公路橋梁工程的鉆孔灌注樁高質(zhì)量施工技術(shù)研究

摘要：鉆孔灌注樁技術(shù)憑借其工程造價低、地層適應(yīng)性強(qiáng)及施工便捷的優(yōu)勢，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。文章以某公路橋梁工程為實(shí)例，結(jié)合當(dāng)?shù)赝翆咏Y(jié)構(gòu)特性實(shí)施施工技術(shù)，經(jīng)過放樣測量、鉆孔、清孔、鋼筋籠安裝及混凝土注漿等工序，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量鉆孔灌注樁施工。通過承載力計算分析，確定樁長和樁徑對灌注樁承載力的影響，同時分析了泥漿比重、降水情況及積水區(qū)距離對鉆孔孔壁位移的影響，并測試沉渣模量對灌注樁承載比與位移變化的影響。結(jié)果顯示：樁長為20 m、樁徑為1 m時，灌注樁的承載力達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；在遠(yuǎn)離積水區(qū)且無降水的條件下，鉆孔孔壁位移最??；沉渣模量增大時，灌注樁承載比提升且位移減小，表明鉆孔灌注樁的穩(wěn)定性與安全性得到增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；鉆孔灌注樁；施工質(zhì)量；承載力；位移變化；沉渣模量

中圖分類號：TU473.1 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0069-05

0 引言

鉆孔灌注樁作為公路橋梁工程中一種常見且重要的地基處理技術(shù)，具備多方面的優(yōu)勢。該技術(shù)通過在地下鉆孔后灌注混凝土形成樁體，充分利用土層的承載能力，有效提升地基的整體承載力。樁身通常設(shè)計為圓柱形，并可內(nèi)置鋼筋或鋼板等加固材料，以進(jìn)一步增強(qiáng)其承載力和穩(wěn)定性［1］。鉆孔灌注樁施工技術(shù)適應(yīng)各種地質(zhì)條件，包括軟土、巖石和砂土等，其施工過程可根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整樁徑、樁長及加固措施［2］。相較于傳統(tǒng)方法，該技術(shù)施工產(chǎn)生的振動和噪聲較小，對周邊環(huán)境及建筑物影響低，尤其適用于城市建設(shè)和環(huán)境敏感區(qū)域。同時，鉆孔和灌注混凝土可同步進(jìn)行，能有效縮短施工周期，加快工程進(jìn)度。此外，鉆孔灌注樁還能有效支撐建筑物或重要結(jié)構(gòu)的重量，通過增加加固材料，顯著增強(qiáng)地的基穩(wěn)定性［3-5］。然而，在鉆孔施工過程中，常會遇到樁身完整性缺陷（如斷裂、夾泥、混凝土離析）、樁底沉渣過厚、樁身傾斜或長度不足，以及鉆進(jìn)困難、堵管等問題，這些問題嚴(yán)重影響橋梁工程的整體穩(wěn)定性和安全性。因此，該問題引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注與深入探索。鐘杰等［6］針對深圳市某施工項目，從地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖溶處理、灌樁施工等方面進(jìn)行了深入分析，展現(xiàn)了對施工質(zhì)量的有效控制。然而，巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞的大小、分布、走向等地質(zhì)信息難以準(zhǔn)確獲取，這種不確定性增大了施工難度，易引發(fā)漏水、漏漿、塌孔等突發(fā)狀況，從而影響工程質(zhì)量和施工安全。LALICATA等［7］提出了“印象樁”概念，該樁側(cè)壁上的離散印痕能增強(qiáng)灌注漿的摩擦力，進(jìn)而影響灌注樁的極限承載力。然而，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析出現(xiàn)誤差且存在不確定性，如何準(zhǔn)確解讀和預(yù)測復(fù)雜地質(zhì)條件下的樁基承載力是一大難題。荊琳等［8］在透水壩中采用了長螺旋鉆孔灌注樁技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)其不僅能提升施工速度，還能優(yōu)化施工效果。然而，在地下水位以下的透水樁壩施工中，長螺旋鉆孔灌注樁易遭遇塌孔問題。由于水下土層的穩(wěn)定性差，鉆孔時孔壁易坍塌，導(dǎo)致成孔困難，水下混凝土澆筑也面臨質(zhì)量控制的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如混凝土的水下流動性、凝結(jié)時間等均需嚴(yán)格調(diào)控。

