人工挖孔桩技术在山地步道工程中的应用研究

陈崇龙

（福建建工集团有限责任公司）

桩基础是一种具有悠久历史且在现代社会中仍广泛使用的基础形式，其作用是承受上部结构荷载，并将荷载传递给桩周及桩端持力层，从而保证建筑物或构筑物满足安全性和适用性[1-3]。其中，人工挖孔桩因其具有施工设备简单、操作方便，对周围环境影响较小，桩体承载力大、布桩容易，造价相对低廉等优点，被广泛应用于道路、桥梁及建筑等工程领域[4-6]。

为全面提高桥梁施工建设质量水平，袁顺才[7]以某高速公路桥梁项目为例，探讨了人工挖孔桩技术应用于高速公路桥梁建设中的技术要点，认为护壁施工时应秉持项目动态管理，从而保证项目的支护效果。高亮[8]以某公路工程为实例，对人工挖孔桩技术施工过程中存在施工平台过大、护壁变形开裂、挖孔桩弃渣和弃方处理等问题进行分析，并根据工程实际情况提出了相应的解决措施，从而保证了人工挖孔桩施工质量。曾宝忠[9]对人工挖孔桩技术在桥梁工程中的应用进行了研究，认为人工挖孔桩开工前应检查井口围护结构是否稳固，开挖过程中及时做好护壁施工，且当挖孔深度超过10m，应在施工作业面布置通风设施，以保证施工人员的人身安全。周福南[10]以厦门双十中学（海沧附校）工程为例，分析了人工挖孔桩技术应用于软基土层中的要点和难点，认为通过局部固结软基土层的方法可以有效提高软土地基的承载力，从而保证人工挖孔桩顺利施工。

综上所述，众多业内人士已经对人工挖孔桩技术在工程上的应用展开研究。沿着上述思路，针对山地步道工程项目要求施工过程中尽量不影响周围环境及其所处位置交通不便等问题，本文提出采用人工挖孔桩技术应用于山地步道工程，并以福州市大腹山山地步道为例对其展开研究，分析山地步道工程中人工挖孔桩的施工流程及其技术要点，并对完工后的工程桩抽样检测再进行数值模拟研究，分析工程桩的桩身混凝土强度及完整性。

1 工程概况

大腹山山地步道（第1 标段）位于福州市鼓楼区，路线起于五凤山公园，途径福大软件学院、网讯科技和老虎坑水库，止于软件园公园，全长2438m。上部主体结构采用双钢梁，桥面宽度6000mm，桥面总厚度163mm，由100mm 厚的钢筋混凝土垫层、50mm 厚的沥青混凝土基层和13mm 厚的塑胶面层组成。下部结构采用262 根人工挖孔灌注桩为基础，桩基直径1200mm，最小设计长度8000mm，实际桩长根据现场实勘地质条件而定，桩基进入持力层深度由土层性质确定，对于强风化花岗岩、碎块状花岗岩和中风化花岗岩，桩基进入持力层的深度分别为3600mm、2400mm和1000mm。

2 工程地质条件

根据已有地质资料及现场钻探，结合土工试验结果可知，大腹山山地步道工程地质条件如下：①坡积粘性土：浅红色，含少量中粗粒石英和高岭土，局部夹杂30 mm～140mm 的碎石，揭示厚度为1.30m～13.90m。②全风化花岗岩：肉红、褐红色，含中粒石英及长石颗粒，揭示厚度为0.10m～5.90m。③砂土状强风化花岗岩：灰黄色，含粗粒石英、长石颗粒及云母片，揭示厚度为1.10m～30.40m。④碎块状强风化花岗岩：灰黄色，含云母片、长石及石英，揭示厚度为0.80m～20.70m。⑤中、微风化花岗岩：以浅黄色为主，含石英、长石、角闪石颗粒及云母片，揭示厚度为1.13m～9.50m。

3 施工流程及技术要点

3.1 施工流程

大腹山山地步道人工挖孔桩的施工流程如下所示：

测量放样→开挖第一节桩孔土方→支护壁模板浇护壁混凝土→待混凝土强度达1.5MPa 后拆模→开挖第二节桩孔土方→以此类推至设计岩层→进行桩底大头施工→清孔终孔检查→吊放钢筋笼、安装预埋钢板→浇筑桩身混凝土→桩基检测。

3.2 技术要点

⑴测量放线：检查复核控制桩点基线尺寸是否符合点位，用GPS 及钢尺测出各轴线和桩位，并在桩心定位上作出标记。

⑵土方开挖：开挖时先中间后周边，每一节桩孔土方开挖深度为1000mm，开挖完成后均应检查中心点及几何尺寸是否符合要求，扩底部分先挖桩身圆桩体，再挖扩底尺寸。

⑶护壁施工：在每一节桩孔土方开挖完成后，均采用150mm后的C30混凝土作为护壁，“八字”形布置，并进行混凝土强度试验以保证护壁混凝土强度。护壁遵循“多循环、短进尺、强支护”的原则。

⑷桩基混凝土浇筑：挖孔达到设计深度后，清除孔底沉渣，并下放钢筋笼，浇筑桩基混凝土。桩基混凝土强度等级为C30，坍落度控制在30mm～50mm。施工时，桩基混凝土由串桶导管导入井底，每层浇筑高度不得超过1.0m，并分层捣实直至桩顶。

