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超长钻孔灌注桩桩基承载性能的研究
报 告 简 本
1 引言
项目组以我国公路桥梁跨江、跨河及跨海大桥为工程背景开展研究，研究内容涵盖：超长钻孔灌注桩现场测试技术、荷载传递机理、荷载传递性状、有限元分析及数值分析、现场试验及室内模型试验、可靠度计算分析、成孔成桩检测与缺陷处理技术等诸多方面。
该项目研究的目的：提高超长钻孔灌注桩现场测试水平，探究超长钻孔灌注桩界限值，提出超长钻孔灌注桩承载力计算方法、设计参数取值建议等，形成一套较完整的公路桥梁超长钻孔灌注桩试验、检测、设计以及缺陷处治技术。项目研究成果应用于大型桥梁桩基础建设，将会大大节约基础建设的资金，提高桥梁的安全性。
2 主要研究成果
2.1超长钻孔灌注桩单桩现场试技术及荷载试验研究
2.1.1现场测试技术研究
(1)锚桩反力梁法
常规的锚桩反力梁法采用普通混凝土反力系统，存在锚桩抗拔能力不足或反力系统抗弯能力不足，无法达到预期的高试验加载吨位。课题组研发了“大吨位基桩静载试验预应力反力系统装置”，使锚桩法试桩的加载吨位得以大大提高，解决了锚桩混凝土在高拔力下会出现开裂的难题，并能有效利用工程桩、承台和墩身，从而节约了试验的土建投资，该系统已获得国家实用新型专利。图2.1.1-1、2.1.1-2为反力系统有限元模型仿真示意图有及限元计算模型中预应力束布置图。

图2.1.1-1有限元模型仿真示意图 2.1.1-2有限元计算模型中预应力束布置图
(2)自锚桩法
改进的“自锚桩法荷载箱”能有效的消除荷载箱位移失真，提高测试的精度，并获得国家实用新型专利。其核心内容是补偿荷载箱上下混凝土不密实引起的刚度降低。图2.1.1-3为该新型荷载箱图片。

图2.1.1-3自锚桩法荷载箱
2.1.2现场荷载试验研究
项目组在浙江、广东、山东等地结合多座大桥和特大桥梁依托推广工程中进行了13根锚桩－反力梁法试桩和7根自锚桩法试桩试验。其中，锚桩法试桩加载吨位超过30000kN的共有9组试桩，最大加载吨位达40000kN，创下国内外锚桩－反力梁法试桩加载吨位之最。锚桩法及自锚桩法试验情况汇总于表2.1.2-1、表2.1.2-2。图2.1.2-1～2.1.1-5为部分试桩现场照片及数据分析曲线。

锚桩法静荷载试验情况汇总表 表2.1.2-1
序号
工程名称
试桩数量
(根)
试桩桩长
(m)
试桩桩径
(cm)
计算承载力
(kN)
最大加载力
(kN)
1
杭州钱塘
江四桥
2
63.32
φ120
22000
33000
69.32
25000
35000
2
杭州钱塘
江五桥
2
69.96
φ120
22000
33000
46.83
15000
20500
3
杭州钱塘
江六桥
2
77.29
φ120
22000
32500
80.64
24000
36000
4
汕头市梅溪河金凤
大桥—西港高架桥
2
80.30
φ100
13000
22000
42.50
7800
12000
5
湛江海湾大桥
2
60.32
φ120
20000
22000
67.82
3000
24000
6
青岛海湾大桥
3
49.00
φ120
33000
38000
52.00
37000
40000
36.50
37000
40000

自锚桩法静荷载试验情况汇总表 表2.1.2-2
序号
工程名称
试桩数量
(根)
试桩桩长
(m)
试桩桩径
(cm)
预计加载力
(kN)
最大加载力
(kN)
1
湛江海湾大桥
(双荷载箱)
1
73.5
φ120
上2*8500
上2*9350
下2*8500
下2*7650
2
东营黄河公路大桥
(单荷载箱)
4
121
φ120
2*15000
2*15000
121
φ120
2*15000
2*16500
78
φ100
2*8000
2*8800
78
φ100
2*8000
2*6610
3
杭州湾跨海大桥
(一个单荷载箱，
一个双荷载箱)
2
85
φ250
2*33750
2*36850
125
φ280
上2*29000
上2*29000
下2*13000
下2*13000
4
陕西太枣沟特大桥
1
89
φ120
2*8000
2*13000
2*5000
2*5000

