软土地基中钻孔灌注桩的成孔性状及对桩承载能力的影响

2022-01-25涂传尚上海市地矿建设有限责任公司上海200072

建筑科技 2021年4期

涂传尚（上海市地矿建设有限责任公司，上海 200072）

钻孔灌注桩基础因施工工艺成熟、承载能力高等优点而成为高层建筑中的常用基础形式。

在工程实践中，往往需对桩基础进行承载能力评价。然而，在钻孔灌注桩的静载试验资料分析中，发现有同一场地中相同构造形式的单桩承载能力相差 20%～30% 的现象[1]。其中可能除了桩的强度、桩身质量和孔底沉渣等因素外，钻孔灌注桩成孔性状指标如成孔曲线、孔径、垂直度、沉渣厚度等的不同将是桩承载力产生差异的原因。

刘铁军等[2]在软土地基上采用变径凹凸形灌注桩成孔工艺进行的钻孔灌注桩施工，探讨了桩扩孔对承载力桩的影响。研究结果表明：当于桩的中下部设置变径扩孔，变径扩径所增加的桩混凝土量只比圆形桩增加大约 6%，但桩的承载力却增加了 25% 左右。舒翔等[3]认为桩孔性状、泥皮厚度、沉渣厚度、桩孔暴露时间等许多桩孔特征因素都会对桩的承载性状及承载力产生一定的影响，在实际施工时，根据场地的具体情况，选择合适的施工机具和施工工艺，保证孔壁一定的凹凸和起伏，避免孔壁过于平直，以增大桩侧阻力。

总体而言，针对软土地基中摩擦桩承载能力与成孔性状关系的相关文献较少，故而非常有必要开展相关研究工作。

本文以上海某工程项目钻孔灌注桩的成孔质量检测数据和静载试验数据为依据，分析软土场地中摩擦桩的承载能力与桩成孔性状的关系，以供桩基础的施工和承载能力评价参考。

1 工程及施工概况

1.1 工程概况

上海某工程项目由 1 栋 24 F 的高层办公楼、4 栋 4～5 F 多层建筑组成，其下部结构分别为直径Φ550 mm、桩长 71.5 m和Φ550 mm、桩长 38～40 m 不等的钻孔灌注桩。根据岩土工程勘察报告，场地地基土主要由填土、粉性土、淤泥质土、黏性土、粉砂等组成。本工程涉及到的不良地质条件及特殊性岩土有杂填土、障碍物、软土和液化。其中：杂填土土质不均，结构性差，强度变化大；②3-2 层砂质粉土和 ②3-1 层砂质粉土这两层土在水力作用下易产生流砂、管涌、坍塌等不利岩土现象，浅部 ④ 层淤泥质土土质软弱，具有流变触变特性，可能引起坑壁坑底失稳。具体土层分布情况以及地层特性根据此工程的《岩土勘察报告》如表 1 所示。

表1 地层特性表

1.2 钻孔灌注桩成桩概况

钻孔灌注桩采用正循环回转钻工艺施工，土层的状态越接近可塑，密实度越大，压缩性越高，在成孔后，孔径的变化范围就越稳定。成孔曲线如图 1 所示，若干根试桩的成孔质量检测结果如表 2 所示。

图1 成孔曲线

表 2 成孔质量检测结果表

2 基桩静载荷试验

本工程基桩静载荷试验采用锚桩横梁反力法，如图 2 所示。荷载装置由 1 根主梁、2 根次梁、4 根锚桩、6 台油压千斤顶组成，反力由 4 根锚桩提供，试验荷载由电动液压油泵通过 6 台油压千斤顶施加于试桩桩顶。单桩竖向抗压静载试验数据如表 3 所示。

图2 竖向抗压静载试验示意图

表 3 单桩竖向抗压静载试验数据

3 钻孔桩的成桩状况评价和对承载能力的影响

对于钻孔摩擦桩主要依靠桩壁与土之间的摩阻提供桩的承载能力，桩的扩孔率、垂直度、桩底沉渣厚度等成孔质量将对承载能力起到影响。以下就本项目钻孔桩的扩孔效应、孔壁粗糙度、垂直度和扩孔分布状况等参数做一系统分析，并结合上述参数分析其对钻孔桩承载能力的影响。