針對上述研究中存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)，本文進(jìn)行了更為深入和全面的研究，以某公路橋梁工程為案例，結(jié)合當(dāng)?shù)赝翆咏Y(jié)構(gòu)特性，通過放樣測量、鉆孔、清孔、鋼筋籠安裝及混凝土注漿等工序，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的鉆孔灌注樁施工。本文不僅詳細(xì)闡述了施工過程和技術(shù)要點(diǎn)，還通過承載力計算分析，深入探討樁長、樁徑、泥漿比重、降水情況、積水區(qū)距離及沉渣模量等因素對灌注樁承載力和孔壁位移的影響。本研究旨在為鉆孔灌注樁施工提供更全面、準(zhǔn)確的技術(shù)指導(dǎo)，以提升施工質(zhì)量和效率，降低施工風(fēng)險和成本，為公路橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

本研究依托的某公路橋梁工程位于我國西南沿海地區(qū)，其地基主要由軟土構(gòu)成，受海洋環(huán)境的持續(xù)作用。工程地處北部高、南部陡的緩丘地帶，周邊交通較便捷，利于工程材料運(yùn)輸。該地區(qū)常年受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，無明顯霜凍期，年降水量較大，空氣濕度高，年均氣溫約22 ℃，夏季最高溫度可達(dá)35 ℃，盛行東南風(fēng)，偶受季節(jié)性氣旋引發(fā)的風(fēng)暴潮影響，年均降水量約為1 818.3 mm。

施工區(qū)域地勢東高西低，地表主要為軟土和砂礫，部分區(qū)域存在小型水塘。施工前，專業(yè)施工人員采用機(jī)械對現(xiàn)場進(jìn)行了平整，平均高程調(diào)整至13.46 m，并清除了原植被。該區(qū)域土層由上至下依次為軟質(zhì)填土、細(xì)砂土、黏土、粉質(zhì)黏土、粗礫砂、砂質(zhì)黏土及花崗巖等，各土層土質(zhì)參數(shù)見表1。

2 鉆孔灌注樁高質(zhì)量施工技術(shù)

2.1 施工前準(zhǔn)備

充分的施工準(zhǔn)備是確保公路橋梁鉆孔灌注樁安全施工的前提。施工前，需清除場地內(nèi)的大塊石礫，并使用平整設(shè)備將場地碾壓平整，移除所有障礙物。根據(jù)施工需求，設(shè)置大小適當(dāng)?shù)某恋沓嘏c泥漿池，并在其周圍布置安全防護(hù)設(shè)施，以提升施工安全性。在施工區(qū)域建立坐標(biāo)控制網(wǎng)，合理布置測量設(shè)備，由負(fù)責(zé)人確認(rèn)鉆孔定位。

鋼筋籠需提前加工完成，使用吊裝設(shè)備將其運(yùn)送至鉆孔位置?；炷僚渲瓢闯Ｒ?guī)進(jìn)行，不需要特別考慮水泥的產(chǎn)地與型號。鋼護(hù)筒采用5～10 mm厚的鋼板制作，其直徑應(yīng)比鉆孔孔徑大15 cm，高度超過1.1 m。

2.2 施工流程

鉆孔灌注樁高質(zhì)量施工主要步驟包括樁位放樣、定位測量、護(hù)筒埋設(shè)、鉆機(jī)安裝及鉆孔施工等，其詳細(xì)施工流程見圖1。

（1）樁位放樣及定位測量：完成施工前準(zhǔn)備后，在施工場地進(jìn)行樁位放樣，測量各個灌注樁的位置，依據(jù)工程設(shè)計圖紙布置測量控制網(wǎng)，安裝定位樁。對于小樁距，可采用跳打方式布置?；炷翝仓旯?2 h后，方可進(jìn)行相鄰工程樁的施工。