4 人工挖孔桩质量检测

钻芯法是一种局部破损检测方法，在人工挖孔桩质量检测中得到广泛应用，其原理是通过对钻芯芯样混凝土的胶结情况、有无蜂窝麻面及强度等综合判定桩身的混凝土强度及完整性是否满足设计要求。因此，本节采用钻芯法对本工程的人工挖孔桩进行质量检测，根据JRG/T 3512-2020《公路工程基桩检测技术规程》相关规定[11]，选用钻芯法对工程桩进行检测时，抽检数量不应低于总桩数的10%且不少于10 根，故本次随机选取30根工程桩（A1～A30），每根桩取3 个芯样，进行桩身混凝土强度及完整性检测。

人工挖孔桩承载力多采用静力堆载的方法测量，考虑该山地步道工程中共有262 根工程桩，且桩的长度长短不一，并结合项目工期要求，最终选取5 根（A3、A7、A17、A21 和A26）不同长度的工程桩进行静载试验。同时，采用ABAQUS有限元软件对所选取的5根工程桩进行数值模拟分析，验证数值方法的可靠性，并在此基础上分析其余工程桩的承载力。数值模拟分析时，采用C3D8R 网格单元，并在模型周围土体及其端部施加X、Y、Z 方向上的约束，在模型顶部分级加载，每级荷载为工程桩设计承载力的1/10，超过工程桩设计承载力后，采用位移控制加载，当桩身最大位移量为10mm 时，其所对应的荷载为极限荷载[12]。

4.1 桩身混凝土强度

根据文献[11]，桩身混凝土芯样抗压强度由式⑴确定。

式中：fcu为桩身混凝土抗压强度（精确到0.1），MPa；P为试件测得的破坏荷载（精确到0.01），kN；d为试件的平均直径，mm。

钻芯法桩身混凝土强度抽检结果如表1 所示。由表1 可知，各工程桩的混凝土强度平均值均超过30.0MPa，其中A3 工程桩的混凝土强度平均值最大（38.6MPa），A1 和A21 工程桩的混凝土强度平均值最小（31.1MPa），表明工程桩混凝土强度满足设计要求。此外，从表1 可以看出，A6、A13、A21 和A26 工程桩中各有1个芯样试件的混凝土强度实测值小于30.0MPa，但总体而言，A6、A13、A21和A26工程桩的桩身混凝土强度平均值均达到了工程设计要求。

表1 桩身混凝土强度抽检结果

4.2 桩身完整性

钻芯取样的同时，对桩身混凝土的完整性及桩底沉渣情况进行检查发现，所选取的工程桩中除了A26 工程桩的1 个芯样）侧面存有少量蜂窝麻面外（其对应的抗压强度为28.0MPa，其余各工程桩的芯样均成长柱状，且切口吻合良好，试件侧面仅有少量气孔，混凝土胶结状态良好。根据表2 钻芯法桩身完整性判定标准可知[11]，除了A26为Ⅱ类桩外，其余各工程桩均为Ⅰ类桩。

表2 钻芯法桩身完整性判定标准

4.3 桩身承载力

静载试验测得的工程桩桩身承载力如表3 所示。从表3 可知，所选取的工程桩极限承载力与其设计承载力的比值处于1.09～1.20 之间，表明工程桩的承载力达到设计要求。进一步分析表中数据可知，工程桩极限承载力与桩长呈正相关，即桩长越长，工程桩的极限承载力越大，产生上述现象可能与桩侧阻力有关，当桩的长度增加时，桩侧与地基土接触的面积增加，其摩阻力也随之增大，最终表现为工程桩的极限承载力增大。

表3 桩身承载力

ABAQUS 有限元软件对所选5 根工程桩的数值分析结果如表4 所示。分析表4 数据可知，当桩顶荷载达到设计承载力时，A3、A7、A17、A21 和A26 的位移量分别为8.558mm、9.601mm、9.442mm、9.033mm 和8.991mm，与表3静载试验实测的位移量对比可知，ABAQUS 数值分析结果与实测值的最大误差仅为2.4%。此外，当模型的桩身位移为10mm 时，A3、A7、A17、A21 和A26 所对应的极限承载力分别为1226.83kN、1034.33kN、1227.02kN 1160.29kN 和1300.41kN，其与是实测值的最大误差仅为6.0%，表明所选用的有限元分析方法能够真实反应所选5 根工程桩的实际情况。最后，采用该有限元方法对其余工程桩进行数值模拟发现，各工程桩的竖向承载力均能达到设计要求。、

表4 数值分析结果

5 结论

本文以福州市大腹山山地步道工程项目为背景，探讨了人工挖孔桩的施工流程及其技术要点，并对项目的工程桩进行抽样检测，所得主要结论如下：

⑴土方开挖时，应遵循“先中间、后周边”的原则，并及时检查中心点及几何尺寸是否满足设计需求。

⑵人工挖孔桩施工中，应及时做好护壁施工。护壁施工时，遵循“多循环、短进尺、强支护”的原则。

⑶钻芯法检测结果表明，所选取的30 根工程桩桩身混凝土抗压强度均大于30MPa，满足设计要求。

⑷钻芯法检测结果表明，除了A26 工程桩的芯样侧面存有少量蜂窝麻面外，其余各工程桩芯样均成长柱状，且根据钻芯法桩身完整性评定标准可知，除了A26为Ⅱ类桩外，其余各工程桩均为Ⅰ类桩。

⑸ABAQUS 有限元分析结果与实测值吻合良好，其桩身位移量的最大误差为2.4%，极限承载力的最大误差为6.0%。