软土地区大直径钻孔灌注桩承载性状分析

廖志兵

(江西省新余市公路管理局渝水分局，江西　新余　338025)



软土地区大直径钻孔灌注桩承载性状分析

廖志兵

(江西省新余市公路管理局渝水分局，江西新余338025)

文章结合桥梁工程实例，对软土地区预应力连续梁大直径灌注桩进行了一系列承载性状试验分析，结果表明：大直径灌注桩能够发挥高承载力特征；在静载试验过程，荷载级数的增大，桩侧阻力占桩体总阻力的比例也不断上升，极限承载外力下可达90%，桩底应力值占比小；桩周孔隙水压力在施工期有明显波动，但伴随排水固结孔隙水压力后期呈缓慢下降状态。

梁桥；大直径灌注桩；软土路基；摩阻力；承载力

0　引言

如今，桥梁建设伴随交通规模的升级，在跨径上实现不断突破，上部结构体积不断扩大，对地基承载力的要求提高，尤其是软土分布较广地区。桩基础自出现以来，已成为桥梁深基础的首选方式之一，在软基影响较大地区，大直径灌注桩形式的桥梁桩基得到了广泛应用。大直径灌注桩按照《建筑桩基技术规范》[1]划定为直径>800 mm的桩，在软基分布地区，多以大直径超长灌注桩为梁桥桩基形式，置换地基土，对软土地基起到挤密作用，在承载力上有十分显著的提高[2-3]。灌注桩采用高强混凝土材料，变形量小，能较为稳定地为上部结构提供支承。

大直径灌注桩已广泛应用于大型桥梁、高层建筑等工程中，但关于灌注桩的应用研究目前还较少，笔者以某大跨境梁桥为研究背景，从大直径灌注桩承载性状出发，对软基段桩基础工作特性进行了试验分析，为灌注桩的继续发展提供参考。

1　工程概况

试验段梁桥起点桩号K023+220，终点桩号K026+930，全长371 m，引桥是3联13 m简支T梁，主桥是预应力连续梁桥，为变截面箱型结构，高跨比1/17，每个承台下部埋置6φ1 000mm的灌注桩，混凝土强度等级C30，由于软基垂直分布较广，桩径约34m，桩底嵌入中风化花岗岩。

为研究此路段大直径灌注桩的承载性状，分别对两个承台下相同位置处单桩P1和P2进行了比较试验，P1和P2桩均以中风化岩为持力层，但在地层分布上有不同，表1为P1、P2的各地层性状分布情况。

表1　P1、P2灌注桩地层分布状况表

2　试验概况

试验桩基为钻孔灌注桩，由于上覆盖土层较松散，软土特征明显，在进行钻孔灌注阶段要进行实时监测，笔者拟通过对比P1、P2单桩的桩顶应力、桩身轴力、桩侧摩阻力和桩底应力变化，分析钻孔灌注桩的竖向承载特性，同时，软基受孔隙水压力变化较大，将在单桩不同土层上布置超静孔隙水压力计进行施工监测。土层在施工阶段受钻孔灌注的扰动影响较大，为提高分析精度，在钻孔灌注期，10min/次进行仪表记录，当灌注结束后，前两天1次/30min、之后一周1次/60min，一周后1次/6h。

3　试验结果与分析

3.1灌注桩单桩承载力试验

根据慢速维持荷载法，选用4×500t千斤顶和锚桩组成的反力装置进行测验，以12级1 250kN/次加载方式，采用高精度电子计算机进行沉降数据采集，得到单桩承载力与沉降关系Q-S曲线如图1所示。

