竖向轴心荷载作用下的公路桥梁桩基设计与施工技术研究

丁守运

（青岛西海岸新区交通运输局，山东 青岛266400）

1 引言

随着经济社会的不断发展， 车辆数量不断增加， 车辆载重、轴数成倍增长，桥梁上部结构所承受的荷载也逐渐增大，而传统的桥梁桩基施工技术在实际施工过程中存在易出现卡管、断桩等质量问题，影响桩身完整性和承载能力，因此，加强基础工程的研究也尤为必要[1]。

在公路桥梁建设中， 桩基设计及施工技术是桥梁施工的重要内容，公路桥梁对稳定性的要求较高，其桩基受竖向荷载力的影响最大。 鉴于此，本文对竖向轴心荷载作用下的公路桥梁桩基设计及其施工技术进行深入分析。 同时，考虑到钻孔灌注桩是常见的桥梁桩基结构，具有适应性强、承载力高、造价低、操作简便和抗震性强等特点，本文以钻孔灌注桩为研究对象，结合工程实例，对公路桥梁桩基设计方法以及公路桥梁施工技术进行研究，对工程质量、进度和造价等进行优化，制订更加经济的施工方案。

2 工程概况

工程案例为青岛西海岸新区的董梁高速横河桥连接线工程， 地处西海岸新区西南部。 年均气温为12.5 ℃， 年均降水696.6 mm，汛期为6～9 月份，日照时间为2 543.1 h。 该工程的主要参数为：桥宽42.5 m，路基宽度为33.5～42.5 m，行车道宽度为22.5 m，设计速度为100 km/h。该桥梁的上部结构采用现浇连续箱梁， 下部结构为钻孔灌注桩。 该桥的安全级别是一级，基本寿命是100 a[2]。

3 竖向轴心荷载作用下的公路桥梁钻孔灌注桩设计

3.1 选择桩型和持力层

为保证公路桥梁设计方案的合理性， 必须对施工现场的实际情况进行勘查。 根据勘查结果以及施工经验，对该桥梁工程的基础方案进行分析。 首先，根据现场勘查的地质条件，在钻孔灌注桩桩型的选择上，建议选择机械化成孔技术。 考虑到现场的岩层为燕山期花岗岩，所以，采用冲击钻机配合旋挖钻机进行钻进。 其次，根据现场勘查以及竖向轴心荷载的特点，选用第⑦层中风化片麻状黑云花岗岩岩层为桩基础桩端持力层。 最后，由于桩端持力层的上层土层对桩基影响较小，成桩难度较大，采用冲击设备对强～中风化砂岩进行钻进。

3.2 单桩竖向承载力特征值的计算

研究考虑到岩体均匀度和岩层裂隙发育等因素， 设计桩基安全系数，桩基安全系数的设计基于承载力的计算如式（1）所示。

式中，qr为桩端的最大承载力，计算值为818 kPa；fa0为桩端的最小允许值，取500；m0为清底系数，取0.7；λ 为修正系数，取0.7；K2为容许承载力的最大修正系数， 取5；γ2为桩端及各土层的加权系数，取18；h 为桩端埋深，取16 m。 将数据代入式（1）：

单桩竖向承载力的特征值计算过程为：

式中，[Ra]为单桩竖向承载力的特征值，计算值为2 231.79 kN；u 为桩身直径；qik为与li相对应的桩侧和土层的摩阻力标准值；li表示桩穿过的局部冲刷线以下的土层厚度；AP为桩底的横截面积，取1.131 m2。

3.3 选择桩基数量和桩长

研究将以桩基承载力的计算结果为依据， 对桩基的数量进行估计。 如果桩基处于受压状态，载荷合力与截面形心的作用点重合，则根据相关经验初步选取桩基根数为5 根，再以桩基受力为依据进行验算。 在荷载合力与截面质心差异较大的情况下，适当将桩数目增加10%～20%。 根据桩的数量和最大反荷载，应用经验公式计算1 根桩的容许桩长为15.6 m。

4 公路桥梁桩基钻孔灌注桩施工技术研究

4.1 施工工艺流程

公路桥梁的桩基施工是整体施工过程的主要内容，是施工水平的主要体现，公路桥梁钻孔灌注桩的施工工艺的一般流程图如图1 所示。

图1 钻孔灌注桩施工工艺

从图1 可知，工艺流程以施工准备为始，包括桩位确定、护筒设计、成孔施工、浇筑以及检测等步骤。 需要注意的是，钻孔时，要根据施工场地的地质情况确定打孔速率，施工过程中，要根据地质坚硬或松散程度的不同调整打孔速率；遇有砂质地层时，应适度提高泥浆的比例及黏性，并采取低速钻井的方法。

4.2 护筒的制作与埋设工艺

钻孔前，为确保钻孔垂直，避免塌孔情况，需安装护筒装置，并做埋设处理。 在埋设护筒时，有必要用挖掘机进行挖掘，然后用旋转子完成钻孔，孔径应比钻头直径大20 cm，长度则结合当地的地质情况确定，高度应比地下水位高1.5 m 以上。研究工程选用的护筒尺寸为：厚6 mm、高500 mm、内径1 500 mm。

