施工技術對端承樁橋梁基礎承載性能的影響

摘 要：施工技術對橋梁樁基承載性狀影響較大，結合實際橋梁工程，本文采用自平衡荷載試驗，研究了不同成樁方法下端承樁的力學特性，探討了后注漿對樁承載力的影響。研究結果表明：干式旋挖鉆樁法有利于保證橋梁基礎嵌巖鉆孔樁的承載力，泥旋挖鉆樁法可顯著減少端承樁的樁側阻力和樁端阻力，但泥漿旋挖樁法沉淀物和頁巖軟化增加了沉降量。后注漿技術可有效增加端承樁的樁側阻力和樁端阻力，使樁沉降量比干式旋挖鉆樁和泥漿旋挖鉆樁減少約42%和100%，在各自的極限荷載下，沉降量分別減少37.5%和54.4%。

關鍵詞：端承樁；自平衡荷載試驗；后注漿技術

中圖分類號：TU 74 " " " 文獻標志碼：A

橋梁基礎設計和施工質量是橋梁建設中的根本問題，由于端承樁具有承載能力高、變形小、抗震性能好等特點，因此在橋梁基礎尤其是山區橋梁基礎中得到了廣泛應用[1]。旋挖灌注樁施工技術是一種新型的鉆孔灌注樁施工方法，分為干式旋挖樁法和泥漿旋挖樁法，不同的成樁技術會導致樁孔壁粗糙度和底部沉積物厚度產生差異，從而影響橋梁樁基的受力性能[2]。灌注樁后注漿技術可以減少樁孔泥漿和樁底沉降物的負面影響，同時改善樁土界面狀況和樁底周圍巖體強度[3]。本文采用自平衡載荷試驗，定量分析成樁施工工藝及后注漿技術對大直徑端承樁力學行為的影響。

1 工程概況

某大橋為預應力混凝土連續剛構橋，全長1031.86m，主跨約529.4m，該橋13號主墩采用35根長度62m、直徑2.5m的鉆孔樁進行支撐。橋址地質主要由第四系粉質黏土、厚層石炭和中等風化的富碳頁巖組成，石炭質頁巖抗壓強度低、易崩解，吸水后軟化。中等風化碳質頁巖的標準飽和抗壓強度為7.34MPa，允許承載能力為500kPa，碳質頁巖泥質層的基本物理力學參數經測定：含水率為18.9%，密度為19.7kN/m3，土粒密度為2.73，液限為34.55%，塑限為18.13%，黏聚力為32.17kPa，內摩擦角為14.88°，壓縮模量為5.81MPa。

通過SZ1樁（模型樁）和15#樁（工程樁）進行自平衡靜載試驗，研究干式旋挖和泥漿護壁旋挖對端承樁受力性能的影響，兩根試樁施工參數見表1，同時研究后注漿技術對樁承載能力的影響。孔高程和樁底高度的差值表明，干式鉆孔樁底部沉降只有3cm，而泥漿旋挖樁的樁底沉降量高達30cm。

2 現場測試過程

2.1 自平衡荷載試驗

自平衡荷載試驗是一種新興的樁靜載試驗方法[4]，其主要設備是荷載箱（一種液壓加載裝置），通常澆筑在樁的底部或頂端上方一定距離處，當通過試樁頂部的壓力管向荷載箱內腔施加壓力時，會將箱蓋和箱底推開，激發樁側和樁端的阻力，直到達到最大荷載，通過樁側阻力和樁端阻力疊加確定樁的承載能力。可以使用壓力表獲得荷載箱壓力，使用位移傳感器測量荷載箱的向上和向下位移，樁的上、下力及對應的位移圖可以反映樁的承載能力、沉降量和彈性壓縮程度。由于混凝土應變等于鋼筋應變，因此通過嵌入樁身的鋼筋應變片可以確定樁在各級荷載下的應變，進而得到樁身各部位的應力應變關系以及各荷載水平下的樁身軸力和樁側阻力。

2.2 加載過程和荷載-位移計算

采用自平衡法對SZ1樁和15#樁進行靜載試驗，在試驗樁端上方的預置位置設置液壓加載裝置，當液壓以階梯荷載（估計最大荷載的 10%～15%）施加到設備上時，對樁施加相同的向上和向下垂直荷載，當施加階梯荷載時，可以采集應變計和樁的位移數據，位移采集的時間間隔在前1h分別為5min、5min、10min、10min、15min、15min，之后依次為30min，直到樁變形相對穩定為止。

