软土地区灌注桩成孔施工与承载力特征现场试验研究

李 浩

(厦深铁路广东有限公司,广东深圳 518048)

随着我国高速铁路建设蓬勃发展,铁路桥梁建设也得到了蓬勃发展,由于高铁对线路的平顺性要求很高,高铁桥梁基础一般采用桩基础形式。虽然桩基础目前已得到广泛的应用,施工工艺类型多样,但对桩的研究还远远落后于其工程应用[1],主要表现为桩的承载力难以准确计算出来。这主要因为在桩基础施工过程中桩土间复杂的相互作用,桩侧摩阻力与桩端阻力难以准确计算。现有的研究表明:桩侧摩阻力的发挥与桩周土的力学性质、桩土的相对位移量[2]、桩-土接触性质[3]、时间效应[4]、桩端持力层的强度、桩端阻力发挥程度等因素有关。此外灌注桩的施工工艺有多种,各有利弊,施工工艺的选择与现场的地质条件关系密切,对施工进度和质量有较大的影响。结合厦深铁路上长沙湾特大桥的桩基现场,进行了静载试验和施工工艺试验。

1 工程概况

厦深铁路为一新建时速超过200km的铁路,该线潮汕段超过50%线路分布在软土地区,相当部分基础选用桩基。由于影响成桩质量和承载力因素众多[1～5],为了确保厦深线的施工工期和工程质量,选择合理的设计参数、提高设计可靠度、优化施工方案、进行桥梁桩基试验具有重要的工程指导意义。为此,在厦深铁路长沙湾特大桥内选取268号、269号、270号桥墩进行成桩工艺试验、单桩静载试验和桩身应力、应变试验,分析了桩侧摩阻力传递规律,获取沿线桥梁桩基础的承载能力和桩的荷载传递规律,并在满足桩基承载力的基础上,优化了桩基施工方案,为桩基的施工和设计提供了依据。

2 现场试验

2.1 试验桩概况

长沙湾特大桥位于厦深铁路DK378+830.804潮汕至惠州段新建工程,268号、269号、270号墩为该桥的3个试验墩台,各墩桩位布置如图1所示。

图1 桩分布示意

为了解不同施工方法在该工段地层条件下的适应性,并为工程桩施工工艺参数的合理选择提供依据,对30根桩进行了成桩工艺试验。

同时,为了分析不同工艺下桩侧摩阻力传递规律及桩端阻力的大小,确定桩的承载力,为设计提供依据,对3个试验墩台的桩进行了单桩静载试验和桩身应力、应变试验。各试验桩的设计参数如表1所示。

表1 各桥墩试桩设计基本参数

2.2 工程地质概况

各桥墩地层分布情况如表2所示。

3 施工工艺试验

3.1 施工工艺试验简介

灌注桩根据采用的成孔方法和手段不同,可分为回转钻孔灌注桩、旋挖灌注桩、冲孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩等。其中回转钻孔灌注桩、旋挖灌注桩、冲孔灌注桩在桥桩施工中应用较广泛。

本次试桩桩基均为梅花形布置,桩径均为1.0 m,其中268号墩采用2台冲击钻机成孔钻进,269号墩采用2台回转钻机成孔钻进,270号墩以SANYSR200C型号的旋挖钻机进行钻进施工,其中2、3、5、8号孔仍采用冲击钻进行施工。

表2 各桥墩地层分布情况汇总

3.2 试验结果分析

通过30根桩的现场施工工艺试验,得出成桩过程中几个重要的施工参数,见表3。

表3 各墩位的钻孔工效分析

从表3并结合现场施工可知:旋挖钻机成孔平均功效最大,为7.82 m/h,远远大于其他两种成孔方法的功效,且在厚度较大的淤泥、沙层条件下,其扩孔现象不明显,同时混凝土灌注的充盈系数较小,基本控制在1.14以内。综上分析,选择旋挖钻机成孔,优点在于成孔周期短、孔形好,其混凝土灌注的充盈系数最能体现其优越性,所以在满足桩的承载力要求的情况下,优先选用旋挖钻机成孔工艺。

4 承载力性状试验

4.1 试验装置

单桩竖向抗压静载试验采用锚桩横梁反力装置,如图2所示。

图2 锚桩横梁反力装置示意

加载采用3个5 000 kN油压千斤顶并联,通过电动油泵驱动加载,千斤顶的合力通过试桩中心。为了在桩基试验过程中测量桩身的应变,以分析竖向静载试验过程中桩侧摩阻力和桩端阻力的分布以及试验过程中桩身应变(应力)变化情况,结合桩基所在位置地质分层情况,每根试桩设若干个测试截面,每个测试截面埋有2～4个钢筋计,桩底埋设压力盒以测量试桩的端阻力。

4.2 承载力试验结果分析

采用以上装置进行单桩静力载荷试验,采用分级加载方法,其中268号墩和269号墩的单桩加载至设计承载力的2倍,270号墩的单桩加载至设计承载力的1.5倍。通过现场试验对268号墩的 5、6、7号桩,269号墩的4、5号桩,270号墩的5、6、7号桩进行静载试验,可以得出单桩的Q-S曲线及S-lg t曲线,鉴于268号墩、269号墩和270号墩中的各个单桩的载荷-沉降曲线性状特征相似,在此分别给出了3个墩中典型的Q-S曲线及S-lg t曲线,如图3、图4所示。