4.3 成孔工艺选择

（1）由于施工阶段处于雨季，为保证施工的质量和工期，选用泥浆来作为护壁成孔方式。 在进行泥浆的配制时，泥浆的指标应该达到以下要求：黏土层黏度为16～22 Pa·s，黏土层相对密度为1.05～1.2，pH 为8～10，砂层黏度为19～25 Pa·s，含砂量4%～8%，胶体率超过96%[3]。（2）选用旋挖机进行成孔施工，通过电子控制的方法对钻机工程进行监督， 保证成孔的垂直度； 同时， 通过人员观察的方法严格控制钻机速度和泥浆指标，确保成孔质量。

4.4 钢筋笼制作及安装

项目的钢筋笼在钢筋加工场进行初步加工， 然后将加工完毕的钢筋笼分为两节运送至施工点，再进行组装使用。 此方法在提高施工效率的同时，可以减少孔内沉渣量，降低塌孔风险。钢筋笼的吊筋材料为直径10 mm 的HPB235 圆钢，并采用双面焊的方式将吊筋焊在钢筋笼主筋上。 同时，使用25 t 的汽车吊运钢筋笼，进行吊装施工时，应对准孔位缓慢降落，防止发生变形。

4.5 清孔工艺选择

钻孔结束后需进行清孔， 避免孔内的沉渣影响桩基承载力，由于正循环清孔方式的造价相对其他方法最低，且第一次清孔主要是为排出孔内颗粒物，对沉渣厚度没有明确的要求，所以，工程选用正循环清孔方式进行第一次清孔。 第二次清孔需保证成渣厚度以及泥浆指标满足要求， 本研究对常用的3种清孔方式的清孔效果进行了对比分析， 选择合适的清孔工艺进行研究。 3 种清孔方式对比结果如图2 所示。

图2 清孔方式对比图

如图2 所示，正循环清孔工艺的清孔时长最长，在各个桩基上均需要5 h，且沉渣厚度同样均是最厚，都在60 mm 以上，不满足施工基本要求的50 mm 以下，所以，本项目的第二次清孔排除正循环清孔方式。 泵吸反循环和气举反循环方式的沉渣厚度均小于50 mm，满足施工要求，但气举反循环方法的清孔时长更短为0.3 h，且沉渣厚度更低，表明该清孔方式的效率更高，且效果更好，所以，研究将选用气举反循环清孔工艺进行第二次清孔。

4.6 混凝土浇筑工艺研究

经过两次清孔作业，使砂层符合标准以后，将进行混凝土的灌注施工。 研究选用的混凝土为C30 混凝土，在浇筑前，需对坍落度进行测量，控制在180～220 mm。 孔内管道与孔底间距应满足施工要求，约为0.3 m，浇筑混凝土的导管埋设深度应控制在0.8 m 以上，导管在使用之前，应提前拼装，并进行水密试验。 研究计算得出的混凝土初灌量为3 m3，采用的导管长度为4 m、2 m、6 m 和4 mm，在浇灌过程中，需严格控制灌装速度，保证成桩的质量。

4.7 桩基施工检测方法

考虑到工期与造价等因素， 研究采用低应变检测法检测施工质量以及成桩的完整性，检测点的布置位置如图3 所示。

图3 低应变检测示意图

考虑到工程采用的灌注桩桩径为1 200 mm， 且工程使用桩为实心桩，研究将在距离桩心2R/3 处对称安装4 个传感器检测点，在桩心安装激振锤击点，进行低应变检测。

检测方法为： 每根桩顶进行不少于10 次的敲击， 采用RSM-PRT(W)基桩动测仪进行检测，根据应力波在桩身介质之间的传播速度曲线判断施工后桩身的阻抗变化强度。 同时，需按照主要事项进行检测，检测前要对桩头进行处理，安装部位应打磨平整；传感器的安装位置应错开钢筋笼主筋，防止产生干扰信号。 研究对施工后的15 根桩进行桩基检测。 检测结果为：首先，在波速为4 000 m/s 时，检测曲线平稳，表明桩身没有明显的缺陷；15 根桩中13 根的等级为I 类，2 根的等级为Ⅱ类，表明有13 根为完整桩，2 根为基本完整桩，全部桩都满足完整性的要求。

5 结论

本文以青岛西海岸新区的董梁高速横河桥连接线工程为背景，系统地探讨了公路桥梁钻孔灌注桩设计，深入研究施工技术，涵盖护筒制作、成孔工艺、钢筋笼安装至混凝土浇筑全过程，并采用低应变检测法确保施工质量。 结果显示，成桩施工过程中对泥浆的管理十分重要，必须按照规定的配比，严格控制泥浆指标。 其次， 需要选择正循环清孔工艺进行第一清孔、泵吸反循环式清孔工艺进行第二次清孔的方法进行清孔，该方法更加适合实际工程情况。 最后，通过低应变检测方法对成桩质量进行检测，15 根桩中13 根的等级为I 类，2 根的等级为Ⅱ类，全部满足完整性的要求。 该成果对今后类似的施工工程有一定的指导意义。 由于在进行成桩质量检测时，只考虑了低应变方法，今后的研究应通过多种进行检测对比，增强成果的说服力。