大直径钻孔灌注桩施工技术研究及试验分析

2015-10-21岳良

建筑工程技术与设计 2015年21期

岳良

【摘要】文章通过桩位放线、钻机定位、钢筋笼的制作、混凝土的灌注等9个方面对大直径钻孔灌注桩的施工过程进行详细阐述，结合桩基荷载试验的观测，分析试桩抗压、抗拔极限承载力的确定方法。试验分别对两根试桩进行测试，得到其实际承载力符合设计要求，为类似大直径桩基的施工与试验提供参照。

【關键词】钻孔灌注桩；施工方法；桩基承载力；试验分析

引言

桩基是一种广泛应用的结构基础形式，具有承载力高、沉降量小而且较均匀的特点。随着现代工程建设规模的扩大，工程上部结构尺寸也不断增大，对桩基的承载力提出了更高的要求，桩基向着大直径、深长、扩底等方向发展。

桩基的承载力影响因素较多，桩土相互作用十分复杂，因此桩基一直是工程研究领域中的热点和难点[1-2]。近年来，大直径钻孔灌注桩在工程中得到广泛应用，本工程为某轨道交通换乘站，桩基础皆采用钻孔灌注桩。下文主要阐述大直径钻孔灌注桩施工技术方法及荷载试验结果分析。

1、试桩概况

根据国家相关规范规定及设计要求，进行2根桩基静载荷试验，以验证其极限承载力是否达到设计要求。各土层物理力学性质指标见表1。

表1 各土层物理力学性质指标

层号

名称

含水量

土重度

孔隙比

液限

塑限

塑性指数

液性指数

kN/m3

①-1

杂填土

28.7

19.70

0.777

37.0

19.7

17.3

0.99

①-2

素填土

27.7

19.30

0.800

29.4

17.1

12.2

0.87

②-1b3～2

粉质黏土

25.5

19.80

0.729

29.9

17.5

12.4

0.65

②-3b4～3

粉质黏土

36.3

18.40

0.990

35.1

20.4

14.8

0.99

②-3c3

粉土

31.1

18.90

0.873

29.4

23.6

5.9

0.93

②-3d4～3

粉砂、细砂

29.0

19.30

0.798

②-5b4～3

粉质黏土

34.8

18.40

0.993

33.2

19.6

13.7

1.10

②-5d2～1

粉砂、细砂

25.7

19.40

0.744

③-2b2

粉质黏土

23.5

20.30

0.655

28.0

16.4

11.5

0.65

③-2c2

粉土

23.3

20.00

0.665

31.1

22.5

8.6

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）的规定以及相关参数[3]，大直径桩单桩极限承载力标准值时，可按下式计算：（1）式中：为桩侧第层土极限侧阻力标准值；为桩的极限端阻力标准值；为大直径桩侧阻尺寸效应系数；为大直径桩端阻尺寸效应系数；为桩身周长，取。

基桩的抗拔极限承载力可按下式计算：（2）

式中：为基桩抗拔极限承载力标准值；为桩身周长；为桩侧表面第层土的抗压极限侧阻力标准值；为抗拔系数，取值为1。试桩详细参数见表2。

表2 试桩参数

试桩编号

类型

桩径

（mm）

桩长

（m）

承载力特征值

（kN）

预估加载值（kN）

GC-3

抗拔

1200

5423

2×10846

JC-21

抗压

1000

7.5

2356

2×2450

2、试桩施工技术

下面就本工程钻孔灌注桩施工过程中几个关键步骤做技术说明：

1. 放桩位线

根据图纸提供的桩位中心，做好保护及复核，桩位中心点处做出三角标志，打好十字控制桩并及时保护处理[4]。

2. 埋设护筒

HPE液压垂直插入机就位，根据桩位十字线，使HPE液压垂直插入机的定位器中心与桩位中心对齐，控制护筒中心位置。护筒采用20mm钢板制作，上部做一到两个溢浆孔，

3. 钻机定位

钻机定位时，必须保证钻机稳定性。钻机在完成定位、水平和垂直度调整后，由现场操作人员对本台机器的各项设置参数进行锁定，使机器达到最佳工作状态，从而有效地保证下一步成孔作业的施工质量。

4. 钻机成孔

护筒埋设完毕后，用泥浆泵向孔内注入稳定液，钻机利用钻斗自重以及液压旋转筒式钻头加压进行原始土的挖掘，反复循环钻至设计深度，注意在钻机钻进过程中要不断加注稳定液，成孔作业结束后，测量孔深、孔径是否达到设计要求[5]。

5.一次清孔

一次清孔主要是粗略清理的过程，清孔时将铲斗放至孔底，通过铲斗旋转钻进渣土达到清孔目的。

6. 钢筋笼的制作

钢筋笼整体制作，材料采用HRB400热扎钢筋，主筋与主筋制作中可采用搭接焊或机械接头，主筋应调直、除锈、下料准确，并应符合设计及施工规范要求，搭接焊或机械接头应先进行试焊送验，合格后方可使用。

