武汉超长大直径钻孔锚桩法试桩技术的应用

郭 俊，甄弘扬，刘策峰，黄朱盛

(北京市政路桥股份有限公司工程总承包一部，北京 100045)

0 引言

随着规划高速骨架公路网的不断丰富和完善，长江、汉江及其支流中下游平原区因其泛滥，江河湖汊发育，河、湖、陆相互交替演变，高速公路设计布线经常遇到不良工程地质问题，主要表现为软土、砂土液化问题。武汉地区软土分布极为广泛，软土厚度分布不均，差异较大，该地区大型桥梁工程多采用超长大直径钻孔灌注桩基础，其承载性能和设计尺寸、桩土物理参数的关系是设计时最为关注的问题。但在实际工作中发现，目前的规范是基于中短桩研究基础上建立的，对于超长大直径钻孔灌注桩的设计，存在适应性问题[1]，利用规范推荐的估算方法计算所得的单桩竖向抗压承载力往往与现场静载试验结果相差较大，造成了资源浪费和建设成本增加，或因桩基承载力不足给工程留下安全隐患[2]。因此，为确保工程安全、充分挖掘地基潜力、选择经济合理的桩基施工工艺，以及压缩合理工期，需在前期工作采用合理的方法进行桩基承载力的测试及研究，即在设计和施工前进行试桩，测定采用桩型的抗压承载力、桩的极限侧阻力、桩的极限端阻力，为优化桩基设计，选择安全、经济、高效、合理的成桩工艺提供依据。

桩基的静载荷试验主要包括垂直向、水平向和组合静载荷试验，锚桩法对超长大直径钻孔灌注桩垂直向静载荷抗压测试有一定可靠性[3]，本文以武汉至监利高速公路某合同段中实际工程为依托，通过锚桩法现场施工及试验，进行垂直向抗压静载荷试验的应用研究。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

武汉至监利高速公路某高速BT项目合同段路线全长94余千米，主线桥梁总长48 631 m/91座，设计车速为100 km/h的双向四车道。其中第一合同段路线长26 km，经过区域为农田、鱼塘，全部采用高架桥方案通过，共涉及4 356棵桩基，计划总工期为42个月。

1.2 地质概况

项目区是由长江、汉江及其支流共同冲积或湖积而成的平原，地势低洼，平坦开阔，河湖十分发育，渠网密布，地面绝对标高20 m～30 m，主要由第四系地层组成，一般厚度60 m～120 m。第四系全新统湖积、沼泽沉积淤泥质土、淤泥等层组，广泛分布于路线走廊带全线，性质较差，是勘察阶段主要研究对象。地基容许承载力一般在50 kPa～100 kPa。岩性以淤泥质亚黏土、淤泥质亚砂土、淤泥质黏土、淤泥为主，富含有机质及腐殖质。天然状态下呈软塑～流塑状，具高压缩性、低抗剪、低承载力等特征，在外力作用下易产生形变和滑移现象，不宜直接作为构造物的地基。基岩埋深较大，基岩裂隙水相对较少。

2 现场试验方案

2.1 试桩概况

通过对试桩方案的对比分析，由原设计中的2根直径1.8 m、长70 m的锚桩及反力梁所形成的反力系统改为4根直径1.5 m、长50 m的锚桩及承台、反力梁所形成的反力系统，选取分别位于第一合同段东分块3号主线桥的K9+752和K12+431.7处，共2处钻孔灌注桩试验，2处即2组。每组施工内容包括：试验桩1根、锚桩4根，设计桩长均为50 m，设计桩径均为1.5 m，试验桩桩身混凝土强度等级C30；现浇承台(次梁)2个，C45预应力混凝土，设计尺寸7.4 m×2.5 m×2.8 m；反力梁1榀，C45预应力混凝土，设计尺寸10.7 m×2.7 m×3.6 m；千斤顶上垫板采用240 mm×240 mm×50 mm钢板，在反力梁中预埋，下垫板采用220 mm×220 mm×30 mm钢板，见图1。

