沖孔灌注樁單樁承載性能及施工要點(diǎn)研究

張義偉

沖孔灌注樁是工程中常見的一種樁基形式。本文依托實(shí)際工程案例，建立了復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁-土有限元數(shù)值模型，分析了不同巖面傾角工況下樁基沉降和極限承載力的差異，并對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下沖孔灌注樁的施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明：巖面傾角為45°和60°工況下，隨著荷載的逐步增加，不同樁長(zhǎng)工況下樁體沉降呈現(xiàn)出指數(shù)增加的規(guī)律，出現(xiàn)了明顯的塑性變形，樁長(zhǎng)越短越為明顯。巖面傾角為15°和30°時(shí)樁體沉降基本一致，而45°傾角工況沉降明顯增加，60°傾角工況下沉降達(dá)到了14.4mm，約為前兩種工況的兩倍。巖面傾角為45°和60°時(shí)，灌注樁發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，雖然單樁的極限承載力仍能滿足設(shè)計(jì)要求，但在設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)考慮到5m 超短樁不利受力的情況，及時(shí)采取有效措施，避免發(fā)生過大沉降。

樁基是工程中常見的地基處理方式，而在復(fù)雜地質(zhì)條件下樁基的設(shè)計(jì)和施工往往存在一定的難度，為此，許多研究人員進(jìn)行了一系列研究。

王麗歡等依托大型圍墾工程案例，通過靜載試驗(yàn)方法研究了軟土地區(qū)預(yù)加固對(duì)樁基豎向承載力的影響。楊建偉分析了建筑工程樁基施工過程中的樁端后注漿技術(shù)的應(yīng)用機(jī)理，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。李龍起等依托南玉高速鐵路跨黎湛特大橋項(xiàng)目，通過有限元手段研究了巖溶地區(qū)地基加固前后樁基承載特性的差異。張榮等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段對(duì)珊瑚礁地層中大直徑樁基的側(cè)摩阻力進(jìn)行了分析。薛鵬等通過數(shù)值模擬方法，對(duì)比研究了樁基支承梁與彈性地基梁的承載性能和變形規(guī)律的差異，結(jié)果表明彈性地基梁的承載能力更為優(yōu)異。馬驍?shù)韧ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)樁基施工誘發(fā)巖溶塌陷事故的機(jī)理模式進(jìn)行了分析，并提出了一系列的針對(duì)性防控措施。

本文通過有限元方法，建立了復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁-土數(shù)值模型，研究了不同灌注樁長(zhǎng)度和巖面傾角工況下樁基沉降和極限承載力的差異。最后，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下沖孔灌注樁的施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

一、工程概況

本文依托隨州市·華悅城項(xiàng)目，該項(xiàng)目地下1 層，地上20 層，為剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑場(chǎng)地類別為乙類，地震基本烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，地面粗糙度為B 類，基本風(fēng)壓取0.35kN/m2。

建筑場(chǎng)地地層主要以粉土和淤泥為主，由上到下依次為素填土、粉土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等。地勘結(jié)果表明，該建筑場(chǎng)地存在巖溶發(fā)育現(xiàn)象，鉆孔見洞隙率為12.8%，為巖溶中等發(fā)育地段?；A(chǔ)類型為沖孔灌注樁，基礎(chǔ)持力層擬選用微風(fēng)化灰?guī)r。表1 展示了各層土體的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

此外，勘測(cè)結(jié)果顯示，中風(fēng)化灰?guī)r層存在斜巖，對(duì)斜巖角度進(jìn)行了預(yù)估判斷，預(yù)估斜巖傾斜角度在27°～32°區(qū)間范圍內(nèi)。

二、數(shù)值模型

為研究沖孔灌注樁的承載特性和受斜巖角度的影響，本文通過有限元軟件建立了沖孔灌注樁單樁數(shù)值靜載模型，圖1 展示了該樁-土數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分情況。建模過程具體如下：

圖1 樁-土有限元數(shù)值模型

(1) 依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸，建立樁-土模型，沖孔灌注樁直徑設(shè)為1.2m，單樁承載力特征值設(shè)為1×104kN。

(2) 模型土層劃分和參數(shù)輸入，根據(jù)表1 列出的各土層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行各土層的設(shè)定。

(3) 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將樁周土體和斜巖區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。

(4) 設(shè)定模型邊界條件，將模型底部設(shè)為固定約束，四周設(shè)為法相約束，頂部設(shè)為自由約束。

(5) 于樁頂進(jìn)行分級(jí)加載，第一級(jí)設(shè)為4000kN，第二級(jí)設(shè)為8000kN，之后每級(jí)增加2000kN，直至加載到20000kN。

三、結(jié)果分析與討論

設(shè)置了4 種斜巖傾角和5 種樁長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，圖2 展示了不同工況下的單樁荷載-沉降曲線。

