影響鉆孔灌注樁承載力的主要因素及施工工法研究

師民勤 （山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000）

鉆孔灌注樁具有承載力大、入土深度大、抗震性能好、抗變形能力強、土層適用廣泛、施工設備完善、計算理論成熟等諸多優點，成為廣泛使用的基礎形式，在橋梁工程、高層建筑、港口工程中占有重要的地位[1]。鉆孔灌注樁是借助特定的鉆孔或沖孔機械設備，在巖土層中形成特定直徑和深度的樁孔，并在孔內放置鋼筋籠和澆筑混凝土形成的深基礎。鉆孔灌注樁的承載力是保證上部結構穩定和安全的重要指標，受到諸多因素的影響，成為設計和施工的關鍵控制要點[2-3]。由于樁基的施工過程不易控制，工藝流程復雜，且在施工后屬于隱蔽性工程，因此，在樁基完工后如果存在承載力缺陷，修復難度較高，導致整個工程的經濟損失[4]。研究樁基工程的承載力的影響因素和施工工藝成為目前基礎領域的重點方向之一。

1 工程概況

山西省陽泉市某房建工程由12 棟32 層高層建筑組成，單棟建筑層高70m，建筑設置1層地下室，基礎形式為樁基礎+筏板基礎，鉆孔灌注樁的直徑為800mm，采用現澆混凝土施工，混凝土等級為C30，有效樁長為20m，整個工程的建筑樁基礎數量為389根。建筑場區地層較為簡單，樁長范圍內的土層主要為黏性土，分別為①粉質黏土15m，②黏土10m，③粉質黏土12m，3 層土體的物理力學性質相近，但其地質成因時代有所不同。其中，①粉質黏土的有效內摩擦角為10°，有效黏聚力為35kPa，重度為18.7kN/m3；②黏土的有效內摩擦角為8°，有效黏聚力為30kPa，重度為19.2kN/m3；③粉質黏土的有效內摩擦角為5°，有效黏聚力為45kPa，重度為19.9kN/m3。

2 鉆孔灌注樁承載力主要影響因素

2.1 鉆孔灌注樁三維模型的建立

為了研究鉆孔灌注樁的承載力影響因素，采用有限元仿真分析軟件Midas GTS NX進行建模，計算時，土體采用摩爾-庫倫破壞準則進行分析，即材料承受的最大剪切應力不超過與莫爾圓相切的破壞線，其計算方法如公式（1）所示。整體土體模型為立方體，邊長為35m，四周側面采用水平約束，底面采用固定約束，土體網格采用四邊形立體網格劃分。

式中φ為土體的有效內摩擦角，度；σ1為土體的最大主應力，kPa；σ3為土體的最小主應力，kPa。

為了研究鉆孔灌注樁承載力的影響因素，模擬考慮樁體直徑、樁長和彈性模量的影響，設置了10個計算工況，計算工況見表1。

表1 鉆孔灌注樁承載力影響因素計算工況

樁基礎模擬過程中只考慮成樁后的受力變形，不考慮成樁過程中土體擾動的影響。鉆孔灌注樁的重度為23kN/m3，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.15，樁土間設置接觸面單元，與土體的界面為剛性界面。荷載加載模擬時，荷載作用于樁頂，共分為6級加載，加載范圍為0～3000kN，加載等級為500kN。建立的鉆孔灌注樁三維模型如圖1所示。

圖1 單樁數值計算模型

2.2 鉆孔灌注樁承載力影響因素模擬結果分析

圖2 為不同樁直徑對鉆孔灌注樁承載力的影響計算結果。從圖2 中可以看出，樁直徑的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規律不會產生明顯影響，所有工況下的曲線均隨著荷載的增加，位移呈現分段漸進增加的變化規律，在樁頂位移小于10mm時，樁頂的荷載-位移曲線斜率較小，而樁頂位移超過10mm后，樁頂的荷載-位移斜率突然增加，樁基的位移超過一定的范圍后，認為樁基的承載力達到了極限；工況A 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為6MN，極限承載力為10MN，工況B條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為10MN，極限承載力為14MN，工況C 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為18MN，工況D條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為18MN，極限承載力為26MN；樁直徑的增加可以顯著提高的鉆孔灌注樁的承載力，在相同的樁頂位移條件下，樁徑越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大。