千斤顶总吨位应满足设计要求的25 000 kN加载能力，K9+752处试桩预估最大加载力为10 836 kN，K12+413.7处试桩预估最大加载力为11 398 kN。

2.2 锚桩法原理

锚桩法单桩垂直向抗压承载力试验是选用工程桩作为锚桩提供反力(向上的拔力)，通过反作用将力施加于试验桩上[4]，其中由液压千斤顶、电动油泵、锚桩和反力架组成加载系统，利用主梁与承台(次梁)组成反力架，该装置将千斤顶的反力(后座力)传给锚桩，通过桩体上端受压时承载力发挥的过程，测得桩身侧阻力和端阻力变化过程。

试桩桩身应力测试与加压荷载及沉降观测同步进行，按以各相邻土层的交界面、桩底、岩层和层厚度大于10 m的土层均增设测试断面的原则，设置若干个应力测试截面，进行单桩荷载传递分析，即在桩顶荷载作用下桩身轴力沿深度的变化，通过测试仪测读加载过程桩身各断面的受力。在桩身测试截面埋设钢筋应力计测试桩身轴力[5]，计算桩的侧阻力和端阻力，同时可得其在不同的桩顶荷载下侧阻力的分布规律和端阻力的发挥程度，最终测得桩的极限承载力。

2.3 试桩方案

根据勘探取样复核情况，在试验桩和锚桩上，选择旋挖机钻孔及回旋钻钻孔2套施工方案进行桩基施工组织。加载前先对千斤顶、油泵、油表进行标定和校核，千斤顶采用并联方式，保证加载过程中各千斤顶荷载相同和行程同步[6]。为防止局部应力过大造成桩头破坏，试验前在桩顶处制作了现浇混凝土桩帽进行桩头加固处理。

本工程采用武汉岩土所JYC型桩基静载荷测试分析系统，千斤顶通过载荷试验装置压力传感器测定油压，根据载荷试验装置率定曲线换算荷载，采用 HY65型数码位移传感器进行测试试桩桩顶沉降。采用6台5 000 kN的MJD500D-200型油压千斤顶并联构成加载，安装时千斤顶的合力中心应与试桩轴线重合，二者偏差小于1 cm[7]。钢筋应力计采用ZX-41XA记忆智能弦式数码钢筋应力计，应力计长度30 cm，每个截面埋设4个，并与主筋焊接。因此K9+752，K12+431.7试桩分别埋设应力计10层，均共埋设应力计测点40个。数码位移传感器采用磁性表座固定在基准梁上，共设试桩桩顶位移测点4个，四根锚桩桩顶位移测点各1个。

2.3.1 加、卸载规定

试验采用慢速维持荷载法，按1 000 kN进行逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到终止加载。在所有试验设备安装完成后、试验之前，应进行一次系统检查，也就是预加载试验，如一切正常，则卸载至零，待位移传感器及加载系统回零后，方可进行正式加载[8]。

正式加载分级进行，逐级等量加载，第一级取分级荷载的两倍；卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的两倍，逐级等量卸载。

2.3.2 沉降测量规定

当试验达到终止加载条件时即开始卸载，每级荷载卸载后，观测桩顶的回弹量，观测办法与沉降相同。回弹稳定后，再卸下一级荷载。卸载到零后，在2 h内每30 min观测一次，开始30 min内，每15 min观测一次[9]。

2.3.3 终止加载条件

当出现下列情况之一时，可终止加载：

1)总位移量不小于40 mm，本级荷载的下沉量不小于前一级荷载的下沉量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)总位移量不小于40 mm，本级荷载加上后24 h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。