图2.1.2-1 钱塘江四桥桥试桩工程

图2.1.12-2 湛江海湾桥试桩工程 图2.1.2-3 青岛湾桥试桩工程

图2.1.2-4试桩实测P-S曲线

图2.1.2-5试桩实测桩身轴力图
2.2超长钻孔灌注桩单桩承载力的理论研究
2.2.1超长桩单桩荷载传递基本特点
荷载传递是超长桩工作特性的重要内容。包括：荷载的分配，传递方式，地基土、桩身及桩端土共同承担外荷载的相互关系，发挥过程和分布规律。具有以下特点：
① 超长桩具有和普通桩前两阶段相似的特性，即荷载-沉降曲线为缓变型，没有明显的破坏特征；
② 桩顶限制沉降较小时桩侧阻力发挥并不充分；
③ 超长钻孔桩承载力由沉降控制。
在杭州钱塘江四桥、五桥、六桥，湛江海湾大桥，东营黄河大桥、青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等工程项目的超长钻孔灌注桩荷载试验均得到验证。
2.2.2桩身荷载传递的刚度法函数解
课题研究以超长桩荷载传递机理为核心，以我国正在新建的跨江、跨河及跨海公路特大桥为依托，在大量的现场试桩资料统计、分析基础上，通过桩土刚度与桩长的关系分析和超长钻孔灌注桩的受力特征分析，建立了基于桩土总刚度、桩土剪切刚度、桩端土抗压刚度等参数的超长钻孔灌注桩单桩承载力刚度计算法，使超长钻孔灌注桩的计算设计更加贴合实际。
2.2.2.1桩土传递的函数模型建立
(1) 超长钻孔灌注桩轴向荷载作用下的传递函数模型及解答
① 桩侧阻力－桩土相对位移的函数模型

图2.2.2-1 桩土体系荷载传递
在桩身任意深度处取一微分桩段图2.2.2-1，由平衡条件可得桩土体系荷载传递的基本微分方程：
(2.2.2-1)
其求解取决于桩侧及桩端荷载传递函数的形式。
② 桩侧土荷载传递函数模型
通过大量的室内、室外试验可知，双曲线型传递函数能较好的对桩土进行拟合，且拟合方法简单、精度高，并可用相关系数来评价曲线的拟合效果，如图2.2.2-2所示。

图2.2.2-2 双曲线函数模型
双曲线型荷载传递函数表达式为：
(2.2.2-2)
③ 桩端土的荷载传递函数模型
超长钻孔灌注桩桩端土的力学模型即可采用双曲线函数，也可简化为双折线函数近似模拟其荷载传递性能。
桩端土承载力双曲线型表达式：
(2.2.2-3)
桩端承载力双折线型表达式：
(2.2.2-4)
④ 桩身荷载传递的刚度法函数解
基于双曲线函数模型的荷载传递刚度法函数解是本研究课题提出的超长钻孔灌注桩单桩承载力新计算体系，它使超长钻孔灌注桩的设计、计算更加精细化，计算更符合实际情况。