根據中華人民共和國交通運輸行業標準試驗規范中規定的等效換算方法，自平衡靜載試驗測得的荷載-位移曲線不便于計算分析，需要效轉換為傳統靜載試驗的荷載-位移曲線[5]，單樁豎向抗壓極限承載力的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：Pu為試樁的極限承載能力；Quu為試樁截面荷載上限；Qlu為試樁截面荷載下限；W為荷載箱上方樁體質量（荷載箱位于透水層時，取浮動質量），SZ1樁和15#樁的取值分別為3726 kN和6000 kN；γ為試樁的修正系數，負荷箱上土層類型對應的值為1.0。

可采用公式（2）、公式（3）計算等效樁頂荷載對應的樁頂位移S。

S=sl+Δs （2）

（3）

式中：S為樁頂位移；sl為荷載箱向下位移；Δs為上段樁壓縮量；Δs1為上段樁在荷載箱下下部力作用下的彈性壓縮量；Δs2為上段樁在荷載箱上部力作用下的彈性壓縮量；Ql為負載箱向下荷載；Qu為負載箱向上荷載；L為上段樁長；Ep為樁體彈性模量；Ap為樁體截面積。

2.3 后注漿技術

在自平衡荷載試驗后，采用5根直徑30mm的預埋注漿管進行樁側和樁端注漿，可以定量分析后注漿技術對端承樁承載能力的提高效果，五根預埋注漿管中，兩根用于荷載箱上方的樁側注漿，在荷載箱上方，用3根預埋注漿管對樁端進行注漿。對樁側注漿來說，每個試樁有兩個位置，一個在距樁端15m處，另一個在距樁端30m處。該水泥漿采用普通42.5MPa無結塊硅酸鹽水泥，7天齡期強度至少為10MPa。樁端注漿壓力為4.0MPa，兩段均為3.2MPa～3.8MPa，樁端注漿量為5250kg，樁身段注漿量為2500kg。其他信息見表1。

3 現場測試結果分析

3.1 荷載-位移曲線

通過監測得到試樁注漿前后箱體上、下位移與荷載的關系，這兩根樁幾乎都嵌在了巖層中，當荷載較小時，樁的上下段幾乎沒有位移，樁側存在靜摩阻力，隨著荷載增加，樁與土之間產生相對位移，樁側摩阻力增加。15#樁由于樁底周圍碳質頁巖的大量沉積和軟化，導致樁端巖體強度下降，端阻力沒有發揮正常作用，導致相同荷載作用下荷載箱向下位移增加，從而降低了樁的承載能力。

自平衡法較為特殊，需要采用等效變換法，將自平衡荷載試驗曲線等效轉化為傳統靜載試驗荷載曲線，最終的等效荷載-位移曲線如圖1所示。

端承樁幾乎全部埋入頁巖層中，因此不同圍巖類型對注漿效果的影響在本次研究中沒有得到充分研究，同時由于注漿引起的過剩孔隙水壓力有足夠的時間消散，因此注漿對此時的固結或固結速率沒有影響。如圖1所示，荷載-位移曲線在注漿后變化緩慢，但在注漿前急劇下降。在低荷載作用下，注漿前后的曲線基本重合，變化接近線性，但隨荷載增加而急劇下降，注漿后曲線變得平緩，表明后注漿對端承樁的承載能力有顯著的提高作用。SZ1樁注漿前的極限承載力為24000kN，對應的位移約為26.3 mm，在相同荷載作用下，注漿后沉降量約為12 mm，下降了54.4%。15#樁注漿前的極限承載力為36872kN，注漿前位移為17.59 mm，而注漿后相同荷載下的位移為11 mm，下降了37.5%，后注漿在提高端承樁承載力的同時，可以明顯減少沉降，且在相同樁頂位移下，干式旋挖鉆樁法更有利于保證端承樁承載力。由于15#樁長度較大，因此理論上15#樁的極限承載力應大于SZ1樁，但施工工藝不同，樁底沉積物較多，樁側形成泥皮，導致樁端阻力和樁側阻力均不同程度減少。

3.2 樁身軸力分布

在樁身不同位置對應的鋼筋籠主筋處，對稱布置預埋振弦應變計，在各加載步均可得到混凝土應變計的應變值，根據混凝土與鋼筋協調變形原理，可利用公式（4）結合測量結果得到各截面軸力。

（4）

式中：N為截面軸力；ε1、ε2為對稱排列的應變計應變值；ER為鋼筋彈性模量；EC為混凝土彈性模量；AR為鋼筋截面積；AC為混凝土截面積。應變計測得的應變值結合公式（4）得到的SZ1樁和15#樁在注漿前后的軸力分布如圖2所示。