2.4 试桩过程

试验桩成孔后，立即采用孔壁回声仪对成孔质量进行检测；试验桩和锚桩成桩并达到一定龄期后，采用低应变法对其进行了桩身完整性检测，均为Ⅰ类桩。

在垂直向荷载作用下，K9+752试桩在19 000 kN之前基本上还处于弹性变形阶段，且桩顶沉降也比较小，在此之后产生一定的变形，当荷载加为23 000 kN时，桩顶累计总沉降为42.8 mm，按每级2 000 kN进行卸载，卸载后未恢复沉降为31.31 mm；12+431.7试桩基本上还处于弹性变形阶段，但桩顶沉降比前者要大，当荷载加17 000 kN时，桩顶累计总沉降为47.63 mm，至此之后按每2 000 kN进行卸载，卸载后未恢复沉降为38.31 mm。

K9+752试桩试验准备工作全部完成后，4月1日～4月2日进行了垂直静载试验工作，加载到23 000 kN时，试桩沉降达到42.80 mm，终止加载，并卸荷。K12+431.7试桩试验准备工作全部完成后，4月9日～10 日进行了垂直静载试验工作，加载到17 000 kN时，试桩沉降达到47.63 mm，终止加载，并卸荷。

3 试验结果及总结

3.1 试验结果

2个试桩通过试验并整理，形成了试桩的Q-S曲线、S-lgt曲线、Ni-H曲线、P-τ曲线等，根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力，K9+752试桩的极限承载力为19 000 kN，K12+431.7试桩的极限承载力为16 000 kN。以K9+752试桩为例，取单桩极限荷载19 000 kN之前不同土层的最大单位摩阻力，整理实测极限摩阻力和规范参考值等形成推荐值成果(见图2)，可知规范计算参考值往往与现场静载试验结果相差较大，该成果可用于指导设计和施工[10]。

3.2 试验总结

通过现场试验和整理分析，总结如下：

1)采用旋挖钻和回旋钻成桩工艺经济合理，切实可行。

2)桩的侧阻力分布呈梯形分布，随着桩顶荷载不断增加，端阻力相应增加；随着加载，桩周土层自上而下发挥侧阻力，上层土加载至一定荷载时，桩周侧阻力几乎不增加。

3)深厚软基超长桩试验结果指出桩侧摩阻力和桩端阻力不是同时发挥，在设计荷载作用下，桩端几乎不发挥作用，桩侧摩阻力的发挥通常要早于端阻力的发挥。

4)通过规范计算和现场静载荷试验对比，设计工作者们可高效地确定合理的桩基工程设计参数,优化设计桩长。

3.3 试验结论的应用效果

结合本次实测结论，可以很好的根据桩顶荷载对摩擦型或端承型桩基进行选择定型；上述图2，规范参考值往往与现场静载试验结果相差较大，同时规范参考值范围一般较大，对于设计工作者来说选择具体值的不确定性较大，再以细砂、青灰色、中密土层(标高-18.83 m以下土层)为例，实测值远远大于规范参考值(最大值70 kN/m2)，成果推荐值最终选定极限摩阻力为70 kN/m2，极大的减少了桩基工程长度和工程造价。

上述现场静载试验实测结果参考性很大，从而更好地做到了工程设计的安全性与经济合理性协调考虑。本项目最小设计桩长为45 m，最大设计桩长为75 m，优化后桩基具体情况见表1。

表1 钻孔桩优化后桩基情况一览表

4 结论

本项目超长大直径钻孔灌注桩锚桩法试桩现场施工及试验顺利地实施，为该地区桥梁桩基的设计与施工提供了参考依据。虽说试桩过程直接成本上增加支出700多万元，但作为大型项目综合施工质量和工期效益来看，上述试验成果应用意义重大，减小了基础的选型和工期的不确定性，避免了资源浪费和因桩基承载力不足留下安全隐患的情况，最终节省了工期和工程造价，早日实现了运营通车，对软土地区高等级桥梁工程下部构造实施具有很好的借鉴意义。