图2.2.2-3 桩土计算模型 图2.2.2-4 桩土简化计算模型
图2.2.2-3和2.2.2-4分别为桩土计算模型、简化计算模型，若采用矩阵刚度法进行桩基结构计算，其基本方程为：
(2.2.2-5)
超长钻孔灌注桩桩顶受到一个桩顶力，得到沉降量为：
为桩土总刚度 (2.2.2-6)
在桩顶荷载作用下，第n段桩第i分段的桩侧摩阻力可按双曲线函数表示为：
(2.2.2-7)
桩端反力可表示为：
(2.2.2-8)
若为桩侧的桩土位移，设为桩侧的桩土剪切刚度，则桩侧摩阻力及桩端反力可表示为：
(2.2.2-9)
第i分段的弹性压缩量：
(2.2.2-10)
各段桩桩身压缩量与桩土间相对位移有如下关系：
(2.2.2-11)
经推导可得：
(2.2.2-12)
或
(2.2.2-13)
P——单桩桩顶轴向受力（kN）
——第段桩对应的桩侧摩阻力（kPa）；
——桩端土承载力（kPa）；
u——桩的周长（m）；
A——桩底截面面积（m2）；
n——钻孔桩总段数；
——各土层的厚度（m）；
——桩土总刚度（kN/mm）；
——第段桩桩与土的剪切刚度（kN/mm）；
——第段桩桩身竖向弹性刚度（kN/mm）；
K0——桩端处土的弹性抗压刚度系数（kPa/mm）。
通过引入的桩土刚度各参数及桩身荷载传递的刚度法函数解可对超长钻孔灌注桩的界定长度及有效桩长进行判定、分析。
2.2.2.2 桩土传递的函数模型拟合分析
通过对大量桩土位移室外现场原位试验及室内模型试验数据进行分析，表明双曲线函数能够较好的拟合侧摩阻力与桩土位移之间的关系，且拟合方法简单，参数少，拟合精度高（见图2.2.2-5～2.2.2-8）。室内各类土试验及模型桩试验数据拟合相关系数均在0.99以上，试桩实测各土层的拟合相关系数大于0.8 的为98%以上。

图2.2.2-5 室内试验各类土与土拟合曲线图

图2.2.2-6 模型桩桩土拟合曲线

图2.2.2-7 原型试桩桩侧摩阻力与桩土相对位移拟合曲线图

图2.2.2-8 原型试桩桩端土曲线图

③ 桩基的P－S曲线拟合
利用各原型试桩得到的桩侧桩端荷载传递函数后，对桩顶实测P～S曲线进行拟合，图2.2.2-9和图2.2.2-10为部分原位超长桩试桩拟合结果，从图中可以看出用双曲线传递函数能较好的对桩顶P～S曲线进行拟合，误差较小。
2号试桩

3号试桩

图2.2.2-9 钱江四桥实测与计算曲线

1号试桩

2号试桩

图2.2.2-10 钱江五桥实测与计算曲线
2.2.2.3 不同参数对超长桩承载性能的影响
项目组主要分析桩侧土剪切模量、桩身混凝土模量、长径比、桩长和桩径等对超长钻孔灌注桩荷载传递性状影响因素。图2.2.2-11～2.2.2-15为部分不同参数下计算曲线。各参数对桩基承载性状有不同程度的影响，设计时应选择合适的长径比，在尽量减少工程量的同时，达到设计要求的承载能力和桩顶容许位移的要求。

图2.2.2-11 桩侧土不同剪切模量下曲线 图2.2.2-12 不同长径比单桩荷载P～S曲线

图2.2.2-13 不同桩长单桩荷载P～S曲线 图2.2.2-14 不同桩径单桩荷载P～S曲线

图2.2.2-15 不同桩身弹模单桩P～S曲线
2.2.2.4 超长桩有限元分析计算
本研究借助大型通用有限元软件ANSYS对钻孔灌注桩进行三维空间仿真分析，通过计算实例分别分析了桩长、桩径、土体粘聚力值、桩侧土体刚度、桩端土体刚度对桩基承载性能的影响程度。
图2.2.2-16 计算模型示例图片

图2.2.2-17 不同桩长桩基Q-S曲线 图2.2.2-18 不同桩径桩基Q-S曲线

图2.2.2-19 不同C值桩基Q-S曲线 图2.2.2-20 桩侧土不同剪切刚度桩基Q-S曲线
L=60m

L=20m

图2.2.2-21 不同桩端土刚度桩基Q-S曲线
2.2.2.5超长桩的界定及定义
超长钻孔桩是由普通桩通过逐渐增加桩长而形成。在已定的桩径下，普通桩在桩顶荷载作用下，桩侧及桩端抗力将达到极限状态。增加桩长度，桩顶可承受荷载逐渐增大，桩土刚度呈直线增加；当桩长增加到一定数值时，桩顶可承受荷载增大速率逐渐减小，桩土刚度的增幅逐渐平缓形成拐点。此时，如继续增加桩长，则桩土刚度不再增大，基本保持在一个定值。

