公路桥梁钻孔灌注桩设计与施工要点研究.pdf

总657期2023年第27期（9月 下）0 引言钻孔灌注桩的变形机理复杂，如果设计方案和施工技术选择不合理，可能导致桥梁在运营期间因不均匀沉降，造成巨大的经济损失和人员伤亡。鉴于此，国内外很多学者借助现场试验、数值模拟等手段研究了钻孔灌注桩的设计和施工方法，比如刘志成1对某山区桥梁钻孔灌注桩的设计流程进行了简单阐述，并分析了部分施工细节；洪勇2对从静载试验角度对钻孔灌注桩的极限承载力展开分析，提出了有效桩长的概念，为优化设计提供依据。但是，部分工程技术人员在制定设计和施工方案时，仅参考类似项目经验，导致方案不合理、不经济。因此，基于钻孔灌注桩的承载变形特性，进一步研究其设计与施工要点十分必要。1 公路桥梁钻孔灌注桩承载力变形特性1.1 钻孔灌注桩承载特性钻孔灌注桩的承载力源于桩与桩周岩土体的摩阻力、桩端持力层阻力两部分，与岩土体的物理力学性能、桩长、桩距、桩根数、群桩的平面排列和承台尺寸大小等因素密切相关。根据相关研究成果，桩距和桩根数对钻孔灌注桩承载力的影响是最大的。根据承载特性不同，可将钻孔灌注桩划分为摩擦桩、端承桩、端承摩擦桩和摩擦端承桩。1.2 钻孔灌注桩变形特性在公路桥梁钻孔灌注桩的设计和施工期间要严格控制基础的沉降量，避免因沉降过大引起桥梁上部结构开裂或塌陷。以图1所示的公路桥梁钻孔灌注桩典型p（荷载）-s（沉降）曲线为例进行分析3：由图1可知：钻孔灌注桩沉降变形随荷载的增加而增大，但并非呈线性变化趋势，即变形速率不同。在不同阶段，桩基础周围土体及持力层状态不同。在OA段，桩基沉降变化速度慢，桩周土体尚处于完全弹性变形阶段；AB阶段，桩周土体开始出现塑性变形，桩端持力层处于弹性状态；BC阶段，桩周土体完全屈服，桩端持力层处于弹性状态；在CD阶段，桩基承受的荷载过大，导致灌注桩刺穿持力层，基础快速下沉，直至桩基破坏。出现上述现象的原因在于：在竖向荷载作用下，基桩产生竖向位移，桩侧摩阻力先发挥作用。当竖向位移达到某一临界值后，桩端阻力才开始发挥作用。2 公路桥梁钻孔灌注桩设计要点分析2.1 工程概况本文以某公路桥梁为研究对象，探讨了钻孔灌注桩的设计和施工要点。该桥梁设计桥宽31m，左右两幅桥梁宽度均为15.5m，桥梁安全等级为一级，设计使用年限100年。桥梁上部结构为钢筋混凝土简支梁结构，下部结构采用钻孔灌注桩基础。项目建设区域属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季低温少雨，年平均气温为 6.8，年平均降水量为 550600 mm，降雨主要集中在69月份。根据勘察单位所提供的勘察报告、室内试验及原收稿日期：2023-02-09作者简介：侯文静（1989），女，河北唐山人，工程师，从事路桥设计工作。公路桥梁钻孔灌注桩设计与施工要点研究侯文静（河北双盛交通勘察设计有限公司，河北 沧州 061000）摘要：为提升公路桥梁钻孔灌注桩建设水平，总结了钻孔灌注桩的承载和变形特性，并依托某公路桥梁项目，从持力层选择、桩长桩径选择、桩间距和布置形式、桩基根数、桩身承载力和变形验算等方面探讨了钻孔灌注桩的设计方法。同时，针对钻孔灌注桩施工的钢护筒埋设、成孔清孔、混凝土灌注等工艺进行深入探讨。经检验，抽检基桩的完整性和承载力均满足设计要求。