施工技术对端承桩桥梁基础承载性能的影响

摘 要：施工技术对桥梁桩基承载性状影响较大，结合实际桥梁工程，本文采用自平衡荷载试验，研究了不同成桩方法下端承桩的力学特性，探讨了后注浆对桩承载力的影响。研究结果表明：干式旋挖钻桩法有利于保证桥梁基础嵌岩钻孔桩的承载力，泥旋挖钻桩法可显著减少端承桩的桩侧阻力和桩端阻力，但泥浆旋挖桩法沉淀物和页岩软化增加了沉降量。后注浆技术可有效增加端承桩的桩侧阻力和桩端阻力，使桩沉降量比干式旋挖钻桩和泥浆旋挖钻桩减少约42%和100%，在各自的极限荷载下，沉降量分别减少37.5%和54.4%。

关键词：端承桩；自平衡荷载试验；后注浆技术

中图分类号：TU 74 " " " 文献标志码：A

桥梁基础设计和施工质量是桥梁建设中的根本问题，由于端承桩具有承载能力高、变形小、抗震性能好等特点，因此在桥梁基础尤其是山区桥梁基础中得到了广泛应用[1]。旋挖灌注桩施工技术是一种新型的钻孔灌注桩施工方法，分为干式旋挖桩法和泥浆旋挖桩法，不同的成桩技术会导致桩孔壁粗糙度和底部沉积物厚度产生差异，从而影响桥梁桩基的受力性能[2]。灌注桩后注浆技术可以减少桩孔泥浆和桩底沉降物的负面影响，同时改善桩土界面状况和桩底周围岩体强度[3]。本文采用自平衡载荷试验，定量分析成桩施工工艺及后注浆技术对大直径端承桩力学行为的影响。

1 工程概况

某大桥为预应力混凝土连续刚构桥，全长1031.86m，主跨约529.4m，该桥13号主墩采用35根长度62m、直径2.5m的钻孔桩进行支撑。桥址地质主要由第四系粉质黏土、厚层石炭和中等风化的富碳页岩组成，石炭质页岩抗压强度低、易崩解，吸水后软化。中等风化碳质页岩的标准饱和抗压强度为7.34MPa，允许承载能力为500kPa，碳质页岩泥质层的基本物理力学参数经测定：含水率为18.9%，密度为19.7kN/m³，土粒密度为2.73，液限为34.55%，塑限为18.13%，黏聚力为32.17kPa，内摩擦角为14.88°，压缩模量为5.81MPa。

通过SZ1桩（模型桩）和15#桩（工程桩）进行自平衡静载试验，研究干式旋挖和泥浆护壁旋挖对端承桩受力性能的影响，两根试桩施工参数见表1，同时研究后注浆技术对桩承载能力的影响。孔高程和桩底高度的差值表明，干式钻孔桩底部沉降只有3cm，而泥浆旋挖桩的桩底沉降量高达30cm。

2 现场测试过程

2.1 自平衡荷载试验

自平衡荷载试验是一种新兴的桩静载试验方法[4]，其主要设备是荷载箱（一种液压加载装置），通常浇筑在桩的底部或顶端上方一定距离处，当通过试桩顶部的压力管向荷载箱内腔施加压力时，会将箱盖和箱底推开，激发桩侧和桩端的阻力，直到达到最大荷载，通过桩侧阻力和桩端阻力叠加确定桩的承载能力。可以使用压力表获得荷载箱压力，使用位移传感器测量荷载箱的向上和向下位移，桩的上、下力及对应的位移图可以反映桩的承载能力、沉降量和弹性压缩程度。由于混凝土应变等于钢筋应变，因此通过嵌入桩身的钢筋应变片可以确定桩在各级荷载下的应变，进而得到桩身各部位的应力应变关系以及各荷载水平下的桩身轴力和桩侧阻力。

2.2 加载过程和荷载-位移计算

采用自平衡法对SZ1桩和15#桩进行静载试验，在试验桩端上方的预置位置设置液压加载装置，当液压以阶梯荷载（估计最大荷载的 10%～15%）施加到设备上时，对桩施加相同的向上和向下垂直荷载，当施加阶梯荷载时，可以采集应变计和桩的位移数据，位移采集的时间间隔在前1h分别为5min、5min、10min、10min、15min、15min，之后依次为30min，直到桩变形相对稳定为止。