a）桩顶沉降10mm时

b）桩顶沉降20mm

c）桩顶沉降30mm
图2.2.2-22 桩长～桩土刚度曲线图
从图2.2.2-22可以看出，在相同桩顶沉降的情况下，随土层桩土剪切刚度减小而拐点下移，在土层不变的情况下随着桩顶沉降增加拐点下移。
按现有规范计算方法计算桩长时，设计承载力取桩侧摩阻力极限值和桩端阻力极限值的1/2。在桩顶容许大沉降的前提下，中小桥梁的中短桩计算结果与实际情况基本吻合。
对特大桥及重要桥梁，桩顶容许沉降均较小的长桩或超长桩才能满足上部结构的正常使用功能。从超长桩受力机理得知，因桩土位移的限制，下段桩侧摩阻力和桩端阻力不可能充分发挥，桩侧摩阻力和桩端阻力不可能出现整体达到极限的状态。
超长桩定义为：特大桥及重要桥梁在极限荷载作用下，为满足桥梁对桩顶沉降的限制条件，钻孔桩逐渐增长，但增加到一定长度后部分桩侧摩阻力并不能完全发挥，我们把有此特征值的桩基称为超长桩。
桩侧各土层摩阻力恰好达到极限值时的临界桩长为超长桩界定值。
超长桩的长度界定因桩顶位移、荷载及桩土参数的变化而不同。从单层土的计算分析可以看出，在荷载作用下，同等桩顶沉降时，超长桩界定值在软土中较大，硬土中较小。统计分析可以看出实际工程桩在不同的荷载作用或不同的桩顶位移时，96％的超长桩界定值分布在40m～80m的范围内。
2.2.3超长钻孔灌注桩单桩室内模型试验
课题组完成了三期77组单桩室内模型试验，包括有机玻璃单桩模型试验、混凝土单桩模型试验、土—土剪切试验、土—混凝土剪切试验、单元桩室内模型试验。试验结果较好的反映了单桩的受力特性及不同土质不同埋深对桩基承载性能的影响。

图2.2.3-1有机玻璃模型桩桩身节段照片 图2.2.3-2混凝土模型桩加载照片

图2.2.3-3 混凝土单桩Q-S曲线 图2.2.3-4 混凝土单桩桩身轴力图
① 土—土剪切试验成果：各种土体剪切试验最大水平推力随深度的增加而增加，即土体的剪切强度随深度的增加而增加，基本呈正比例关系，见图2.23-5）。
② 土—混凝土剪切试验成果：土—混凝土剪切试验最大水平推力随深度的增加而增加，即土体与混凝土的极限摩阻力随深度的增加而增加，基本呈正比例关系，见图2.23-5 b）。

a）土-土剪切试验 b）土-混凝土剪切试验
图2.2.3-5 各土样极限摩阻力与深度关系曲线
③ 单元桩试验成果：在不同深度下，混凝土桩的极限摩阻力随模拟深度的增加而增加。

图2.2.3-6 不同深度单元桩试验P-S曲线 图2.2.3-7 极限承载力与深度关系曲线
2.2.4 单桩承载力参数取值及计算方法
2.2.4.1 超长钻孔灌注桩单桩承载力参数取值分析
(1) 单桩承载力标准值的确定
钻孔桩的设计长度因桩顶位移、荷载及桩土刚度变化而不同。对于大桥和特大桥，一方面应尽量使桩基充分发挥桩侧摩阻力和桩端反力，另一方面，为了桥梁的安全使用功能，要控制桩基位移。因此，应按以下原则确定设计桩长。
①安全等级一级：即特大桥、重要桥梁桩基桩长应根据本课题推荐承载力公式计算，其设计桩长应大于超长钻孔灌注桩长度界定值，建议大于1.2倍超长桩界定值。
②安全等级二级：即大桥、中桥、重要小桥桩基桩长应根据本课题推荐承载力公式计算，其设计桩长应不大于1.2倍超长桩界定值。
③安全等级三级：即小桥桩基，其设计桩长应不大于超长桩界定值，可根据现有规范承载力公式进行计算。
安全等级一级、二级，超长钻孔灌注桩桩基竖向极限承载力标准值的取值，在桩基试验与静力触探、标准贯入测试结果差值不大于50％时，超长钻孔灌注桩桩基竖向极限承载力标准值的取值应参考本课题统计推荐极限承载力，宜取试桩极限承载力0.65～0.80倍。测试结果差值大于50％时，建议应取小于0.65倍试桩极限承载力。
安全等级三级，超长钻孔灌注桩桩基竖向极限承载力标准值参考表如下：
超长钻孔灌注桩极限桩侧阻力标准值取值参考(kPa) 　　　 表2.2.4-1
土 类
规范中值
规范取值
推荐中值)
推荐取值
流塑亚粘土、亚砂土
25
20～30
30
20～40
硬塑粘土
65
50～80
85
50～120
软塑亚粘土、亚砂土
45
35～55
48
35～60
硬塑亚粘土、亚砂土
70
55～85
95
60～130
粉砂、细砂
45
35～55
58
40～75
中砂
50
40～60
68
45～90
风化岩石*
——
——
250
120～380