图1　单桩承载力(Q)与沉降(S)关系曲线图

由图1可知，P1、P2灌注桩在承载力极值上有明显不同，P1桩在0～15 000kN的整个实验加载过程中，沉降曲线都较为缓和，未有明显折线变化，当施加15 000kN外荷载时沉降仅约13mm，灌注桩在该软土地基中有较好的发挥作用；而P2桩在加载至8 750kN时，桩体沉降速率开始比上一级加载提高许多，从8 750kN以后，桩体的沉降随试验荷载的每一级增加出现了明显折线变化，12 500kN外荷载作用下P2桩体沉降已超过了40mm，可见，P2灌注桩的极限工作荷载约为8 750kN。P1、P2的桩体承载力差异主要与两个灌注桩的分布地层差异有关，P1桩在13.6m埋深开始进入强风化花岗岩，32.8m后进入中风化花岗岩，嵌岩深度为0.6m，承载力状况较好，而P2桩体在黏土与中风化粉砂岩之间分布了部分的残积砂质黏性土，较P1整体的土层性质差，嵌岩深度也少了0.2m，而试验为工程桩，实际工程桩基所处的地下土层分布状况对静载承载力试验结果有明显影响。

3.2灌注桩身轴力试验分析

本试验采用高精度的振弦钢筋应力计对灌注桩进行轴力变化监测，伴随之前静载试验的过程记录了不同加载下的应力变化，再通过桩身轴力计算公式：

(1)

εs=σs/Es=Ps/(AsEs)

(2)

N=σA=εsEpA

(3)

式中：Ps——振弦钢筋应力计采集的钢筋荷载；

K、f——传感器系数和不同压力作用下的振弦钢筋应力计自振频率；

A、As——P1、P2桩身截面面积和钢筋截面积；

Ep、Es——桩身和钢筋的弹性模量值。

P1桩受地层性状影响承载力较好，图2为此灌注桩随埋深增大时桩身轴力的变化曲线。

图2　随埋深变化下桩身轴力曲线图

桩身轴力是由钢筋应力计数据换算而来，由图2曲线可知，静载试验时加载1 250 kN、2 500 kN、3 750 kN，桩身轴力在14 m以下接近0，桩体还无法整体共同进入工作，受上部加载桩体周间土层在发挥主要作用，类似于摩擦桩的工作机理；施加荷载级数继续提高后，P1的桩身下部也陆续开始进入工作，比较加载5 000 kN之后的轴力变化，曲线越来越缓，表明受桩顶外力提高的影响，在桩身轴力提高的同时，桩间土的摩擦效应也在不断的增强，灌注桩在软土地基中与桩间土的摩擦效应对提高承载力发挥着重要的作用。

3.3灌注桩桩侧阻力、桩底应力试验结果分析

由振弦钢筋应力计数据计算相邻测点轴力的差值为该测段桩身的桩侧阻力工作值[4]，选取P1、P2两单桩的极限承载力(15 000 kN、8 750 kN)对应的实测轴力数值分析，得到两根灌注桩桩侧阻力变化曲线如图3所示。

图3　桩侧阻力与桩长关系曲线图

桩与桩间土层的摩擦力在提高地基承载性状发挥着重要的作用，当路基荷载较小时，一般是桩体上半部分在发挥摩擦效用，同时对周间土也产生挤密效应。由图3可见，在极限外荷载作用下，全桩都在发挥作用，但此时上半桩身的摩阻应力较小，土层多为黏土，而下部花岗岩层发挥着主要承载作用，产生端承桩的工作机理；P1桩穿过塑性黏土后直接与强、中风化花岗岩接触，灌注桩整体承载力提升较大，在嵌岩段最大摩阻力约5 310 kPa，P2桩约3 819 kPa，相差39%。桩身受外荷载的增大影响竖向位移也在扩大，直接影响深层较好岩层的摩阻力发挥，大直径钻孔灌注桩的“端承摩擦桩”工作方式对软基承载力有显著提高。

两根工程桩以中风化花岗岩为持力层，桩底埋设高精度压力传感器，在静载试验过程记录了分级荷载下桩底的荷载变化如图4所示。

图4　分级荷载作用下桩底荷载变化曲线图

图4再次表明了在静载试验中外荷载较小时，灌注桩的承载力主要由上半桩身与桩间土的摩阻力提供，当分级荷载继续增加，桩体的竖向位移引起了下部桩间土的共同参与，此时，桩底压力计入荷载逐步增大，桩端也开始提供承载力；图4中12级荷载桩底荷载可达1.75 MN，图3中桩身阻力在极限荷载作用下发挥较大作用，P1桩侧阻力占灌注桩总阻力约90%，P2约86%。桩端阻力分别占10%、14%，说明大直径灌注桩在软土路基中与桩间土的摩阻力是提高地基承载力的主要因素，在施工过程中，孔桩侧壁的混凝土灌注应严格规范，对地基承载力会有较大帮助。

