基于原位測試實用法的山區復雜場地鉆孔灌注摩擦樁承載力研究

中圖分類號： ∪441⁺ .5文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.032文章編號：1673-4874（2025）04-0115-04

0 引言

我國是多山地的國家，近年來隨著交通路網的不斷加密，山區道路工程越來越多。由于山區溝壑縱橫，橋梁在公路工程中的占比非常高[1-2]。樁基礎支承于堅硬持力層，具有較高的承載力和成熟的施工工藝，廣泛應用于橋梁工程的基礎中。公路工程中的樁基礎設計時，需要對橋址處地基展開地勘工作以確定場地土的地質力學性能，但對于小跨梁式橋梁僅能在橋墩處設置1個鉆探孔。山區場地形成不同于平原，其場地復雜，橋位處僅設置1個鉆探孔很難正確評估樁基礎所處的場地力學性能。在工程實踐中，常通過增加數倍樁基礎的工程量來達到確保橋梁基礎安全的目的，這使得工程造價異常高昂。現行《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG3363—2019）第6.1.6條指出，當地質條件復雜時應通過靜載試驗來確定樁基礎承載力，能達到確保基礎安全和工程造價合理的雙重目的[3-4]。樁基礎靜載試驗時，常用的檢測方法有低應變檢測法[5-6]、旁孔透射法[7-8]、聲波透射法[9]、自平衡檢測法[10-11]等。在樁基檢測的多種方法中，聲波透射法以其高效性和準確性，在識別樁基內部缺陷方面表現出色；自平衡檢測法依托其特有的工作原理和試驗裝置的簡易性，有效地超越了傳統承載力檢測技術的局限。

本文以某高速公路高架橋項目為依托，研究通過山區復雜地形鉆孔灌注摩擦樁原位試樁以確定樁基礎的承載力的方法。介紹了項目概況并分析了采用原位測試開展鉆孔灌注摩擦樁試驗的目的；介紹聲波透射法檢測完整性、自平衡法獲得單樁豎向承載力和利用JMZX-3001L綜合測試儀現場直接測試法測得樁身側摩阻力標準值和端阻力標準值；通過3根試樁的實踐，表明山區復雜地形鉆孔灌注摩擦樁原位試樁可有效降低樁長且能有效保證樁基礎承載力。

1 工程概況

某高速公路高架橋采用 3×（3×40）m 預應力混凝土簡支變連續T型梁，雙向四車道高速公路。根據地勘資料，場地地層主要由第四系人工填筑層、沖洪積層、殘坡積層和斷層破碎帶及三疊系組成。橋梁 0^? 臺、 1^? 墩、2^? 墩 ?^9? 臺位于陡坡地帶。泥巖、頁巖夾層及斷層破碎帶具有遇水易軟的軟弱夾層特征，巖層產狀及節理結構面對橋臺地基穩定性影響較大，橋臺地基穩定性較差。其余墩臺地勢相對平緩，橋梁基礎底部位于斷層破碎帶和中風化基巖，橋位地基穩定性較好。

原設計采用62根鉆孔灌注摩擦樁，如圖1所示，全橋總樁長為3350m。其中1.5m樁徑基樁4根，平均樁長為50m；1.8m樁徑基樁54根，平均樁長為55m；2.0m樁徑基樁4根，平均樁長為45m。從工程造價上看，原設計中樁基礎成本占整個橋梁造價的 65% ，樁基礎造價偏高，而樁基礎長度太長是導致工程造價增加的直接因素。工程實踐中，全橋每個墩位處僅有一個地質探測孔，地勘資料少，無法全面反映山地橋位處復雜的地質條件，工程上常通過增大樁長的辦法來確保橋梁運營安全。在確保橋梁運營安全的條件下，為了優化樁長降低工程造價，根據現行《公路橋涵地基與基礎設計規范》第6.1.6條的要求，開展樁基礎原位測試。為了全面了解決定樁基礎承載力的因素，該項目提出在橋位附近而不是在設計樁位處設置3根試驗樁（如圖1所示）。

圖1橋位樁布置及試驗樁位置平面示意圖

2原位測試實用法關鍵技術點

該項目采用鉆孔灌注摩擦樁，其單樁承載力受樁身完整性、樁身側摩阻力標準值和端阻力標準值決定。聲波透射法在檢測樁身完整性方面準確性高、不受地質地貌限制、適用范圍廣及數據豐富可靠等特點。自平衡法與靜載檢測方法相比具有設備輕巧、應用范圍廣、易于得到樁基承載力等優勢，同時利用JMZX-3001L綜合測試儀現場直接測試法可獲得樁側摩阻力及樁端摩阻力參數。通過依托項目中三根樁的原位測試研究，提出了原位測試實用法，其關鍵技術點包括試樁施工及試驗要求、樁身混凝土完整性分析方法、單樁承載力和樁側及樁端摩阻力測試技術特點。