超长钻孔灌注桩极限端阻力标准值取值参考(kPa) 表2.2.4-2
土名称
土的状态
标准值
土名称
土的状态
标准值
亚粘土、粘土
软塑
200～240
卵石
密实
600～800
亚粘土、粘土
硬塑
260～280
角砾岩
强风化
450～500
粉砂、细砂
松散
70～100
角砾岩
弱风化
600～800
中砂
中密
260～300
角砾岩
微风化
800～1000
粗砂
中密
270～350
泥质砂岩、粉砂质泥岩
强风化
400～450
粗砂
密实
450～500
泥质砂岩、粉砂质泥岩
弱风化
500～600
砾砂
密实
400～500
泥质砂岩、粉砂质泥岩
微风化
650～750
注：表中无取值土类，建议采用原《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024-85取值。

(2) 单桩桩土剪切刚度和桩端土抗压刚度的确定
超长钻孔灌注桩的桩侧摩阻力值及桩端土抗力按桩土剪切刚度和桩端土的抗压刚度进行分配，其、的取值原则应按现场试验测试结果得出的各土层双曲线拟合函数计算确定。没有试桩资料时，超长钻孔灌注桩桩基剪切刚度和桩端土的抗压刚度取值建议参考表如下：
超长钻孔灌注桩桩土剪切刚度标准值取值建议参考表(kPa/mm) 表2.2.4-3
土 类
推荐取值范围
流塑亚粘土、亚砂土
1～3
硬塑粘土
15～30
软塑亚粘土、亚砂土
3～6
硬塑亚粘土、亚砂土
12～22
粉砂、细砂
3～8
中砂
5～15
风化岩石*
25～75