根据中华人民共和国交通运输行业标准试验规范中规定的等效换算方法，自平衡静载试验测得的荷载-位移曲线不便于计算分析，需要效转换为传统静载试验的荷载-位移曲线[5]，单桩竖向抗压极限承载力的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：Pu为试桩的极限承载能力；Quu为试桩截面荷载上限；Qlu为试桩截面荷载下限；W为荷载箱上方桩体质量（荷载箱位于透水层时，取浮动质量），SZ1桩和15#桩的取值分别为3726 kN和6000 kN；γ为试桩的修正系数，负荷箱上土层类型对应的值为1.0。

可采用公式（2）、公式（3）计算等效桩顶荷载对应的桩顶位移S。

S=sl+Δs （2）

（3）

式中：S为桩顶位移；sl为荷载箱向下位移；Δs为上段桩压缩量；Δs1为上段桩在荷载箱下下部力作用下的弹性压缩量；Δs2为上段桩在荷载箱上部力作用下的弹性压缩量；Ql为负载箱向下荷载；Qu为负载箱向上荷载；L为上段桩长；Ep为桩体弹性模量；Ap为桩体截面积。

2.3 后注浆技术

在自平衡荷载试验后，采用5根直径30mm的预埋注浆管进行桩侧和桩端注浆，可以定量分析后注浆技术对端承桩承载能力的提高效果，五根预埋注浆管中，两根用于荷载箱上方的桩侧注浆，在荷载箱上方，用3根预埋注浆管对桩端进行注浆。对桩侧注浆来说，每个试桩有两个位置，一个在距桩端15m处，另一个在距桩端30m处。该水泥浆采用普通42.5MPa无结块硅酸盐水泥，7天龄期强度至少为10MPa。桩端注浆压力为4.0MPa，两段均为3.2MPa～3.8MPa，桩端注浆量为5250kg，桩身段注浆量为2500kg。其他信息见表1。

3 现场测试结果分析

3.1 荷载-位移曲线

通过监测得到试桩注浆前后箱体上、下位移与荷载的关系，这两根桩几乎都嵌在了岩层中，当荷载较小时，桩的上下段几乎没有位移，桩侧存在静摩阻力，随着荷载增加，桩与土之间产生相对位移，桩侧摩阻力增加。15#桩由于桩底周围碳质页岩的大量沉积和软化，导致桩端岩体强度下降，端阻力没有发挥正常作用，导致相同荷载作用下荷载箱向下位移增加，从而降低了桩的承载能力。

自平衡法较为特殊，需要采用等效变换法，将自平衡荷载试验曲线等效转化为传统静载试验荷载曲线，最终的等效荷载-位移曲线如图1所示。

端承桩几乎全部埋入页岩层中，因此不同围岩类型对注浆效果的影响在本次研究中没有得到充分研究，同时由于注浆引起的过剩孔隙水压力有足够的时间消散，因此注浆对此时的固结或固结速率没有影响。如图1所示，荷载-位移曲线在注浆后变化缓慢，但在注浆前急剧下降。在低荷载作用下，注浆前后的曲线基本重合，变化接近线性，但随荷载增加而急剧下降，注浆后曲线变得平缓，表明后注浆对端承桩的承载能力有显著的提高作用。SZ1桩注浆前的极限承载力为24000kN，对应的位移约为26.3 mm，在相同荷载作用下，注浆后沉降量约为12 mm，下降了54.4%。15#桩注浆前的极限承载力为36872kN，注浆前位移为17.59 mm，而注浆后相同荷载下的位移为11 mm，下降了37.5%，后注浆在提高端承桩承载力的同时，可以明显减少沉降，且在相同桩顶位移下，干式旋挖钻桩法更有利于保证端承桩承载力。由于15#桩长度较大，因此理论上15#桩的极限承载力应大于SZ1桩，但施工工艺不同，桩底沉积物较多，桩侧形成泥皮，导致桩端阻力和桩侧阻力均不同程度减少。

3.2 桩身轴力分布

在桩身不同位置对应的钢筋笼主筋处，对称布置预埋振弦应变计，在各加载步均可得到混凝土应变计的应变值，根据混凝土与钢筋协调变形原理，可利用公式（4）结合测量结果得到各截面轴力。

（4）

式中：N为截面轴力；ε1、ε2为对称排列的应变计应变值；ER为钢筋弹性模量；EC为混凝土弹性模量；AR为钢筋截面积；AC为混凝土截面积。应变计测得的应变值结合公式（4）得到的SZ1桩和15#桩在注浆前后的轴力分布如图2所示。

