基于滨海相淤泥的桥梁基础施工质量影响因素研究

马剑飞

（秦皇岛市地方道路管理处，河北 秦皇岛 066000）

1 工程概况

某拟建的互通主线桥位于沿江高速公路，属滨海泥滩区，全长2 853m。基础拟采用冲孔灌注桩。因泥滩区表层土质非常软弱，故先填筑施工平台，以便于桩基的顺利施工。其中44 号墩及45 号墩处的施工平台已完成填筑。为研究桥梁基础施工过程中，钢护筒、桩身及桩周土体的应力及变形是否会发生变化，选择该互通主线桥44-7#、45-7#两根桩进行现场测试。测试桩的有关参数见表1。

表1 测试桩尺寸 单位：m

2 地质概况

拟建桥址现主要为滩涂改建的鱼塘，水深小于2.6m。桥址地形较平坦且开阔，沿线土质松软，无明显起伏，附近无断裂构造，亦未发现崩岸、泥石流等地质灾害。下伏基岩主要是混合岩化变质岩和混合花岗岩，无岩溶等工程地质问题。起控制作用的是普遍分布的软土以及此类土在地震力作用下的砂土液化、软土震陷等不良地质现象。地质构造上，晚古生代凹陷被中、新生代构造叠加、改造，对地层的破坏明显，造成岩体完整性、风化程度及强度的不均匀性，对施工具有较大影响。

3 测试方案设计

3.1 测试目的和内容

本次测试的目的为研究打设钢护筒、成孔及成桩阶段四根测试桩在软弱淤泥及施工扰动的作用下，钢护筒、桩身及桩周土体的受力及变形情况。

测试内容包括埋设变形测试元件（测斜管）测试桩身和桩周土体的水平变形情况及埋设应力测试元件（钢筋计、钢板计）测试桩身、钢护筒的受力状态。

3.2 测试原件布置方案

44-7#、45-7#测试桩桩身内各埋设2 根测斜管，且互成90°，与钢筋笼绑扎在一起沉入桩体，测斜管长度均为25m（至桩顶25m）。44-7#、45-7#测试桩的桩周土内在距钢护筒1m 处每隔90°均匀埋设1 根测斜管，测斜管实际长度根据各处入岩深度确定，其中9 号测斜管为37.5m（至施工平台顶37.5m，下同），11号、16号测斜管为40m，其余测斜管为38m。

3.3 测试频率

测试周期应按照施工进度的需要确定，可逐日或隔数日观测一次，直至施工结束。本工程桩基测试的日程安排为：刚开始1～2d观测一次，两周后3天观测一次，一个月后1 周观测一次，三个月后7～15d 观测一次，半年后每个月观测一次。当施工工况发生变化时，应适当提高观测频度，最高可达1d 观测3～4 次。计划观测周期为1年。

4 测试分析

4.1 桩身及桩周土的水平位移测试

4.1.1 44-7#桩水平位移测试结果

44-7#桩的测斜均在同一阶段内进行，即成桩后至承台施工前。

由于44-7#桩测斜期间，该桩未受任何施工扰动，仅受到桩周土因固结、塑性屈服及流变等原因引起的侧向挤压，桩身及桩周土的水平位移均较小，桩身内6 号管道最大水平位移为15mm；桩周土内12 号管道最大水平位移为22mm。各测试日的侧移曲线沿深度变化规律一致，并随时间逐渐趋于稳定，表明44-7#桩在软土侧向挤压作用下的桩身及桩周土变位较小。

4.1.2 45-7#桩水平位移测试结果

45-7#桩的测斜分两个阶段进行，第一阶段为成桩后至承台施工前，第二阶段为承台及桥墩浇筑后。其中，2 号、13 号—16 号管道的测斜只在第一阶段进行，3号管道在两个阶段均进行测斜。

第一阶段的测试工况与44-7#桩类似，桩未受任何施工扰动，仅受到桩周土的侧向挤压，由图可知，桩身及桩周土的水平位移均较小，桩身内2 号管道最大水平位移为18mm；桩周土内管道最大水平位移为26mm。各测试日的侧移曲线沿深度变化规律一致，并随时间逐渐趋于稳定。

由图可知，桩身内3号管道的侧移曲线明显存在两种不同的分布规律，这两种分布规律分别对应于两个阶段。为更加直观地了解承台及桥墩的浇筑对测试桩水平位移的影响，将3 号管道两个阶段的水平位移分别取平均值进行对比可知，承台、桥墩的施工会导致桩基产生附加侧移，且附加侧移沿深度方向变化并不一致，由于附加侧移曲线的拟合曲线，其形态近似一竖直线，因此经承台、桥墩施工后，3 号测斜管的中心并未发生明显变位，但直线形态发生一定程度的改变，主要是承台、桥墩的自重荷载所致。

4.2 桩身应力结果

4.2.1 44-7#桩应力测试结果

44-7#桩的应力测试分三个阶段进行：第一阶段为成桩后至承台施工前，共测试29次；第二阶段为承台浇筑后至桥墩施工前，共测试7 次；第三阶段为桥墩浇筑后，仅测试1 次。第二阶段及第三阶段的测试中发现许多钢筋计出现损坏，这主要是由于在施工过程中施工人员对钢筋计的测头保护不到位，且测试期间屡受台风和暴雨的侵袭所致。44-7#桩各阶段的钢筋计部分实测结果如图1所示。

图1 第1层（a）与第2层（b）钢筋计应力变化曲线

44-7#桩从成桩2d 后即开始第一阶段的测试，此时桩身混凝土尚未终凝，混凝土凝结过程中的水化反应会大量放热，导致桩身主筋的应力出现一定程度的变化，且以渐进性受拉为主，未出现突然性的变化。随着时间的推移，混凝土逐渐完成凝结，应力变化曲线较前期明显放缓，应力状态逐渐趋于稳定。