(4)桩土相对位移
① 桩侧土极限位移
桩土侧摩阻力和桩土位移可近似用双曲线来模拟，在没有试桩实测资料或简化计算时，人们往往习惯于用桩侧土极限侧摩阻力和桩土达到极限摩侧阻力时的位移来表示桩土荷载传递函数。本课题结合我国公路桥梁的现状，按前述的我国公路桥梁通常取桩顶沉降：S=20～40mm所对应的桩顶荷载为桩的极限承载力，取S＝5～20mm所对应的桩顶荷载为设计荷载的依据。试桩实测各土层摩阻力达到极限承力时桩土的相对位移研究成果汇总如表2.2.4-4。
桩土的相对位移的研究成果汇总 （mm） 表2.2.4-4
土 类
推荐中值
推荐取值范围
流塑亚粘土、亚砂土
30
15～40
硬塑粘土
7
4～10
软塑亚粘土、亚砂土
20
10～30
硬塑亚粘土、亚砂土
8
6～10
粉砂、细砂
20
10～30
中砂
16
7～25
风化岩石*
10
5～15
② 桩端土极限位移
表2.2.4-5为各试桩在试验荷载作用下桩端土极限位移统计表，从表中可以看出桩端土极限位移离散性很大。大部分试桩在试验荷载作用下桩端土仍然处于弹性状态并未达到极限。建议桩端极限位移取值为 ＝2～10mm或＝0.002～0.004Dmm。
实测试桩桩端极限位移统计表 表2.2.4-5
序号
土层名称
极限位移值（mm）
试桩名称
1
微风化安山玢岩
5.25
钱江4桥2号试桩
2
微风化含砾砂岩
14.76
钱江4桥3号试桩
3
弱风化凝灰质粉砂岩
21.13
钱江5桥1号试桩
4
卵石
42.22
钱江5桥2号试桩
5
强风化砾凝灰质中砂
117.14
钱江6桥3号试桩
6
强风化砾凝灰质中砂
122.62
钱江6桥4号试桩
7
强风化花岗岩
92.92
金凤桥1号试桩
8
强风化花岗岩
48.42
金凤桥2号试桩
9
亚粘土
4.30
东营1号
10
亚砂土
10.09
东营2号
11
中细砂
4.84
东营3号
12
中细砂
7.80
东营4号
13
弱风化粉砂岩
20.23
杭徽1号试桩
14
强风化碳质砂质页岩
3.90
广惠1号试桩
15
强风化碳质、泥质页岩
4.42
广惠2号试桩
2.2.4.2 超长钻孔灌注桩单桩承载力计算方法
提出刚度变形协调原则计算桩基垂直承载力的方法，根据现场试验及室内试验资料及经验参数值，通过分析程序控制，依据桩基刚度及剪切刚度等参数值分配，自动生成最优桩长、桩径。
(1) 单桩承载力设计计算表达式
单桩竖向极限设计计算的表达式为：（法）
（2.2.4-1）
其中： ，
按刚度变形协调原则计算桩基垂直承载力：（K法）
（2.2.4-2）
式中：P——单桩竖向荷载（kN）；
——公路桥梁桩基重要性系数，对安全等级一、二、三级公路桥梁分别取＝1.20、1.15、1.10；
——单桩竖向承载力（kN）；
、、——单桩抗力分项系数、桩侧阻抗力分项系数和端阻力抗力分项系数，根据不同成桩工艺取值，一般；
、——分别为桩周第i层土极限侧摩阻力标准值和桩端持力层极限端阻力标准值。
——第段桩对应的桩侧摩阻力折减系数；
——桩端土承载力折减系数；
其余参数同式(2.2.2-13)
达式中引入了、、四个参数，目的在于建立的概念，并积累有关数据，以利于修订规范时明确提出不同桩基的、值。
桩侧阻力分项系数、端阻力分项系数表征同类桩侧阻和端阻的变异性。根据超长钻孔灌注桩的受力特征，侧摩阻力折减系数、桩端土的承载力折减系数是当下半段未能达到极限值时，桩侧摩阻力按桩土刚度分配的折减。
（2）单桩设计桩长的确定原则
钻孔桩的设计长度因桩顶位移、荷载及桩土刚度变化而不同。对于大桥和特大桥，一方面应尽量使桩基充分发挥桩侧摩阻力和桩端反力，另一方面，为了桥梁的安全使用功能，要控制桩基位移。因此，应按以下原则确定设计桩长。
① 安全等级一级：即特大桥、重要桥梁桩基桩长应根据本课题推荐承载力公式计算，其设计桩长应大于超长钻孔灌注桩长度界定值，但应小于有效桩长。
② 安全等级二级：即大桥、中桥、重要小桥桩基桩长应根据本课题推荐承载力公式计算，其设计桩长应不大于1.2。
③ 安全等级三级：即小桥桩基，桩基桩长其设计桩长应不大于，因此，可根据现有规范承载力公式进行计算。
课题组以青岛海湾大桥等大桥为例，按课题方法计算设计桩长表明，在极限荷载作用下，满足桩顶容许沉降时，与原设计相比，课题计算方法部分工程桩桩长减短，说明原设计偏于保守，造成工程上的浪费。同时，部分桩基桩长增大，说明在原设计的桩长、桩径状况下，桩顶沉降不能满足使用功能要求。对于特大桥梁设计，在桩顶容许沉降有严格要求时，采用现有规范设计方法，尽管极限侧摩阻力取值保守，由于设计时没有对桩顶容许沉降进行充分考虑，所设计的桩基仍然存在安全隐患，可能影响桥梁正常使用。
采用课题提出的方法，按桩基实际受力情况进行桩基设计，参数取值充分参考勘察报告和试桩实测值，使桩径、桩长设计得到最好的优化。
2.2.5超长钻孔灌注桩承载能力可靠度研究
利用JC法计算各类土的可靠度指标，当抗力按对数正态分布计算时可靠度平均值在2.091~4.945之间，当抗力按正态分计算时，可靠度平均值在1.520～3.071之间，汽车荷载分布概型对计算结果影响不大，抗力按对数正态分布计算时，计算结果高于按正态分布计算的结果。一般运行状态和密集运行状态计算结果相差不大。利用最小二乘法确定超长钻孔灌注桩目标可靠度指标在之间。
2.2.6 超长钻孔灌注桩扩孔值的统计及成孔检测规程
通过对多个工程共计2630根钻孔灌注桩的成孔直径进行统计分析，给出了实际成孔直径扩孔值标准值的建议取值，如表2.2.6-1所示。
扩孔值建议取值 　 　　　 表2.2.6-1
桩 径(m)
中值（cm）
取值范围(cm)
建议取值范围(cm)
1.0～1.2
11
4～18
5~12
1.5～1.8
10
4～16
5~10
2.0～2.5
9.5
4～15
5~10
＞2.5
－
－
5~10
根据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)和《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024－85)对钻孔灌注桩成孔质量标准的规定，结合多个工程的成孔质量检测实践，编写了超长钻孔灌注桩成孔质量检测规程。
该规程对超声法成孔检测的设备要求、检测方法、数据分析、报告编写方法等做了详细规定，对今后超声成孔检测方法的推广和应用具有指导意义。
2.3 超长钻孔灌注桩群桩承载性能的研究
2.3.1超长钻孔灌注桩群桩承载力的理论研究
课题对3D、4.5D和6D三组不同桩间距超长钻孔灌注桩进行了理论计算分析，总结了桩端应力与桩端位移与桩间距的关系，图2.3.1-1～图2.3.1-3为计算分析图。