從軸力分布來看，自平衡法得到的軸力圖與傳統荷載試驗得到的軸力圖不同，傳統的軸力曲線沿樁身近似呈梯形分布，樁頭處的最大值逐漸減少，而以荷載箱位置為界的軸力曲線在樁兩端均減少，在相同深度內，軸力-深度曲線的陡峭度變低，表明軸力差隨荷載增加而增加。圖2顯示，在不同荷載和深度下，樁的軸力曲線近似為直線，說明土層幾乎是均勻的。對泥漿旋挖鉆樁來說，隨著注漿前荷載變化，樁端阻力幾乎沒有明顯的增加趨勢，驗證了沉淀物對樁端阻力的負面影響，通過提高樁端的剛度和強度，有效地避免了沉渣問題，從而使樁端阻力迅速增加。

3.3 樁側阻力和樁端阻力

樁側阻力受成樁工藝、土層類型、樁土相對位移、成樁后時間等多種因素的影響。在本研究中，采用公式（5）計算樁側平均摩阻力。

（5）

式中：fi為平均樁側阻力；d為樁直徑；Li為相鄰應變計之間的距離。

在不同荷載作用下，樁側阻力均有不同程度的發展，隨著荷載增加，土側阻力逐漸達到極限。根據現場勘察資料，整個地層的單軸阻力預測值約為75kPa，在各自的極限荷載下，SZ1樁和15#樁的最大單軸阻力分別為96kPa和57kPa，與預期值相比，15#樁的單樁抗力降低了24%，泥漿旋挖樁周圍容易形成泥餅，顯著影響樁土相互作用，降低摩擦阻力，注漿后端承樁同端單位樁側阻力的差異縮小，表明樁側注漿可以均勻地提高樁側阻力并修正深度的影響。

可以用埋設在樁底的應變計來測量試樁的端部阻力，將多個測量結果結合公式（5）得到平均樁側阻力，圖3為樁端阻力與位移的關系曲線。試驗結果表明，SZ1樁注漿前后樁端阻力的增幅與樁身位移之間存在近似的線性關系，由于樁端沉降量較少，樁端阻力開始發揮作用，因此樁端位移較小；15#樁注漿前樁端有近30 cm的沉淀物，樁端阻力產生需要樁端發生較大的沉降。注漿后，樁端阻力隨位移呈線性增加，當位移達到約3.83 mm時，樁端阻力增長率減少，說明樁端位移必須增至一定程度才能充分發揮樁端阻力，在相同的位移下，樁端可以對樁體提供更大的支撐。

圖4顯示了壓漿前后兩根試樁的樁側阻力和樁端阻力的荷載分擔比例，根據試驗數據，SZ1樁注漿后的承載力為52274kN，提高了42%，而15#樁的承載力增加了一倍，達到48000kN。對SZ1樁的干式旋挖樁法來說，后注漿有效地提高了樁側阻力和樁端阻力，樁側阻力和樁端阻力分別增加了約1.39和1.49倍，而樁側阻力和樁端阻力的分擔比例幾乎保持不變，約為75%和25%。但對15#樁的泥漿旋挖樁法來說，樁側阻力和樁端阻力分別約為原來的1.66倍和16倍，樁端阻力占極限承載力的比例從4.69%增至18.91%，由此可見，注漿后15#樁的承載性能有了明顯改善，樁的承載能力得到很大提高，特別是樁端阻力得到了充分發揮，成為樁的承載能力的組成部分。

4 結論

本文通過自平衡載荷試驗研究了不同成樁方式下端承樁的受力性能，同時探究了后注漿對樁承載力的影響。干旋挖樁樁端沉渣較少，無水軟化效應，更有利于保證端承樁的承載強度；泥漿旋挖樁樁端碳質頁巖的大量沉積和軟化會通過增加沉降量和降低樁端阻力而對承載力產生負面影響，旋挖泥漿樁的泥皮對樁土相互作用有較大影響，上部樁段的單位樁側阻力降低了24%以上。后注漿技術可以通過提高樁側和樁端阻力，減少沉降量，提高嵌巖鉆孔樁的承載能力。

參考文獻

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作者簡介 ：任若昆（1994—），男，漢族，河南新鄉人，畢業于河南工業大學，工程管理專業，研究方向為市政工程，城市道路與交通工程。

電子郵箱：393422088@qq.com。

作者家庭住址：河南省輝縣市高莊鄉火岔村。