圖2 單樁荷載-沉降曲線

從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，隨著荷載的持續(xù)增加，樁體沉降呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)，說明沖孔灌注樁發(fā)生彈性變形，沒有塑性變形出現(xiàn)。這是由于巖面的傾角較小，導(dǎo)致樁端能夠與灰?guī)r接觸，使得樁底不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。此外，由于在荷載作用下灌注樁發(fā)生壓縮變形，沉降大小與樁長(zhǎng)成正比，隨著樁長(zhǎng)的逐步增加，沉降呈現(xiàn)階梯增大的變化規(guī)律。當(dāng)荷載達(dá)到20000kN 后，樁頂最大沉降為6.3mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的40mm 限值，因此，此時(shí)的灌注樁單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖2(c)中可以看出，在巖面傾角為45°時(shí)，隨著荷載的逐步增加，不同樁長(zhǎng)工況下樁體沉降呈現(xiàn)出指數(shù)曲線增加的規(guī)律，荷載-沉降曲線斜率隨著荷載的增加而增大，出現(xiàn)了明顯的塑性變形，且此現(xiàn)象樁長(zhǎng)越短越為明顯。各工況相比，在加載中期出現(xiàn)了較為明顯的沉降差異，而在加載前期和后期不同樁長(zhǎng)工況下樁體沉降差異并不顯著。

從圖2(d)中可以看出，傾斜巖面對(duì)樁體沉降的影響更為顯著。在加載前期，各樁長(zhǎng)工況下樁體沉降基本一致。隨著荷載的持續(xù)增加，各工況下樁體沉降差異開始顯現(xiàn)，但與上述規(guī)律不同的是，沉降與樁長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，沉降越小。此外，從數(shù)值而言，巖面傾角為15°和30°時(shí)樁體沉降基本一致，而45°傾角工況沉降明顯增加，60°傾角工況下沉降達(dá)到了14.4mm，約為前兩種工況的兩倍。

綜上所述，當(dāng)巖面傾角為45°和60°時(shí)，灌注樁已經(jīng)發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，雖然單樁的極限承載力仍能滿足設(shè)計(jì)要求，但在設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)考慮到5m 超短樁不利受力的情況，及時(shí)采取有效措施，避免發(fā)生過大沉降。

四、復(fù)雜地段沖孔灌注樁施工要點(diǎn)

在沖孔灌注樁施工前，應(yīng)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整處理，并于孔口埋設(shè)護(hù)筒。與正常條件下的泥漿體積相比，配置的泥漿體積應(yīng)為3 倍以上。而在巖溶地質(zhì)條件下，應(yīng)考慮到覆蓋層及基巖情況的差異采取合理的成孔工藝。具體施工要點(diǎn)如下：

(1)在覆蓋土層不存在土洞條件下，可通過沖擊成孔或回旋鉆進(jìn)成孔。在覆蓋層存在體積較大的土洞并且其埋深不小于3m 條件下，應(yīng)通過預(yù)注漿充填或混凝土回填的方式對(duì)土洞進(jìn)行處理，再進(jìn)行沖孔操作。

(2)當(dāng)施工至溶洞頂板附近時(shí)，應(yīng)采用小沖程、低頻率的沖擊鉆成孔工藝。

(3)存在傾斜巖面條件下，可回填混凝土或小片石于樁孔內(nèi)，再通過鉆頭進(jìn)行反復(fù)沖擊，使全斷面進(jìn)入巖層。

(4)在成孔過程中，若遭遇漏漿情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿處理，并進(jìn)行混凝土、片石的回填。在樁身混凝土灌注過程中，應(yīng)對(duì)混凝土頂面標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)補(bǔ)灌混凝土。

(5)若溶洞中存在大量的地下水，宜采用單層或多層的長(zhǎng)護(hù)筒跟進(jìn)措施，且護(hù)筒的直徑差應(yīng)大于15mm。

五、結(jié)論

本文通過有限元方法，建立了復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁-土數(shù)值模型，研究了不同灌注樁長(zhǎng)度和巖面傾角工況下樁基沉降和極限承載力的差異。最后，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下沖孔灌注樁的施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。得出主要結(jié)論如下：

(1)巖面傾角為15°和30°工況下，隨著荷載的持續(xù)增加，樁體沉降呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)，沖孔灌注樁發(fā)生彈性變形，未有塑性變形出現(xiàn)。由于在荷載作用下灌注樁發(fā)生壓縮變形，沉降大小與樁長(zhǎng)成正比，隨著樁長(zhǎng)的逐步增加，沉降呈現(xiàn)階梯增大的變化規(guī)律。

(2)巖面傾角為45°和60°工況下，隨著荷載的逐步增加，不同樁長(zhǎng)工況下樁體沉降呈現(xiàn)出指數(shù)曲線增加的規(guī)律，荷載-沉降曲線斜率隨著荷載的增加而增大，出現(xiàn)了明顯的塑性變形，且此現(xiàn)象樁長(zhǎng)越短越為明顯。

(3)巖面傾角為15°和30°時(shí)樁體沉降基本一致，而45°傾角工況沉降明顯增加，60°傾角工況下沉降達(dá)到了14.4mm，約為前兩種工況的兩倍。

(4)巖面傾角為45°和60°時(shí)，灌注樁已經(jīng)發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，雖然單樁的極限承載力仍能滿足設(shè)計(jì)要求，但在設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)考慮到5m 超短樁不利受力的情況，及時(shí)采取有效措施，避免發(fā)生過大沉降。