(a)单桩桩端最大应力50.361kPa (b)3D桩间距群桩桩端最大应力62.434 kPa

(c) 4.5D桩间距群桩桩端最大应力62.048 kPa （d）6D桩间距群桩桩端最大应力61.525 kPa
图2.3.1-1 不同桩间距下桩端应力云图

图2.3. 1-2 桩端应力与桩间距关系 图2.3.2-3 桩端位移与桩间距关系
2.3.2超长钻孔灌注桩群桩室内模型试验
课题组通过试验对三组不同桩间距的群桩承载性能进行了室内模型试验分析，图2.3.2-1为桩间距分别为3D、4.5D和6D的群桩的荷载－沉降曲的实测曲线，并得到群桩中各桩的桩身轴力、侧摩阻力、桩侧阻力与桩土相对位移分布，如图2.3.2-2～图2.3.2-4所示。

图2.3.2-1 不同桩间距的三组群桩的Q-S曲线

图2.3.2-2 3D、4.5D、6D群桩中各级荷载下的轴力分布图

图2.3.2-3 3D 、4.5D、6D群桩中各级荷载下的侧阻力分布图

图2.3.2-4 3D群桩中桩身侧阻力与桩土相对位移关系曲线
2.3.3超长钻孔灌注桩群桩承载力计算方法、参数取值和合理桩距分析
课题组通过试验数据与计算数据的比较，认为港口桩基规范（JTJ254-98）提出的群桩效率系数公式克服了Conrerse-Labrre公式的缺点，因此可以推荐用于群桩效率系数计算。课题组对砂土、软土、粘性土合理桩距进行分析，并通过试验和空间分析得到的桩距x与群桩效率系数y的关系曲线：y=0.006x2+0.009x+0.648。
2.4 超长钻孔灌注桩质量检测与缺陷处理
2.4.1基桩质量检测技术
为解决小应变锤击能量不足，达到提高锤击能量的目的，课题组对三源均振叉装置的结构原理和测试技术进行了系统的研究，并进行了有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA的桩—土振动体系参数变化的数据模拟分析。
图2.4.1-1为模拟的三源均振叉激振下速度-时间波形，图2.4.1-2为橡胶锤＋三源均振叉激发实测速度-时间波形。

