個芯樣）側面存有少量蜂窩麻面外（其對應的抗壓強度為28.0MPa，其余各工程樁的芯樣均成長柱狀，且切口吻合良好，試件側面僅有少量氣孔，混凝土膠結狀態良好。根據表2 鉆芯法樁身完整性判定標準可知[11]，除了A26為Ⅱ類樁外，其余各工程樁均為Ⅰ類樁。

表2 鉆芯法樁身完整性判定標準

4.3 樁身承載力

靜載試驗測得的工程樁樁身承載力如表3 所示。從表3 可知，所選取的工程樁極限承載力與其設計承載力的比值處于1.09～1.20 之間，表明工程樁的承載力達到設計要求。進一步分析表中數據可知，工程樁極限承載力與樁長呈正相關，即樁長越長，工程樁的極限承載力越大，產生上述現象可能與樁側阻力有關，當樁的長度增加時，樁側與地基土接觸的面積增加，其摩阻力也隨之增大，最終表現為工程樁的極限承載力增大。

表3 樁身承載力

ABAQUS 有限元軟件對所選5 根工程樁的數值分析結果如表4 所示。分析表4 數據可知，當樁頂荷載達到設計承載力時，A3、A7、A17、A21 和A26 的位移量分別為8.558mm、9.601mm、9.442mm、9.033mm 和8.991mm，與表3靜載試驗實測的位移量對比可知，ABAQUS 數值分析結果與實測值的最大誤差僅為2.4%。此外，當模型的樁身位移為10mm 時，A3、A7、A17、A21 和A26 所對應的極限承載力分別為1226.83kN、1034.33kN、1227.02kN 1160.29kN 和1300.41kN，其與是實測值的最大誤差僅為6.0%，表明所選用的有限元分析方法能夠真實反應所選5 根工程樁的實際情況。最后，采用該有限元方法對其余工程樁進行數值模擬發現，各工程樁的豎向承載力均能達到設計要求。、

表4 數值分析結果

5 結論

本文以福州市大腹山山地步道工程項目為背景，探討了人工挖孔樁的施工流程及其技術要點，并對項目的工程樁進行抽樣檢測，所得主要結論如下：

⑴土方開挖時，應遵循“先中間、后周邊”的原則，并及時檢查中心點及幾何尺寸是否滿足設計需求。

⑵人工挖孔樁施工中，應及時做好護壁施工。護壁施工時，遵循“多循環、短進尺、強支護”的原則。

⑶鉆芯法檢測結果表明，所選取的30 根工程樁樁身混凝土抗壓強度均大于30MPa，滿足設計要求。

⑷鉆芯法檢測結果表明，除了A26 工程樁的芯樣側面存有少量蜂窩麻面外，其余各工程樁芯樣均成長柱狀，且根據鉆芯法樁身完整性評定標準可知，除了A26為Ⅱ類樁外，其余各工程樁均為Ⅰ類樁。

⑸ABAQUS 有限元分析結果與實測值吻合良好，其樁身位移量的最大誤差為2.4%，極限承載力的最大誤差為6.0%。