超长钻孔灌注桩质量控制理论与技术问题

2014-03-20郑金刚

交通运输研究 2014年10期

郑金刚

(河北燕峰路桥建设集团有限公司，河北石家庄 050091)

超长钻孔灌注桩在大型桥梁和高层建筑中越来越广泛的应用。桩的承载力是桩与土共同作用的结果，了解超长桩的界定与定义、承载力理论问题以及检测、设计以及缺陷处治技术，将对正确确定超长灌注桩承载力有指导意义。

1 超长桩的界定及定义

超长钻孔桩由普通桩通过逐渐增加桩长而形成。若桩径已定，在桩顶荷载作用下，普通桩桩侧及桩端抗力将达到极限状态。增加桩长度，桩顶可承受荷载逐渐增大，桩土刚度呈直线增加；当桩长增加到一定数值时，桩顶可承受荷载增大速率逐渐减小，桩土刚度的增幅逐渐平缓形成拐点。此时，如继续增加桩长，则桩土刚度不再增大，基本保持在一个定值（见图1）。

从图1可以看出，在相同桩顶沉降的情况下，随土层桩土剪切刚度减小而拐点下移，在土层不变的情况下随着桩顶沉降增加拐点下移。

按现有规范计算方法计算桩长时，设计承载力取桩侧摩阻力极限值和桩端阻力极限值的1/2。在桩顶容许大沉降的前提下，中小桥梁的中短桩计算结果与实际情况基本吻合。

对特大桥及重要桥梁，桩顶容许沉降均较小的长桩或超长桩才能满足上部结构的正常使用功能。从超长桩受力机理得知，因桩土位移的限制，下段桩侧摩阻力和桩端阻力不可能充分发挥，桩侧摩阻力和桩端阻力不可能出现整体达到极限的状态。

图1 桩长—桩土刚度曲线图

超长桩定义为：特大桥及重要桥梁在极限荷载作用下，为满足桥梁对桩顶沉降的限制条件，钻孔桩逐渐增长，但增加到一定长度后部分桩侧摩阻力并不能完全发挥，我们把有此特征值的桩基称为超长桩。

桩侧各土层摩阻力恰好达到极限值时的临界桩长为超长桩界定值。

超长桩的长度界定因桩顶位移、荷载及桩土参数的变化而不同。从单层土的计算分析可以看出，在荷载作用下，同等桩顶沉降时，超长桩界定值在软土中较大，硬土中较小。统计分析可以看出实际工程桩在不同的荷载作用或不同的桩顶位移时，96%的超长桩界定值分布在40m～80m的范围内。

2 超长钻孔灌注桩单桩承载力可靠度与成孔检测

2.1 超长钻孔灌注桩承载能力可靠度研究

利用JC法计算各类土的可靠度指标β，当抗力按对数正态分布计算时可靠度平均值在2.091~4.945之间；当抗力按正态分布计算时，可靠度平均值在1.520～3.071之间；汽车荷载分布形态对计算结果影响不大，抗力按对数正态分布计算时，计算结果高于按正态分布计算的结果。一般运行状态和密集运行状态计算结果相差不大。利用最小二乘法确定超长钻孔灌注桩目标可靠度指标在2.3～2.5之间。

2.2 超长钻孔灌注桩扩孔值的统计及成孔检测规程

通过对多个工程共计2630根钻孔灌注桩的成孔直径进行统计分析，给出了实际成孔直径扩孔值标准值的建议取值，如表1所示。

表1 扩孔值建议取值

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041—2000）和《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024—85）对钻孔灌注桩成孔质量标准的规定，结合多个工程的成孔质量检测实践编写的超长钻孔灌注桩成孔质量检测规程对超声法成孔检测的设备要求、检测方法、数据分析、报告编写方法等做了详细规定，对今后超声成孔检测方法的推广和应用具有指导意义。

3 超长钻孔灌注桩群桩承载性能的研究

3.1 超长钻孔灌注桩群桩承载力的理论研究

笔者对3D、4.5D和6D三组不同桩间距超长钻孔灌注桩进行了理论计算分析，总结了桩端应力与桩端位移与桩间距的关系，图2～图4为计算分析图。

图2 不同桩间距下桩端应力云图

图3 桩端应力与桩间距的关系

图4 桩端位移与桩间距的关系

3.2 超长钻孔灌注桩群桩室内模型试验

笔者通过试验对三组不同桩间距的群桩承载性能进行了室内模型试验分析，图5为桩间距分别为3D、4.5D和6D的群桩荷载—沉降实测曲线，并得到群桩中各桩的桩身轴力、侧摩阻力、桩侧阻力与桩土相对位移分布。

图5 不同桩间距的三组群桩的Q—S曲线

4 超长钻孔灌注桩质量检测与缺陷处理

4.1 质量缺陷严重程度判定与现场处治

为解决现行规范关于超声波法桩身质量单一判据的不足，本研究将检测到的混凝土声学参数，用数理统计方法计算得到梯形隶属函数的分类，应用模糊数学理论，将桩基混凝土质量设定为优、合格和不合格三类，综合考虑各个参数对基桩质量评价的影响，确定各个参数对总体影响的模糊权向量，建立模糊综合评价模型，得到桩基质量判断的综合判断结果。

笔者对超长桩桩基灌注质量事故的预防与处理措施、不同缺陷处理方案、后注浆的施工工艺及参数进行了研究，形成一套完备的超长桩，该技术在工程中得到成功应用。表2为该缺陷处理技术应用情况表。