第二与第三阶段的测试结果表明，钢筋计应力曲线均出现一定程度的回落，这是由于桩身上部承台、桥墩的浇筑及施工荷载的作用所致，此时相对前一阶段而言桩身受压，且应力变化约为2～4MPa。在该桩测试期间，邻近桩44-3#桩、44-8#桩均有过冲孔灌注等施工，但该桩的应力曲线并未发生明显变化，这一状况表明：邻近桩施工不会对测试桩的应力状态造成明显影响。值得注意的是，第三阶段1、2层部分钢筋计应力曲线出现抬升，这可能是由于施工荷载相对桩身截而偏心而产生弯曲拉应力所致。

4.2.2 45-7#桩应力测试结果

45-7#桩的应力测试分两个阶段进行：第一阶段为成桩后至承台施工前，共测试27次；第二阶段为承台及桥墩浇筑后，仅测试1 次。45-7#桩各阶段的钢筋计部分实测结果如图2所示。

图2 第7层（a）与第8层（b）钢筋计应力变化曲线

与44-7#桩的测试日程相似，45-7#桩也从成桩2天后开始测试。第一阶段测试中，混凝土凝结过程中的水化反应大量放热，导致桩身主筋渐进性受拉；随着混凝土凝结的逐渐完成，应力变化曲线较前期明显放缓，应力状态逐渐趋于稳定。

第二阶段测试中，由于桩身上部承台、桥墩的浇筑及施工荷载的作用，钢筋计应力曲线出现一定程度的回落，回落幅度与45-7#桩相近。

值得注意的是，第7、8层各测点的钢筋计均在时间相近的期间出现拉应力突然增大的现象，但弯矩分布规律却几乎不变，由于该期间并未有明显的施工扰动，这可能是由于钢筋计测头因保护不到位而出现一定程度的损坏所致。

4.3 钢护筒应力测试结果

44-6#桩的钢护筒外侧布设钢板计，其应力测试分四个阶段进行：第一阶段为钢护筒打设完成后至桩基冲孔前，共测试32次；第二阶段为桩基冲孔灌注期间，共测试4次；第三阶段为成桩后至承台施工前，共测试13次；第四阶段为承台、桥墩浇筑后，测试1次。

44-6#桩从钢护筒打设完成后的第2 天即开始第一阶段的测试，在软土侧推力及各种施工扰动如邻近桩的冲孔灌注等作用下，钢板计应力变化较缓和。

第二阶段及第三阶段测试的前期，钢板计应力曲线剧烈波动，冲孔灌注时拉应力急剧增大，结束后已出现明显回落，这一情况表明：44-6#桩的冲孔灌注对钢护筒造成较大的影响，在冲孔的动应力作用下钢护筒应力变化显著，拉应力在短期内急剧增大后又明显同落，一些钢板计甚至因超量程而出现损坏。第四阶段的测试数据较少，承台及桥墩的浇筑使钢护筒偏心受荷，应力曲线出现幅度较小的波动。

由于钢板计焊接在钢护筒外侧，虽有槽钢加以保护，但在打设钢护筒时仍出现一定数量的损坏，正常工作的钢板计在分层断面上离散性较大，无法做出相应的弯矩图，故对此不再加以分析。

5 桥梁基础成桩质量的影响因素分析

通过对测试数据进行整理分析，可以得出如下结论：

（1）在钢护筒打设完成至冲孔灌注这一阶段，桩周土侧移十分微小；钢护筒应力变化缓慢且稳定。

（2）在桩基施工阶段，由于冲孔的应力扩散效应，桩周土产生附加侧移，且侧移方向为远离桩身方向，附加侧移沿深度方向变化并不一致，在距施工平台顶面1～2m 处，桩周土所受扰动最大；冲孔灌注也会对钢护筒造成较大的影响，在冲孔的动应力作用下钢护筒应力变化显著，拉应力在短期内急剧增大后又明显回落，一些钢板计甚至因超量程而出现损坏。

（3）在成桩后至承台施工前这一阶段，测试桩仅受到桩周土因固结、塑性屈服及流变等原因引起的侧向挤压，桩身及桩周土出现一定程度的侧移，并随时间逐渐趋于稳定；成桩初始，桩身主筋因混凝土凝结过程中水化反应的大量放热以渐进性受拉为主，未出现突然性变化，随着时间的推移，混凝土逐渐完成凝结，应力变化曲线较前期明显放缓，应力状态逐渐趋于稳定。

（4）承台、桥墩的浇筑会导致桩基承受偏心荷载，桩身应力出现2～4MPa 的波动，桩周土产生附加侧移但侧移变化程度较桩基施工要小。

（5）影响桥梁基础成桩质量的因素主要有：地基土的固结与定向流动、邻近桩基的施工扰动、冲孔动应力的扩散效应等。其中地基土的固结与定向流动所产生的软土侧推力是桩基受弯的主要因素，且受弯程度与地层状况有关，本次测试的最大桩身弯矩为1 239kN·m，表明软土侧推力作用导致的附加弯矩相当可观，在设计时应予以考虑。

6 结语

软弱淤泥条件下施工的桩基，往往因桩周土的固结、塑性变形、流变等原因而在桩侧承受附加压力。本文结合某互通主线桥44 号墩及45 号墩处四根桩的现场测试结果，对施工过程中桩基、桩周土及钢护筒的力学响应进行研究，为相似淤泥条件下的桥梁基础施工项目提供参考。