圖2 不同樁直徑條件下樁頂荷載-位移計算結果

圖3 為不同樁長對鉆孔灌注樁承載力的影響計算結果。從圖3中可以看出，樁長的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規律不會產生明顯影響，所有工況下的曲線均隨著荷載的增加，位移呈現分段漸進式非線性增加的變化規律，在樁頂位移小于10mm時，樁頂的荷載-位移曲線斜率較小，而樁頂位移超過10mm 后，樁頂的荷載-位移斜率突然增加，樁基的位移超過一定的范圍后，認為樁基的承載力達到了極限；工況E條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為6MN，極限承載力為12MN，工況C條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為18MN，工況F條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為20MN，工況G條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為14MN，極限承載力為20MN；樁長的增加可以顯著提高的鉆孔灌注樁的承載力，在相同的樁頂位移條件下，樁長越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大。

圖3 不同樁長條件下樁頂荷載-位移計算結果

圖4 為不同彈性模量對鉆孔灌注樁承載力的影響計算結果。從圖4中可以看出，彈性模量的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規律不會產生明顯影響，所有工況下的曲線均隨著荷載的增加，位移呈現分段漸進式非線性增加的變化規律，在樁頂位移小于10mm 時，樁頂的荷載-位移曲線斜率較小，而樁頂位移超過10mm后，樁頂的荷載-位移斜率突然增加，樁基的位移超過一定的范圍后，認為樁基的承載力達到了極限；工況H條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為8MN，極限承載力為14MN，工況I 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為10MN，極限承載力為16MN，工況C 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為12MN，極限承載力為18MN，工況J 條件下鉆孔灌注樁的容許承載力為14MN，極限承載力為20MN；彈性模量的增加可以顯著提高的鉆孔灌注樁的承載力，在相同的樁頂位移條件下，彈性模量越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大。

圖4 不同彈性模量條件下樁頂荷載-位移計算結果

3 鉆孔灌注樁施工工法分析

鉆孔灌注樁的施工流程較為復雜，施工質量與過程管控和地質條件的各種因數相關。結合山西省陽泉市某房建工程實際，樁基礎的施工選用泥漿護壁、旋挖鉆機成孔的方式進行施工，施工鉆機型號為KTY4000型鉆機，搭配六翼式刮刀、滾刀兩種鉆頭，鉆機的穩定性能好，成孔效率高，故障頻率低，能夠滿足場區地層的旋挖鉆進。鉆孔灌注樁的總體施工流程如圖5所示。

圖5 旋挖鉆孔灌注樁的總體施工流程

在樁基施工過程中，首先對樁基位置采用全站儀或者GPS RTK進行定位放樣，放樣精度控制在50mm以內，開孔前對樁基上部采用鋼護筒防止土層坍塌，鋼護筒的厚度為10mm，在護筒的刃腳采用10mm 鋼板進行加固；旋挖鉆進時，采用優質黏土泥漿進行護壁，同時為了避免塌孔導致的樁基縮徑和斷樁，應始終保持孔內水頭高于地下水位1m以上，必要時可以通過摻入外加劑的方式改善泥漿質量，泥漿的相對密度控制在1.1～1.2，黏度控制在18Pa～24Pa，含砂率不超過4%，膠體率大于95%，失水率小于20ml/30min，酸堿度pH 為8～10。

旋挖正常鉆進過程中保持鉆速穩定，合理調整和掌握鉆進參數，加接鉆桿時，將鉆頭提高80mm～100mm，然后將導管內的鉆渣清除干凈后再停泵接桿。泥漿可以導入沉淀池，沉底后循環使用，鉆孔完成后對孔深、孔徑、傾斜度進行檢測，清孔保證孔內沉渣厚度不超過300mm。

樁基鋼筋籠在工廠內加工完成，每節段鋼筋籠長度一般不超過18m，受力鋼筋間距誤差控制在±20mm，鋼筋保護層厚度控制在±10mm，在鋼筋籠內設置聲測管，聲測管采用圓形鋼管，鋼管直徑為54mm，壁厚度為1.4mm，鋼筋籠的吊裝采用25t汽車吊完成，吊裝和運輸過程中保持鋼筋籠的牢固，避免產生不可恢復的變形。

4 結語

以山西省陽泉市某房建樁基礎工程為研究對象，運用仿真分析的手段，建立了單樁鉆孔灌注樁三維分析模型，研究樁長、樁彈性模量以及樁直徑對其豎向承載力的影響，并提出相應的施工工法，得到以下結論：

（1）樁直徑、樁長和彈性模量的變化對樁頂荷載-位移曲線變化規律不會產生明顯影響，曲線均隨著荷載的增加，位移呈現分段漸進式非線性增加的變化規律。

（2）在相同的樁頂位移條件下，樁直徑、樁長和彈性模量越大，鉆孔灌注樁承受的樁頂荷載也越大，實際工程中可以改變這3個影響參數增加樁承載力。

（3）結合工程實際，提出了泥漿護壁、旋挖鉆機成孔的樁基施工方式，并針對施工過程中關鍵控制點提出了相應技術要求，為保證樁基的質量控制提供了良好的基礎。