3.1 扩孔状况

以 1 号楼和 2 号楼的钻孔桩为例，分析在各土层中的平均成桩桩径和扩孔率。由表 4 可知，对应地质报告中所提及的不良地质土层的 ②3-2 层砂质粉土和 ②3-1 层砂质粉土、浅部 ④ 层淤泥质土，扩孔率都较大。⑤1-2 粉质黏土和 ⑥粉质黏土土层中的成桩直径也较大。另外，因接近地表的土层中土对桩机钻头的约束作用相对较小，故而易形成扩孔效应。随着钻孔加深，孔径变化的波动性减小。

表4 各层土中的平均桩径和扩孔率

3.2 粗糙度

Ls—沿钻孔深度剖面曲线的总长度。

其中，Δr/rs是孔壁凹凸度的相对量，表示孔壁沿径向的变化情况；Lt/Ls表示孔壁沿深度方向总形状的变化。依据各个桩的成孔曲线计算的孔壁粗糙度如表 5 所示。

表5 成孔参数

3.3 影响桩承载能力的参数分析

以 1 号楼各试桩为例，分析比较钻孔桩相关成孔参数对桩承载能力的影响。

从试桩的静载试验看，80 号桩和 138 号桩的加载曲线相当。从成孔曲线看，扩孔的形式也是相差不大，上部扩孔率为 10%，中部扩孔率为 6% 和 8%，粗糙度相差不大，桩侧表面积也相当，表明摩擦效应相当。再则，80 号桩较138 桩的粗糙度为大、孔底沉渣和垂直度较小，故其最大沉降量略小，为 25.64 mm，残余沉降量为 15.64 mm。

比较 33 号桩和 105 号桩，粗糙度分别为 0.021 7、0.040 9，垂直度分别为0.72、0.44，桩侧表面积分别为188.5 cm2、190.5 cm2，孔底沉渣分别为 10 cm、9.6 cm，但在最大荷载12 000 kN作用下，前者的最大沉降量22.43 mm，后者沉降 30.04 mm。从这粗糙度、垂直度和孔底沉渣等看，更粗糙、更倾斜、孔底沉渣厚度小的桩反而沉降量更大，现象似乎与数据统计规律不同，细致分析原因或与成桩形状相关。比较两者成孔曲线可以看到，33 号桩顶端的 ② 3-2 层砂质粉土、② 3-1 层砂质粉土和浅部 ④ 层淤泥质土层中的扩孔程度相对较小，平均扩孔率 11%，而在中部 ⑤ 1-1 和⑦ 1 砂质粉土层存在 2 个扩孔区，平均扩孔率达到 11% 和 8%，结合上下的成孔形状而言，中部的扩孔构成了类似扩盘桩效应而提高了桩的承载能力。虽然 105 号桩的桩顶端扩孔程度大于 33 号桩，平均扩孔率达到 14%，但中部土层中没有明显的桩径扩大区域，整体的上大下小的成孔形状虽能加大桩的粗糙度但不利于提高桩承载能力。从这一点也说明，钻孔桩的扩孔区域分布状况对桩的承载能力有较大影响。桩顶部扩孔程度越大则加载曲线的斜率也越大。

再则，分析二号楼的各试桩参数情况。

比较 9 号桩、21 号桩和 59 号桩，粗糙度分别为0.038、0.029、0.018，垂直度分别为 0.49、0.36、0.44，孔底沉渣厚度分别为 7.5 cm、8.6 cm、7.5 cm，全桩平均扩孔率 7%、7%、5%，桩顶部平均扩孔率 9%、11%、6%，桩侧表面积分别为 70.86、70.38、69.11，对应的同等级荷载作用下桩的最大沉降量分别为 8.40 mm、10.00 mm、11.16 mm，桩的最终残余沉降量 5.09 mm、6.03 mm、6.37 mm。结合加载曲线，由此可以得出的结论是：桩沉降量与粗糙度的负相关，粗糙度越大，桩的沉降量越小，故桩的承载能力越大；桩垂直度和孔底沉渣厚度对桩承载能力影响的规律不明显；桩顶部扩孔程度对加载初期的曲线斜率有影响，桩顶部扩孔程度越大则加载初期的曲线斜率也越大；扩孔后引起桩侧表面积的变化将影响桩的承载能力。