（2）護(hù)筒埋設(shè)：根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，護(hù)筒內(nèi)徑應(yīng)略大于鉆孔孔徑，埋深一般設(shè)定為1.5～4.5 m。樁中心與護(hù)筒中心的平面偏差不得超過50 mm，護(hù)筒豎直傾斜角度不超過1%。護(hù)筒頂部需要高出地表約0.5 m，護(hù)筒與坑壁間用黏土填充并夯實(shí)，避免因降雨導(dǎo)致護(hù)筒周圍漏水。

（3）鉆機(jī)安裝：選用合當(dāng)材料墊平鉆機(jī)底部，防止使用時土體發(fā)生塌陷。鉆機(jī)頂部設(shè)置纜繩并拉緊，控制護(hù)筒中心的偏差小于50 mm。校準(zhǔn)護(hù)筒埋設(shè)護(hù)樁“十”字線，減少人為誤差。

（4）鉆孔施工：采用旋挖鉆進(jìn)行，動力源為液壓馬達(dá)，通過扭矩旋轉(zhuǎn)使鉆頭深入土壤，破碎的巖體通過伸縮式鉆桿卸出，直至達(dá)到設(shè)計深度。鉆孔過程中需持續(xù)補(bǔ)充泥漿，并根據(jù)土質(zhì)調(diào)整泥漿配比，保持水位高于地下水1～1.5 m。達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，更換活門筒型鉆頭，邊鉆進(jìn)邊清理泥漿沉積物。

（5）清孔處理：使用氣舉反循環(huán)法清孔，清孔后泥漿黏度一般不超過20 Pa·s，膠體率超過98%。

（6）殘渣處理：鉆孔殘渣需放置在空地上長時間晾曬以清除水分，充分干燥后，用工程車運(yùn)至指定場所回收處理。

（7）鋼筋籠加工與安裝：在工廠中完成鋼筋籠制作，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，采用機(jī)械連接各節(jié)鋼筋（每節(jié)10 m），保留錯位接頭，每個截面接頭的數(shù)量不超過鋼筋總數(shù)的一半。使用旋轉(zhuǎn)盤結(jié)合繞筋和主筋，并采用焊接接頭的方式完成鋼筋籠的制備。隨后，采用單機(jī)抬吊方式安裝鋼筋籠。

（8）二次清孔處理：鋼筋籠吊裝后，采用射風(fēng)法結(jié)合換漿法進(jìn)行二次清孔，確保泥漿參數(shù)符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。使用高壓射風(fēng)設(shè)備向鉆孔底部射風(fēng)15 min，使沉淀物上??；測量沉渣厚度，若不超過49 mm，則停止射風(fēng)。

（9）混凝土灌注：二次清孔后立即進(jìn)行混凝土灌注。首批混凝土采用拔球法注入，導(dǎo)管插入深度2.5～7 m。灌注需一次性完成，隨著混凝土體積的增加，應(yīng)適時提升導(dǎo)管，保持導(dǎo)管居中并與軸線垂直。地下水范圍內(nèi)的混凝土需一次注漿完成，避免因中斷而影響質(zhì)量。樁基混凝土應(yīng)盡快灌注完成，灌注后灌注樁應(yīng)高出鉆孔1～2 m。

3 模擬結(jié)果分析

灌注樁施工完成后，分析并測試灌注樁的承載力情況，該承載力[Fq]計算公式如下：

[Fq=π×Rqi×hi+2π×Rβj×qj×hj]，（1）

其中：[qi]表示灌注樁單位側(cè)阻力，hi表示第[i]層土層的厚度，[qj]表示單位端阻力，R表示樁身半徑，[hj]表示注漿增強(qiáng)段高度，[βj]表示注漿增強(qiáng)段的比例系數(shù)。

