豎向軸心荷載作用下的公路橋梁樁基設計與施工技術研究

丁守運

（青島西海岸新區交通運輸局，山東 青島266400）

1 引言

隨著經濟社會的不斷發展， 車輛數量不斷增加， 車輛載重、軸數成倍增長，橋梁上部結構所承受的荷載也逐漸增大，而傳統的橋梁樁基施工技術在實際施工過程中存在易出現卡管、斷樁等質量問題，影響樁身完整性和承載能力，因此，加強基礎工程的研究也尤為必要[1]。

在公路橋梁建設中， 樁基設計及施工技術是橋梁施工的重要內容，公路橋梁對穩定性的要求較高，其樁基受豎向荷載力的影響最大。 鑒于此，本文對豎向軸心荷載作用下的公路橋梁樁基設計及其施工技術進行深入分析。 同時，考慮到鉆孔灌注樁是常見的橋梁樁基結構，具有適應性強、承載力高、造價低、操作簡便和抗震性強等特點，本文以鉆孔灌注樁為研究對象，結合工程實例，對公路橋梁樁基設計方法以及公路橋梁施工技術進行研究，對工程質量、進度和造價等進行優化，制訂更加經濟的施工方案。

2 工程概況

工程案例為青島西海岸新區的董梁高速橫河橋連接線工程， 地處西海岸新區西南部。 年均氣溫為12.5 ℃， 年均降水696.6 mm，汛期為6～9 月份，日照時間為2 543.1 h。 該工程的主要參數為：橋寬42.5 m，路基寬度為33.5～42.5 m，行車道寬度為22.5 m，設計速度為100 km/h。該橋梁的上部結構采用現澆連續箱梁， 下部結構為鉆孔灌注樁。 該橋的安全級別是一級，基本壽命是100 a[2]。

3 豎向軸心荷載作用下的公路橋梁鉆孔灌注樁設計

3.1 選擇樁型和持力層

為保證公路橋梁設計方案的合理性， 必須對施工現場的實際情況進行勘查。 根據勘查結果以及施工經驗，對該橋梁工程的基礎方案進行分析。 首先，根據現場勘查的地質條件，在鉆孔灌注樁樁型的選擇上，建議選擇機械化成孔技術。 考慮到現場的巖層為燕山期花崗巖，所以，采用沖擊鉆機配合旋挖鉆機進行鉆進。 其次，根據現場勘查以及豎向軸心荷載的特點，選用第⑦層中風化片麻狀黑云花崗巖巖層為樁基礎樁端持力層。 最后，由于樁端持力層的上層土層對樁基影響較小，成樁難度較大，采用沖擊設備對強～中風化砂巖進行鉆進。

3.2 單樁豎向承載力特征值的計算

研究考慮到巖體均勻度和巖層裂隙發育等因素， 設計樁基安全系數，樁基安全系數的設計基于承載力的計算如式（1）所示。

式中，qr為樁端的最大承載力，計算值為818 kPa；fa0為樁端的最小允許值，取500；m0為清底系數，取0.7；λ 為修正系數，取0.7；K2為容許承載力的最大修正系數， 取5；γ2為樁端及各土層的加權系數，取18；h 為樁端埋深，取16 m。 將數據代入式（1）：

單樁豎向承載力的特征值計算過程為：

式中，[Ra]為單樁豎向承載力的特征值，計算值為2 231.79 kN；u 為樁身直徑；qik為與li相對應的樁側和土層的摩阻力標準值；li表示樁穿過的局部沖刷線以下的土層厚度；AP為樁底的橫截面積，取1.131 m2。

3.3 選擇樁基數量和樁長

研究將以樁基承載力的計算結果為依據， 對樁基的數量進行估計。 如果樁基處于受壓狀態，載荷合力與截面形心的作用點重合，則根據相關經驗初步選取樁基根數為5 根，再以樁基受力為依據進行驗算。 在荷載合力與截面質心差異較大的情況下，適當將樁數目增加10%～20%。 根據樁的數量和最大反荷載，應用經驗公式計算1 根樁的容許樁長為15.6 m。

4 公路橋梁樁基鉆孔灌注樁施工技術研究

4.1 施工工藝流程

公路橋梁的樁基施工是整體施工過程的主要內容，是施工水平的主要體現，公路橋梁鉆孔灌注樁的施工工藝的一般流程圖如圖1 所示。

圖1 鉆孔灌注樁施工工藝

從圖1 可知，工藝流程以施工準備為始，包括樁位確定、護筒設計、成孔施工、澆筑以及檢測等步驟。 需要注意的是，鉆孔時，要根據施工場地的地質情況確定打孔速率，施工過程中，要根據地質堅硬或松散程度的不同調整打孔速率；遇有砂質地層時，應適度提高泥漿的比例及黏性，并采取低速鉆井的方法。

4.2 護筒的制作與埋設工藝

鉆孔前，為確保鉆孔垂直，避免塌孔情況，需安裝護筒裝置，并做埋設處理。 在埋設護筒時，有必要用挖掘機進行挖掘，然后用旋轉子完成鉆孔，孔徑應比鉆頭直徑大20 cm，長度則結合當地的地質情況確定，高度應比地下水位高1.5 m 以上。研究工程選用的護筒尺寸為：厚6 mm、高500 mm、內徑1 500 mm。