图2.4.1-1计算三源均振叉激振下速度-时间波形

图2.4.1-2橡胶锤＋三源均振叉激发实测速度-时间波形
2.4.2质量缺陷严重程度判定与现场处治
为解决现行规范关于超声波法桩身质量单一判据的不足，本研究将检测到的混凝土声学参数，用数理统计方法计算得到梯形隶属函数的分类，应用模糊数学理论，将桩基混凝土质量设定为优、合格和不合格三类,综合考虑各个参数对基桩质量评价的影响，确定各个参数对总体影响的模糊权向量，建立模糊综合评价模型，得到桩基质量判断的综合判断结果。
课题组对超长桩桩基灌注质量事故的预防与处理措施、不同缺陷处理方案、后注浆的施工工艺及参数进行了研究，形成一套完备的超长桩，该技术在工程中得到成功应用。表2.4.2-1为该缺陷处理技术应用情况表。
缺陷处理技术应用情况表 表2.4.2-1
序号
桥 名
桥梁开工
年度
桥梁竣工
年度
桥 型
最大跨径
(m)
1
广东汕头西港高架桥
2002年12月
2005年05月
83+138+83m三孔
连续刚构
138
2
湖南新嘉二级公路新田大桥
2004年01月
2006年12月
等截面预应力连续
箱梁桥
32
3
浙江杭州湾大桥
2003年06月
预计2008年
双塔双索面钢箱梁
斜拉桥
448m
2.4.3 缺陷处治注浆材料试验研究
通过对注浆材料的试验研究，得出以下结论：
(1)在注浆材料中用尾砂替代部分水泥，既能满足灌浆要求，又可降低工程成本，并为尾砂利用开辟新途径；
(2)采用正交试验法设计灌浆材料可降低试验次数、降低费用、提高效率。
(3)注浆材料试验说明早期水泥浆试块，波速与抗压强度呈线性变化，水泥浆液的早期强度远低于混凝土。
(4)矿粉浆液用于切割处理断桩缺陷部位，不影响注浆效果。试验证明：矿粉浆液切割效果优于清水和水泥浆液；
(5) 注浆模拟试验是注浆处理的必要工序，可以得出注浆量、浆液扩散半径等，以及浆液水灰比、注浆介质结构特征、注浆压力等因素的关系。
图2.4.3-1～2.4.3-4 为部分试验分析曲线。

图2.4.3-1 注浆量Q与吸水率q的关系 图2.4.3-2注浆量Q与水灰比W/C的关系

图2.4.3-3 扩散半径R与吸水率q的关系 图2.4.3-4 扩散半径R与水灰比W/C的关系
3 创新性成果
通过对超长钻孔灌注桩桩基承载性能的研究，取得了以下创新性成果：
(1) 在对现场桩基试验及室内模型试验的桩土位移－应力进行大量的曲线拟合统计与研究的基础上，提出了适合桩土的双曲线传递函数模型，建立了评价超长钻孔灌注桩承载力及位移的新方法。
(2) 在大量的现场试桩资料统计与分析的基础上，通过桩土刚度与桩长的关系分析和超长钻孔灌注桩的受力特征分析，首次阐明了超长钻孔灌注桩的定义及超长桩的定量界定，给出了超长钻孔桩桩侧摩阻力标准值的建议值和取值方法，为优化超长桩的设计提供了理论依据及今后修订公路桥梁桩基础设计规范提供了技术支撑。
(3) 首次提出桩土总刚度、桩土剪切刚度、桩端土抗压刚度等参数，建立超长钻孔灌注桩单桩承载力刚度协调计算法，使超长钻孔灌注桩的设计、计算更符合实际情况。
(4) 研发了具有自主知识产权的“大吨位基桩抗压静载试验中的预应力反力系统装置”（专利号为ZL2005 2 0114928.9），使锚桩法的试桩吨位得以提高，并能有效利用工程桩、承台和墩身，从而节约试桩的工程费用；
(5) 研发的“自锚桩法荷载箱” (专利号为ZL2005 2 0114929.3)可以消除荷载箱工作失真，提高测试精度，解决了自锚桩测桩法存在荷载～沉降曲线失真的技术难题；
(6) 提出了超长钻孔灌注桩成孔质量检测的相关指标和技术规程，对超长钻孔灌注桩的质量控制和管理有较好的指导意义。