使用FLAC 3D有限元軟件模擬計算施工涉及的灌注樁及地下空間的位移變化，模型構(gòu)建細(xì)節(jié)在此不做贅述。

3.1 灌注樁參數(shù)對樁體承載力的影響

3.1.1 樁長度的影響

完成灌注樁施工后，在模擬軟件中輸入灌注樁的各項參數(shù)及土體結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，以計算分析不同灌注樁長度對其承載力的影響。為驗(yàn)證施工效果，將普通混凝土樁與本次施工采用的灌注樁進(jìn)行對比分析，對比分析結(jié)果見圖2。

如圖2所示，隨著樁體長度的增加，灌注樁和普通混凝土樁的承載力均呈穩(wěn)定上升趨勢。相較于普通樁，采用本文技術(shù)施工的灌注樁的承載力明顯提高。樁長為4 m時，灌注樁的承載力接近900 kN，高出普通樁（500 kN）近70%。然而，當(dāng)柱長達(dá)到32 m時，灌注樁的承載力接近1 500 kN，普通樁則接近1 300 kN，兩者差距縮小。這表明樁體較長時，承載力的提升幅度有限。因此，樁長應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。圖2中的結(jié)果表明，樁長為20 m時，灌注樁仍能保持較高的承載力，故確定此樁長為適宜長度。

3.1.2 樁直徑的影響

在公路橋梁施工過程中，樁直徑與樁體長度一樣，對樁體的承載力有著顯著影響。因此，同樣在模擬軟件中進(jìn)行了不同樁直徑下承載力的模擬分析，并采用普通樁與灌注樁進(jìn)行承載力的對比測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

如圖3所示，樁徑與樁承載力呈正相關(guān)。在樁徑較小（0.4～1.0 m）時，相較于普通樁，灌注樁在承載力方面展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。然而，當(dāng)樁徑增大至1.2～1.8 m時，兩者承載力的差異逐漸縮小，這一變化趨勢與樁長對灌注樁的影響相似。綜合來看，樁徑為1 m時，灌注樁的承載力表現(xiàn)最佳，采用此樁徑施工能發(fā)揮灌注樁在承載力方面的優(yōu)勢。

3.2 泥漿比重對孔壁穩(wěn)定性的影響

在鉆孔過程中，為確保鉆孔作業(yè)的穩(wěn)定性，需在使用鉆孔工具進(jìn)行鉆孔的同時注入泥漿。泥漿的參數(shù)對鉆孔孔壁的穩(wěn)定性影響較大，進(jìn)而影響灌注樁的施工效果。為了深入分析泥漿參數(shù)對孔壁穩(wěn)定性的影響程度，采用模擬軟件進(jìn)行模擬分析，設(shè)定泥漿的比重分別為1.15、1.25、1.35，模擬不同鉆孔深度下孔壁的變形情況，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2中的數(shù)據(jù)顯示，在鉆孔過程中，隨著孔深的增加，孔壁位移呈現(xiàn)波動性變化，其中當(dāng)孔深達(dá)到18 m時，孔壁的位移最大。隨后，位移再次由小變大，這一變化主要是由于更換鉆頭所致。從試驗(yàn)結(jié)果來看，泥漿比重越小，孔壁位移越大；反之，泥漿比重增大則孔壁位移減小，當(dāng)泥漿比重為1.35時，孔壁穩(wěn)定性顯著提升。因此，較高的泥漿比重能有效減少孔內(nèi)土體的橫向位移，有利于增強(qiáng)孔壁的穩(wěn)定性，從而提高公路橋梁施工效率。綜合考慮各項影響因素及成本，本工程選用1.25的泥漿比重。

3.3 降水條件對孔壁穩(wěn)定性的影響

由于研究區(qū)域年降水量較大，因此分析時必須考慮降水條件對鉆孔穩(wěn)定性的影響。在模擬軟件中計算并比較地表無積水和地表積水15 mm兩種情況下，不同鉆孔深度孔壁穩(wěn)定性的變化情況，對比結(jié)果見表3。