关键词：公路桥梁；钻孔灌注桩；承载力；设计方法；施工要点；质量检验中图分类号：U445文献标识码：B图1 钻孔灌注桩p-s曲线152交通世界TRANSPOWORLD位测试结果，桥梁区域内的地基土从上至下分别为杂填土、粉质黏土、粗砂、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，不同岩土体的承载力参数如表1所示：表1 地基土力学参数地基土杂填土粉质黏土粗砂全风化泥质粉砂岩强风化泥质粉砂岩中风化泥质粉砂岩承载力基本容许值fa0/kPa标贯值-220260400500建议值5080220260400500桩侧土强度标准值qik/kPa1030651001301502.2 钻孔灌注桩设计步骤公路桥梁钻孔灌注桩基础在设计前要收集必要的资料，如上部结构型式、荷载性质与大小、工程地质资料、水文资料、气候气象条件等。随后根据收集的资料，初步拟定桩基设计方案（包括桩基类型、桩长、桩径、桩根数、桩的布置形式等内容）。最后对桩基的强度、变形进行验算，验算结果满足规范，表明设计方案可行。否则，应修改桩基础设计方案并重新验算。2.3 桩基础布置方案1）持力层选择公路桥梁桩端持力层选择时先要考虑上部荷载大小、沉降变形要求，再考虑施工可行性及经济性。钻孔灌注桩持力层一般应选择强度高、压缩性低的坚硬岩土体，以提高桩基承载力，减小桩基变形4。根据表1，该桥梁地层整体较弱，建议以中风化泥质粉砂岩为钻孔灌注桩持力层，桩端应进入持力层至少1m。2）桩长桩径选择钻孔灌注桩的桩长和桩径是相互制约的，在选择时应综合考虑土层性质、地质条件、桩土相互作用、桩径比、压屈失稳等因素，以最大程度发挥桩基的承载能力。根据邻近项目建设经验，该桥梁初步拟定的承台的埋深为1.5 m，桩径d为1.2 m，桩长L为16 m。3）桩间距和布置形式公路桥梁钻孔灌注桩的桩基础间距不宜过大或过小。桩间距过小，桩基施工困难，且在桩基间挤土效应和群桩效应的影响下，承载力难以充分发挥；桩间距过大，为达到设计承载力，需增加桩基承台面积和圬工量，造成工程造价大幅提升。由公路桥涵地基与基础设计规范（JTG 33622019）可知，钻孔灌注桩设计中心距应不小于2.5倍桩径，钻孔扩底灌注桩的中心距应不小于Max（1.5倍扩底直径，扩底直径加1 m）。公路桥梁中桩基平面布置形式有单排桩和多排桩（行列式与梅花式），前者能较好地与柱式墩台结构形式配用，可节省圬工，适用于中小跨径桥梁；后者稳定性好，抗弯刚度较大，适用于大跨径、对承载力要求高的桥梁。综上，该桥梁钻孔灌注桩未进行扩底，桩间距取2.5 d（3 m），采用梅花型多排桩布置。4）桩基根数对于轴心受压的钻孔灌注桩基础，根数n可根据式（1）（2）初步估算。对于偏心受压的桩基础，可将式（1）所计算的桩基根数提高1.1倍1.2倍5。n=F+GR（1）R=2Ra=ui=1nqikli+Apqr（2）式（1）（2）中：R、Ra分别为单桩竖向承载力设计值和特征值，kN；F为桩基上竖向力设计值，kN；G为承台及承台上土的重力，kN；u为桩基周长，m；li为承台底面以下各土层的厚度，m；qik为与li对应的桩侧摩阻力标准值，kPa；Ap为桩基截面积，m2；qr为桩端土承载力特征值。2.4 桩身承载力和变形验算1）桩身承载力验算对于轴心受压的桩基础，作用在钻孔灌注桩基桩顶部的竖向力平均值Nk不应大于桩身竖向承载力特征值Ra。而桩基在偏心力作用下，除了要满足上述条件，基桩顶部的竖向力最大值Nkmax不应大于桩身竖向承载力特征值Ra的1.2倍。如不满足上述要求，可采取增加基桩根数、加大基桩直径或调整基桩的平面布置等方法，直至验算通过。2）桩基沉降验算由于该桥梁桩基间距不大于6倍桩径，还要检验桩基的沉降量。可参考 建筑桩基技术规范（JGJ942008），将桩基础简化为埋深较大的实体基础，按分层总和法理论计算进行6，见式（3）（4）：s=es0（3）e=C0+nb-1C1(nb-1)+C1（4）式（3）（4）中：s为桩基最终沉降量，mm；为桩基沉降计算经验系数，可参考表2取值，e为桩基等效沉降系数；C0、C1、C2分别为桩基础的距径比、长径比、基础长宽比；nb为基础短边布桩数。