4.3 成孔工藝選擇

（1）由于施工階段處于雨季，為保證施工的質量和工期，選用泥漿來作為護壁成孔方式。 在進行泥漿的配制時，泥漿的指標應該達到以下要求：黏土層黏度為16～22 Pa·s，黏土層相對密度為1.05～1.2，pH 為8～10，砂層黏度為19～25 Pa·s，含砂量4%～8%，膠體率超過96%[3]。（2）選用旋挖機進行成孔施工，通過電子控制的方法對鉆機工程進行監督， 保證成孔的垂直度； 同時， 通過人員觀察的方法嚴格控制鉆機速度和泥漿指標，確保成孔質量。

4.4 鋼筋籠制作及安裝

項目的鋼筋籠在鋼筋加工場進行初步加工， 然后將加工完畢的鋼筋籠分為兩節運送至施工點，再進行組裝使用。 此方法在提高施工效率的同時，可以減少孔內沉渣量，降低塌孔風險。鋼筋籠的吊筋材料為直徑10 mm 的HPB235 圓鋼，并采用雙面焊的方式將吊筋焊在鋼筋籠主筋上。 同時，使用25 t 的汽車吊運鋼筋籠，進行吊裝施工時，應對準孔位緩慢降落，防止發生變形。

4.5 清孔工藝選擇

鉆孔結束后需進行清孔， 避免孔內的沉渣影響樁基承載力，由于正循環清孔方式的造價相對其他方法最低，且第一次清孔主要是為排出孔內顆粒物，對沉渣厚度沒有明確的要求，所以，工程選用正循環清孔方式進行第一次清孔。 第二次清孔需保證成渣厚度以及泥漿指標滿足要求， 本研究對常用的3種清孔方式的清孔效果進行了對比分析， 選擇合適的清孔工藝進行研究。 3 種清孔方式對比結果如圖2 所示。

圖2 清孔方式對比圖

如圖2 所示，正循環清孔工藝的清孔時長最長，在各個樁基上均需要5 h，且沉渣厚度同樣均是最厚，都在60 mm 以上，不滿足施工基本要求的50 mm 以下，所以，本項目的第二次清孔排除正循環清孔方式。 泵吸反循環和氣舉反循環方式的沉渣厚度均小于50 mm，滿足施工要求，但氣舉反循環方法的清孔時長更短為0.3 h，且沉渣厚度更低，表明該清孔方式的效率更高，且效果更好，所以，研究將選用氣舉反循環清孔工藝進行第二次清孔。

4.6 混凝土澆筑工藝研究

經過兩次清孔作業，使砂層符合標準以后，將進行混凝土的灌注施工。 研究選用的混凝土為C30 混凝土，在澆筑前，需對坍落度進行測量，控制在180～220 mm。 孔內管道與孔底間距應滿足施工要求，約為0.3 m，澆筑混凝土的導管埋設深度應控制在0.8 m 以上，導管在使用之前，應提前拼裝，并進行水密試驗。 研究計算得出的混凝土初灌量為3 m3，采用的導管長度為4 m、2 m、6 m 和4 mm，在澆灌過程中，需嚴格控制灌裝速度，保證成樁的質量。

4.7 樁基施工檢測方法

考慮到工期與造價等因素， 研究采用低應變檢測法檢測施工質量以及成樁的完整性，檢測點的布置位置如圖3 所示。

圖3 低應變檢測示意圖

考慮到工程采用的灌注樁樁徑為1 200 mm， 且工程使用樁為實心樁，研究將在距離樁心2R/3 處對稱安裝4 個傳感器檢測點，在樁心安裝激振錘擊點，進行低應變檢測。

檢測方法為： 每根樁頂進行不少于10 次的敲擊， 采用RSM-PRT(W)基樁動測儀進行檢測，根據應力波在樁身介質之間的傳播速度曲線判斷施工后樁身的阻抗變化強度。 同時，需按照主要事項進行檢測，檢測前要對樁頭進行處理，安裝部位應打磨平整；傳感器的安裝位置應錯開鋼筋籠主筋，防止產生干擾信號。 研究對施工后的15 根樁進行樁基檢測。 檢測結果為：首先，在波速為4 000 m/s 時，檢測曲線平穩，表明樁身沒有明顯的缺陷；15 根樁中13 根的等級為I 類，2 根的等級為Ⅱ類，表明有13 根為完整樁，2 根為基本完整樁，全部樁都滿足完整性的要求。

5 結論

本文以青島西海岸新區的董梁高速橫河橋連接線工程為背景，系統地探討了公路橋梁鉆孔灌注樁設計，深入研究施工技術，涵蓋護筒制作、成孔工藝、鋼筋籠安裝至混凝土澆筑全過程，并采用低應變檢測法確保施工質量。 結果顯示，成樁施工過程中對泥漿的管理十分重要，必須按照規定的配比，嚴格控制泥漿指標。 其次， 需要選擇正循環清孔工藝進行第一清孔、泵吸反循環式清孔工藝進行第二次清孔的方法進行清孔，該方法更加適合實際工程情況。 最后，通過低應變檢測方法對成樁質量進行檢測，15 根樁中13 根的等級為I 類，2 根的等級為Ⅱ類，全部滿足完整性的要求。 該成果對今后類似的施工工程有一定的指導意義。 由于在進行成樁質量檢測時，只考慮了低應變方法，今后的研究應通過多種進行檢測對比，增強成果的說服力。