2.1試樁施工及試驗要求

（1）本次試驗樁采用旋挖鉆機干作業成孔，先下鋼筋籠后灌注混凝土。樁長基本覆蓋斷層破碎帶中主要地層。試驗樁的基本參數見表1。

表1試驗樁基本參數表

（2）樁身需設置3根鋼質聲測管，管口應高出混凝土面100mm以上，以便對試驗樁樁身完整性進行檢測，判定試驗樁樁身完整性類別。下鋼筋籠前需在鋼筋籠上安裝好荷載箱和傳感器等預埋件，并按規范的相關要求進行測試，確保傳感器工作狀態正常。

（3）試驗樁的樁頭灌注應高出地面C ）.5～1.0m ，在灌注過程中需預留混凝土抗壓強度試塊并在標準條件下進行養護；成樁14d后采用聲波透射法對樁身進行完整性檢測；成樁28d后采用自平衡法對試驗樁進行單樁豎向抗壓承載力檢測并通過預埋的傳感器對樁身內力進行測試。

（4）所有試樁均加載至荷載箱極限出力值，預埋荷載箱出力值不宜少于設計預估單樁豎向抗壓承載力極限值的3倍。試樁在全樁長范圍內采用振弦式傳感器進行基樁內力的測量，傳感器的量程、精度應能滿足測試要求，并保證傳感器存活率 gt;80% 。傳感器選型及埋設參照《公路工程基樁檢測技術規程》[12]附錄A進行。

（5）主要儀器設備有基樁超聲波CT成像測試儀、全自動基樁靜載荷檢測儀、綜合測試儀、荷載箱、智能弦式數碼鋼筋應力傳感器和埋入型智能弦式應變計等。

2.2樁體混凝土完整性分析方法

利用聲波透射法開展樁身結構完整性檢測的基本原理：通過設置在混凝土內的超聲脈沖源激發出高頻脈沖波并利用具有接收換能性能和記錄性能的設備綜合分析該超聲波在樁體內傳播過程的波動特征，從而分析樁體的完整性。波動特征可反映樁基礎中混凝土的連續性：（1）混凝土中存在缺陷面則會形成波阻抗界面致使波產生透射和反射，從而導致接收的透射能量降低；（2）混凝土中存在諸如松散、蜂窩、孔洞等問題會使波產生散射及繞射，從而利用波的運行時間、能量衰減和頻率變化特性分析混凝土密實度；（3）通過分析不同側面及高度上的超聲波動特征，判別混凝土缺陷的大小和位置，從而判斷樁體的完整性。基樁聲波透射法試驗示意圖見圖2，聲測管埋置方式見圖3。

圖2基樁聲波透射法試驗示意圖

圖3聲測管埋置方式示意圖

項目成樁14d后采用聲波透射法對樁身進行完整性檢測，表明三根試驗樁除荷載箱安裝深度范圍外，其余所有測點聲學參數正常，接收波形正常。試驗樁1各檢測剖面平均波速介于3 654～4059m/s ；試驗樁2各檢測剖面平均波速介于4 253～4483m/s 試驗樁3各檢測剖面平均波速介于3 753～4450m/s 結合樁基評價[12]，可判斷三根試驗樁樁身完整性均為I類樁。

2.3單樁承載力和樁側及樁端摩阻力測試技術特點

基于自平衡法的單樁承載力的檢測原理為：將荷載箱和鋼筋籠一并埋入樁內設定位置，并將所需的測試位移、應變等物理量的裝置線引到地面，然后按鉆孔灌注樁的基本工藝澆筑樁混凝土。試驗時利用設置在地面上的加壓泵向樁體內的荷載箱加壓，利用樁體內自平衡原理，獲得上部分樁體反向加載的反應參數和正向加載時荷載箱位置以下部分樁體的反應參數。通過所獲得的參數開展分析，獲得樁基承載力及每層的側阻及端阻系數，計算出單樁承載力。

2.3.1荷載箱的設計及安裝技術要求

荷載箱是自平衡法應用的關鍵設備，其設置位置對測試結果至關重要。根據樁的受力情況，可分為抗壓樁、抗拔樁，其荷載箱的位置則會有所不同：（1檢測抗壓樁時，要根據預估極限端阻力和側摩阻力的不同來設置荷載箱的位置，即當前者小于后者時，荷載箱置于樁身平衡點位置，反之則置于樁端并采取配重措施；（2）檢測抗拔樁時，荷載箱應置于樁端并采用加深樁長等措施。