3.4超静孔隙水压力测试结果与分析

在钻孔灌注施工阶段，软基的各土层孔隙水会有较大影响，地基承载力将受孔隙水压力发生变化[5]。试验在孔压变化较大的各个地层分界面布设超静孔隙水压力计，得到三个土层界面孔隙水压力变化如图5所示。

图5　土层超静孔隙水压力随时间变化曲线图

由图5可知，灌注桩在钻孔和灌注过程中，容易引起土层孔隙水压力的上升，但总体的孔隙水压呈下降趋势，受塑料排水板的快速排水固结帮助，三个土层分界面的超静孔隙水压力在施工前期下降较快，虽然中间受施工影响如钻孔钻进发生的抽吸作用、混凝土灌注不连续等导致孔隙水有小范围起伏波动，但土体孔压在整个监控期内呈快速下降-缓慢下降的变化趋势。

试验桩所在土层孔隙水压力相差较大，由图5曲线分布可知，灌注桩的施工对浅层土的影响最大，尤其在表层填土与粉质黏土分层，最大孔隙水压力约23.8 kPa，灌注结束后约20.4 kPa，之后的固结排水稳定在17.8 kPa；相比第三层孔隙水压，孔压在经历排水固结后约4.9 kPa。施工期孔隙水压力对地基的抗剪强度有影响，为更好发挥灌注桩的承载力，应严格控制施工期间的各项流程及指标。

4　结语

桥梁采用桩基础施工噪音小，抗震性能好，地基承载力有较好提高，通过对实例预应力连续梁桥下部灌注桩承载性状的研究，得到结果如下：

(1)大直径灌注桩承载力受到地层性状的影响，实例两个工程桩由于土层分布的不同，P1桩极限承载力比P2桩高出20%；

(2)桩身轴力在外荷载施加较小时，上部桩体发挥主要作用，下部桩身轴力接近0，随荷载级数的增大下部桩身轴力增大；

(3)大直径灌注桩主要由桩侧阻力发挥承载能力，占总阻力85%以上，荷载级数较高时，下部桩身穿过岩层物理性质较好，其摩阻力对桩身阻力影响最大；

(4)在施工期，钻孔开挖、灌注对土层的扰动较大，尤其是分布于表层的填土，孔隙水压力居高不下，排水固结速度较缓，应严格控制施工流程的各项指标。

[1]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[2]赵春风，鲁嘉，孙其超，等.大直径深长钻孔灌注桩分层荷载传递特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009(5)：1020-1026.

[3]汪凡文，秦勤.桥梁工程大直径嵌岩桩的承载性状研究[J].交通科技，2007(3)：8-9.

[4]顾培英，王德平，吕惠明.大直径灌注桩桩侧摩阻力试验研究[J].公路交通科技，2004(1)：62-66.

[5]李娴.钻孔灌注桩施工控制要点及常遇事故处理[J].山西交通科技，2010(3)：70-72.

Analysis on Carrying Properties of Large-diameter Bored Grouting Piles in Soft-soil Area

LIAO Zhi-bing

(Jiangxi Xinyu Highway Administration Bureau，Xinyu，Jiangxi，338025)

In combination with bridge engineering examples，this article conducted a series of bearing behavior experiment analysis on prestressed continuous large-diameter grouting piles in soft soil area，and the results showed that：the large-diameter grouting pile can play the high bearing capacity characteristics；and during the static load test，the proportion of pile side resistance representing the total pile resistance keeps rising with the increase of loading classification number，the limit bearing can reach up to 90% under external forces，and the pile bottom stress accounts only for a small proportion；the pore water pressure around the piles has significant fluctuations during the construction，but showing the slow decreasing at the late stage with the drainage consolidation pore water pressure.

Girder bridge；Large-diameter grouting pile；Soft-soil roadbed；Friction resistance；Carrying capacity

U443.15+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.013

1673-4874(2016)08-0049-04

2016-06-05

廖志兵(1974—)，工程师，研究方向：公路桥梁施工及管理。