本工程钻孔灌注桩主筋与箍筋均采用电焊连接，主筋与螺旋筋全部采用点焊，定位筋用环型模制作，焊接必须牢固[6]。钢筋笼焊接选用502焊条，焊距宽度不少于0.8d，厚度不少于0.3d，钢筋焊接过程中应及时清除焊渣。

钢筋笼制作允许偏差应符合《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）[7]的相关规定，制作成型的钢筋笼，要分组堆放在平整的场地上，不得变形。超声波管的制作必须焊接牢固、密封，不得漏浆。

7. 钢筋笼的安装

钢筋笼的安装必须符合设计和施工规范要求，在吊放时钢筋笼需整体吊装，严防碰撞，不得变形[8]。考虑钢筋笼自重，起重高度在27m以上，吊车选择不少于100吨（100吨主臂长度33m，作业半径18m，起重量为28吨），在吊放钢筋笼时，选用150吨单机双勾抬吊，共分4个吊点，以150吨履带吊主钩为主吊，主吊点位置距上端在6m处，副鉤起吊3个点，该3点采用滑润组，见图1。图1 钢筋笼吊装示意图

8. 导管安装及二次清孔

导管应在下放钢筋笼后尽快安装，期间需严格控制桩孔底部沉渣厚度。导管使用前必须经过压水试验，本工程采用Φ300mm导管，接头用螺纹连接方式并加O型密封圈，严防导管漏气漏水。为防止导管下放过程中卡挂钢筋笼，其吊放位置应居中，吊放过程稳步沉放，导管距孔底300mm～500mm。

第二次清孔采用气举反循环清孔技术，该方法的使用缩短了清孔时间，且清孔较彻底。清孔中应注意补浆充足和保持孔内稳定液液面稳定，清孔后稳定液比重应小于1.15，返稳定液比重小于1.20，含砂率小于4%，孔底沉渣应小于20mm。在满足以上各控制指标后，才可以进行下道工序。

9. 混凝土的灌注

清孔结束后须在30分钟内灌注混凝土，否则必须重新清孔。混凝土灌注中应使用隔水板及隔水球，在灌注前首先把隔水球放入导管内，再在混凝土料斗内放入隔水板，待料斗放满混凝土后快速打开隔水板，使混凝土顺着隔水球往导管内下落。混凝土灌注时，要慢并且平稳的提升导管，防止其与钢筋笼发生碰撞[9-10]。另外为保证桩头混凝土质量，最后一次混凝土浇灌量宜控制在设计桩顶标高以上约1.0m。灌入过程中，应认真做好灌注原始记录，并及时分析整理。

3、试验过程

3.1 测试规程

本工程荷载箱埋设在试桩底部，加载采用慢速维持荷载法，测试按中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）[11]和《基桩自平衡法静载试验技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）[12]进行，桩身强度达到设计要求并不应少于15天方可进行试验，每级加载为预估加载值的1/10，第一级按两倍分级荷载加载，卸载分5级进行。

3.2 位移观测

每级加载后在第1h内分别于5、15、30、45、60min各测读一次，以后每隔30min测读一次。电子位移传感器连接到电脑，绘制Q-S曲线。每级加载每一小时的向上、向下位移量均不大于0.1mm，并连续出现2次时即可认为稳定。卸载应分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。每级荷载卸载后，应隔15min测读一次，读两次后，隔半小时再读一次，即可卸下一级荷载。卸载到零后，隔3～4小时再测读一次。

3.3 终止加载条件

1、位移量大于或等于40mm，本级荷载的位移量大于或等于前一级荷载的位移量的5倍时，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。

2、总位移量大于或等于40mm，本级荷载加上后24h未达稳定，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。

3、总位移量小于40mm，但荷载已达到压力箱极限或位移达到荷载箱行程，加载即可终止，取此最大加载值荷载为极限荷载。

4、试验结果分析

根据试桩的加载极限值，可按下式确定试桩i的极限承载力：Qui= Qusi

式中：Qui为试桩i的单桩承载力极限值，单位为千牛（kN）；Qusi为试桩i上段桩的最终加载值，单位为千牛（kN）。

对试桩GC-3、JC-21的试验工作，GC-3加载至最大加载值（第十级2×10850kN）停止加载开始卸载，Qus取10850 kN；JC-21加载至最大加载值（第十级2×2450kN）停止加载开始卸载，Qus和Qux取2450 kN。

每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的±10%。测试过程天气晴，所检桩周围10m范围内无较大震动，现场情况符合测试条件。由现场实测数据绘制的Q-s曲线（见图2、图3）。

图2 试桩GC-3 （Q-s）曲线转换图

图3 试桩JC-21 （Q-s）曲线转换图

根据中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）[11]综合分析，各桩极限承载力如下表所示：