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，鉆孔深度增加會導(dǎo)致孔壁位移增大，進(jìn)而引發(fā)鉆孔變形，影響灌注樁施工效果。因此，施工中需調(diào)整泥漿比例、鉆頭角度等參數(shù)。對比無積水和積水15 mm的區(qū)域，積水區(qū)域的孔壁位移更為嚴(yán)重，原因是積水使土質(zhì)變軟，鉆孔后上端土體對下端土體產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致孔壁嚴(yán)重變形、穩(wěn)定性下降，進(jìn)而影響灌注樁的施工效果。因此，施工時需對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行處理，避免因惡劣環(huán)境對鉆孔效果造成不利影響。此外，鉆孔處與積水區(qū)域的距離也會影響孔壁的位移情況，需模擬分析靠近積水區(qū)不同距離區(qū)域的位移情況，模擬結(jié)果見圖4。

如圖4所示，距離積水區(qū)域越近，鉆孔孔壁位移越大，表明積水導(dǎo)致地下土層變形，增加了孔壁變形的概率，從而對灌注樁施工造成不利影響。

3.4 沉渣模量對樁頂沉降的影響

沉渣厚度及其他參數(shù)均會影響灌注樁的施工效果。其中，沉渣模量是沉渣的重要參數(shù)，因此采用模擬軟件分析沉渣模量變化時灌注樁樁頂?shù)某两登闆r，結(jié)果見表4。

分析表4中的數(shù)據(jù)可知，樁頂反力增大導(dǎo)致灌注樁沉降值增大，表明樁頂反力的增加會改變灌注樁的整體結(jié)構(gòu)。為確保施工后公路橋梁的安全性和穩(wěn)定性，必須重視灌注樁的樁頂反力問題。此外，對比不同沉渣模量對灌注樁位移變化的影響發(fā)現(xiàn)，沉渣模量較小時，灌注樁沉降量會更大；而灌注樁位移變化卻相對較小，說明當(dāng)沉渣模量較大（例如30 MPa）時，灌注樁變形概率更小，安全性更高。

3.5 沉渣模量變化對灌注樁承載比的影響

沉渣模量的變化不僅會導(dǎo)致灌注樁位移發(fā)生變化，還會影響其承載力。因此，采用模擬軟件分析不同沉渣模量下灌注樁的承載比變化，結(jié)果見表5。

表5中的數(shù)據(jù)顯示，在不同樁頂反力下，灌注樁的承載比始終保持在1及以上，并且當(dāng)沉渣模量較大時，灌注樁承載力不會降低。由此可知，灌注樁的沉渣模量與承載力成正比。為提升施工中灌注樁的承載力，可適當(dāng)增加沉渣模量。

4 結(jié)語

在公路橋梁工程中，鉆孔灌注樁作為一種常見的深基礎(chǔ)形式，因承載力高、抗震性好、施工噪聲小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。某公路橋梁工程采用鉆孔灌注樁施工技術(shù)，經(jīng)過護(hù)筒埋設(shè)、樁位標(biāo)定、鋼筋籠安裝及混凝土灌注等步驟，完成了鉆孔灌注樁的高質(zhì)量施工。通過模擬試驗(yàn)分析該施工技術(shù)建造的灌注樁在不同樁徑與樁長條件下的承載力變化情況，同時測試泥漿比重與降水狀況對孔壁穩(wěn)定性的影響。此外，探討了沉渣模量的變化如何影響灌注樁的承載力及其變形特性。本研究不僅為公路橋梁工程中鉆孔灌注樁的高質(zhì)量施工提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，還通過系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)揭示了關(guān)鍵參數(shù)對灌注樁性能的影響規(guī)律，有助于指導(dǎo)工程設(shè)計，從而提高施工效率和結(jié)構(gòu)的安全性。

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