从轴力分布来看，自平衡法得到的轴力图与传统荷载试验得到的轴力图不同，传统的轴力曲线沿桩身近似呈梯形分布，桩头处的最大值逐渐减少，而以荷载箱位置为界的轴力曲线在桩两端均减少，在相同深度内，轴力-深度曲线的陡峭度变低，表明轴力差随荷载增加而增加。图2显示，在不同荷载和深度下，桩的轴力曲线近似为直线，说明土层几乎是均匀的。对泥浆旋挖钻桩来说，随着注浆前荷载变化，桩端阻力几乎没有明显的增加趋势，验证了沉淀物对桩端阻力的负面影响，通过提高桩端的刚度和强度，有效地避免了沉渣问题，从而使桩端阻力迅速增加。

3.3 桩侧阻力和桩端阻力

桩侧阻力受成桩工艺、土层类型、桩土相对位移、成桩后时间等多种因素的影响。在本研究中，采用公式（5）计算桩侧平均摩阻力。

（5）

式中：fi为平均桩侧阻力；d为桩直径；Li为相邻应变计之间的距离。

在不同荷载作用下，桩侧阻力均有不同程度的发展，随着荷载增加，土侧阻力逐渐达到极限。根据现场勘察资料，整个地层的单轴阻力预测值约为75kPa，在各自的极限荷载下，SZ1桩和15#桩的最大单轴阻力分别为96kPa和57kPa，与预期值相比，15#桩的单桩抗力降低了24%，泥浆旋挖桩周围容易形成泥饼，显著影响桩土相互作用，降低摩擦阻力，注浆后端承桩同端单位桩侧阻力的差异缩小，表明桩侧注浆可以均匀地提高桩侧阻力并修正深度的影响。

可以用埋设在桩底的应变计来测量试桩的端部阻力，将多个测量结果结合公式（5）得到平均桩侧阻力，图3为桩端阻力与位移的关系曲线。试验结果表明，SZ1桩注浆前后桩端阻力的增幅与桩身位移之间存在近似的线性关系，由于桩端沉降量较少，桩端阻力开始发挥作用，因此桩端位移较小；15#桩注浆前桩端有近30 cm的沉淀物，桩端阻力产生需要桩端发生较大的沉降。注浆后，桩端阻力随位移呈线性增加，当位移达到约3.83 mm时，桩端阻力增长率减少，说明桩端位移必须增至一定程度才能充分发挥桩端阻力，在相同的位移下，桩端可以对桩体提供更大的支撑。

图4显示了压浆前后两根试桩的桩侧阻力和桩端阻力的荷载分担比例，根据试验数据，SZ1桩注浆后的承载力为52274kN，提高了42%，而15#桩的承载力增加了一倍，达到48000kN。对SZ1桩的干式旋挖桩法来说，后注浆有效地提高了桩侧阻力和桩端阻力，桩侧阻力和桩端阻力分别增加了约1.39和1.49倍，而桩侧阻力和桩端阻力的分担比例几乎保持不变，约为75%和25%。但对15#桩的泥浆旋挖桩法来说，桩侧阻力和桩端阻力分别约为原来的1.66倍和16倍，桩端阻力占极限承载力的比例从4.69%增至18.91%，由此可见，注浆后15#桩的承载性能有了明显改善，桩的承载能力得到很大提高，特别是桩端阻力得到了充分发挥，成为桩的承载能力的组成部分。

4 结论

本文通过自平衡载荷试验研究了不同成桩方式下端承桩的受力性能，同时探究了后注浆对桩承载力的影响。干旋挖桩桩端沉渣较少，无水软化效应，更有利于保证端承桩的承载强度；泥浆旋挖桩桩端碳质页岩的大量沉积和软化会通过增加沉降量和降低桩端阻力而对承载力产生负面影响，旋挖泥浆桩的泥皮对桩土相互作用有较大影响，上部桩段的单位桩侧阻力降低了24%以上。后注浆技术可以通过提高桩侧和桩端阻力，减少沉降量，提高嵌岩钻孔桩的承载能力。

参考文献

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[3] 李文秀，董毅. 大直径钻孔灌注桩桩底后注浆技术探究[J]. 科学技术创新，2022（35）： 153-156.

[4] 胡伦. 基桩自平衡法与传统静载试验荷载传递机理区别的研究[J]. 四川水泥，2019（3）： 202.

[5] 黄质宏，戴自然. 基桩承载力自平衡法试验应用与研究[J]. 建筑科学，2012， 28（增刊1）： 202-205.

作者简介 ：任若昆（1994—），男，汉族，河南新乡人，毕业于河南工业大学，工程管理专业，研究方向为市政工程，城市道路与交通工程。

电子邮箱：393422088@qq.com。

作者家庭住址：河南省辉县市高庄乡火岔村。