荷載箱的安裝工藝要求：

（1）自平衡試樁必須比正常的基樁測試至少提前2周進行各項技術資料的確認，以便開展荷載箱的定制。吊起后的荷載箱與鋼筋籠進行焊接：荷載箱的頂部和底部應分別與上下鋼筋籠的主筋焊接在一起，鋼筋籠之間設置導向鋼筋（喇叭筋），其規格與同樁鋼筋籠主筋一致。

（2）連接每節鋼筋籠時，需要對位移絲、位移護管、加壓油管進行連接，接頭及連接處需進行防水處理。

（3）檢測前，試樁兩側搭建基準梁和基準樁，基本要求應符合現行規范。檢測階段，現場應保證數據采集系統不間斷供電（380V、220V兩種電源），試樁周圍30m內不得有較大的振動。

2.3.2樁身傳感器的選擇及技術要求

樁身傳感線的選擇要根據測試目的、測試樁型及施工工藝確定。本次試驗根據實際選用JMZX-428系列智能弦式數碼鋼筋傳感器、JMZX-215HAT型埋入式混凝土應變計和JMZX-3001L綜合測試儀進行測量。傳感器設置時的要求：（1）為同時測量樁在相鄰土層的分層摩阻力，傳感器放在土層的界面處；（2）根據樁徑大小或試驗要求來決定同一斷面處傳感器的個數，一般要對稱設置2～4個。使用時應將傳感器平行于結構應力方向進行安裝，根據實際情況選用靠焊安裝方式。

2.3.3測試方法要求、數據處理結果及結論

測試過程采用慢速維持荷載法，加載速度及等級要根據現行規范執行。通過測試過程所繪制的荷載與位移量關系曲線、位移量與加荷時間對數曲線分析獲取結論。若要開展樁身應變和樁身截面位移測定，需要繪制樁身軸力分布圖，可獲得不同土層樁側阻力和端阻力。

根據現行規范，利用基樁靜載試驗自平衡法理論對本次三個試驗樁測試結果進行分析，并與項目地勘資料進行對比，極限承載力具體見表2，樁側及樁端阻力值見表3。

由表2和3可知，三根樁無論是單樁承載力還是樁側摩阻力和樁底樁端阻力具有離散性。由表2可知，本次試驗三個試驗樁的實際測試極限承載力均為按地勘資料預估極限承載力的3.5倍以上，說明按地勘資料評估承載力存在很大的浪費。根據表3及工程領域中常用做法，給出了本次樁基礎原位測試的各巖土層物理力學參數建議值如下：（1）樁側極限摩阻力標準值：素填土29 kPa ；粉質黏土（可塑） 77kPa ；卵石（松散一稍密）92kPa ；強風化斷層破碎帶（泥質） 192kPa ；強風化斷層破碎帶（砂質）373 kPa （2）極限端阻力標準值：強風化斷層破碎帶（泥質） 1582kPa ；強風化斷層破碎帶（砂質）1861 kPa_c

設計單位根據本次試驗結果及結合勘察地質相關資料，對該大橋項目的總體樁長進行優化。經過設計優化縮減橋梁樁基樁長1 270m ，優化金額約1084萬元，節約成本較大，取得良好的經濟效益。

表2自平衡法靜載荷極限承載力試驗結果對比表

表3樁側及樁端阻力值表

3結語

本文依托某高速公路某高架橋開展鉆孔灌注摩擦樁原位測試方法研究，通過聲波透射法檢測了試驗樁的樁身完整性；通過自平衡法獲得了場地實測極限承載力遠大于按地勘資料評估的承載力；通過在樁身設置傳感器獲得了樁側摩阻力及樁端阻力的實測值；根據統計學原則，給出了該項目鉆孔灌注摩擦樁設計的力學參數值。設計單位根據本次試驗結果及結合勘察地質相關資料，對該項目同種類土層地質參數進行修正，以此為基礎對橋梁鉆孔灌注摩擦樁進行優化計算。經過計算、論證，全線橋梁樁基工程量得以較大程度的減少，大大降低了成本投入，取得了良好的經濟效益，因而在山區復雜地形進行鉆孔灌注摩擦樁原位試樁試驗對優化樁長設計、降低工程造價具有良好的工程效應。

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收稿日期：2025-01-07