图3 桩身Q-S曲线

从图3和图4可以看出,各桩的Q-S曲线无明显的陡降段或第二拐点,S-lg t曲线无明显的下弯段。对于268号墩的单桩而言,试验荷载加至9 000 kN时,对应的累计沉降量为26.68 mm,试桩能较快稳定,卸载后试桩的回弹变形分别为10.04 mm,回弹变形占累计变形量的37.6%。依据规范,该试桩的竖向极限承载力均大于9 000 k N;同理,对于269号墩的单桩而言,试桩的竖向极限承载力大于9 480 k N,对于270号墩的单桩而言,试桩的竖向极限承载力大于6 700 k N。从上分析可知:268号墩、269号墩和270号墩的单桩均满足设计承载力要求。

图4 桩身S-lg t曲线

4.3 桩侧摩阻力试验分析

4.3.1 桩身轴力分析

试验加载前读取钢筋计的初读数,待初读数读取完毕后即开始加载,每级荷载稳定后分别测定每个安装截面测量元件在该级荷载下的变化量即可得出钢筋应力随荷载变化曲线。根据各桥墩试桩实测钢筋应力曲线,由于桩压缩变形中钢筋与混凝土一般不会脱离,根据变形协调原理,可得出桩身的实测截面应变:用应变乘以弹性模量、桩截面积即可得桩身轴向力分布曲线[6],如图5所示。

图5 桩身轴力随桩深变化规律

从图5可以看出,在淤泥层轴力斜率较大,表明轴力在该层传递较快,随着载荷增大,轴力斜率变化不大,表明该层侧摩阻力充分发挥;在强风化英安岩中,随着加载增大,该层中桩身斜率逐渐变大,表明该层侧摩阻力逐渐增大,当载荷增大到一定的程度,斜率基本不变,表明该层侧摩阻力充分发挥,其他土层如粉砂层、淤泥质粉砂、粗角砾层等与此相似;在整个加载过程中,桩端力随着加载不断地增大,表明桩端阻力尚未发挥到最大。

4.3.2 桩侧摩阻力试验分析

根据桩的受力平衡[6],得出桩侧摩阻力的大小,各桩端阻力、总摩阻力与荷载之关系曲线如图6、图7所示。

图6 各土层桩侧摩阻力与荷载关系曲线

图7 桩侧摩阻力和桩端阻力与荷载关系曲线

从图6可以看出:淤泥层的桩侧摩阻力首先发挥至最大,随后随加载增大基本保持不变。随后淤泥质粉砂或粉砂也逐渐发挥至最大,与淤泥层中的侧摩阻力略有不同,淤泥质粉砂或粉砂随着加载增大,其侧摩阻力有一定增大,但随着载荷水平增大,其增加的数量逐渐减少,表现在图6上,曲线斜率逐渐减少;全风化英安岩与粗角砾土随加载增大,其侧摩阻力与粉砂相似,都有一定的强化现象,强化效应略大于粉砂;强风化英安岩中桩侧摩阻力随加载水平强化效应比较明显,且极限侧摩阻力也较大,是主要的持力层。

从图7可以看出,在外载小于3 000 k N时,外载基本由桩侧摩阻力承担,这时桩端阻力很小,随着载荷增大,桩端阻力开始增大,但在初期,增加量较小,表现在曲线上其斜率较小,这表明桩侧摩阻力尚未完全发挥,随着外载继续增大,桩端阻力显著增大,这能在图7桩端阻力与载荷关系曲线上表现出来,而在这个过程中,桩侧总摩阻力增加量较小,这表明桩侧摩阻力总体上已基本完全发挥。

综上分析,对268号墩、269号墩和270号墩而言,加载至最大载荷后,桩侧摩阻力基本已经完全发挥,桩端阻力尚未充分发挥,不同地层中桩侧极限摩阻力的大小如表4所示。

表4 各土层极限侧摩阻力大小 kPa

表4结果表明:各桥墩试桩实测的分层侧摩阻力差异较小,表明了现场试验数据的可信性,可以取每层的均值作为今后工程桩设计桩侧摩阻力的依据,相应土层桩极限侧摩阻力标准值淤泥可取25 k Pa、淤泥质粉砂可取50 k Pa、粉砂可取 60 kPa、粗角砾土可取 100 k Pa、粉质黏土可取48 k Pa、全风化英安岩可取 68 k Pa、强风化英安岩可取110 k Pa。

5 结论

本文采用3种成孔工艺进行成桩,进行施工工艺试验比较,结合载荷试验结果可知,3种成桩方法成桩后,桩的承载力均满足设计要求,从经济性和工期考虑,宜选用旋挖钻钻进成桩;通过桩静载试验表明桩的承载力满足设计要求;另外,通过现场试验确定了桩的承载力性状,分析了桩在土中侧摩阻力传递规律,分析结果表明:各土层摩阻力不能同时发挥到极限,淤泥质土首先达到极限,且随着载荷增加,摩阻力基本保持不变;其次是粉砂、粗角砾土、全风化英安岩达到极限,但随着加载水平增大,其极限摩阻力有一定的加强;强风化英安岩最后达到极限,其极限摩阻力随载荷增加强化比较明显,是桩主要的持力层;而桩端阻力在加载过程中,加载初期基本为0 k N,随着加载增大,桩端阻力逐渐增加,但是整个加载过程中,桩端阻力尚未达到极限。

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