表2 桩基沉降计算经验系数参考值当量压缩模量/MPa500.4350.5200.65150.9101.23 公路桥梁钻孔灌注桩施工要点分析3.1 钻孔灌注桩施工工艺1）埋设护筒由于地表是松软的杂填土，为控制桩基成孔的垂153总657期2023年第27期（9月 下）直度和孔径大小，阻止地表水渗入孔内，在钻孔前应埋设护筒。护筒埋设高度要超出地面至少0.3m，倾斜度不小于1%。中心线与桩孔中心线对齐。同时，护筒底部和四周所填充的黏质土应分层夯实。2）成孔和清孔钻孔前，应通过“十字线”确定桩孔位置，并将钻机对准桩孔中心，如图2所示：图2 钻孔灌注桩定位钻孔期间，应结合现场地质条件来确定钻进速度。当从硬地层向软地层钻进时，可适当提升钻孔速度；当从软地层向硬地层钻进时，可适当减小钻孔速度；当遇到砂层时，要考虑增加泥浆比重。终孔后立即采用抽浆法清孔，直至孔底的沉渣厚度满足设计要求。需注意，地面以下护筒，应在混凝土灌注结束后立即拔出；地面以上的护筒，须等桩身混凝土抗压强度大于5 MPa方可拆除。3）灌注混凝土灌注混凝土前应检查钻孔深度、直径、倾斜度等参数，经监理工程师确认合格后方能灌注。目前，一般是采用导管法来灌注混凝土，首批混凝土的灌注量V是保证其施工质量的关键。首批混凝土的灌注量可用式（5）计算：V=D2(H1+H2)/4+d2h1/4（5）式（5）中：D为钻孔直径，m；d为导管内径，m；H1为导管底至桩孔底的距离，取0.30.5m；H2为导管首次埋置深度，至少0.8m。除特殊情况外，混凝土应连续灌注，不得中途停工，控制好混凝土灌注速度，不宜过快，以免导管内产生高压气囊，使得桩身混凝土出现疏松、蜂窝等病害。此外，技术人员要随时记录混凝土浇筑液面的高度，严格控制导管埋入深度（导管埋深过大，应充分振捣混凝土，避免形成长短桩）；同时，为保证桩基础顶部的密实度，灌注后的桩顶标高应超出设计标高至少0.5m。3.2 钻孔灌注桩施工质量检验1）桩身完整性检验抽取10根基桩进行完整性检验，检验方法使用超声波透射法，具体操作流程为：采用“平测法”对基桩的各个剖面进行普查，找出声学参数异常测点；对声学参数异常的测点用“斜测法”或“扇测法”加密测试。最终，所测得的曲线波形平稳，无明显突变。经判定，I类桩有8根，桩身完整性满足工程需求。2）承载力检验钻孔灌注桩承载力检验采用静载试验，最大加载量取两倍设计荷载，分9级进行加载（第1级荷载为最大加载量的20%，其他8级荷载为最大加载量的10%）。各加载阶段桩顶沉降如图3所示：图3 各加载阶段桩基础沉降由图2试验结果可知：当加载小于5 500 kN时，桩基沉降增加缓慢；当加载超过6 500 kN时，桩基沉降迅速增加，表明桩基已经处于极限状态。在设计荷载作用下，桩基沉降仅3.1 mm，满足设计文件要求。4 结论1）钻孔灌注桩承载力有桩与桩侧土体摩阻力、桩端阻力两部分，其变形随竖向荷载的增加而增加；2）钻孔灌注桩不仅要对桩基布置方案进行设计，还应结合其受力特征验算桩基的竖向承载能力和沉降变形；3）钻孔灌注桩施工应重视埋置护筒、成孔、清孔、灌注混凝土等工艺，并在施工结束后对桩基的完整性和承载力进行检验。参考文献：1 刘志成.公路桥梁的钻孔灌注桩设计与施工技术研究J.交通世界，2022（21）：57-59.2 洪勇.公路桥梁的钻孔灌注桩设计研究J.工程建设与设计，2021（14）：62-65，72.3 王大林.山区公路桥梁桩基设计探析J.黑龙江交通科技，2019，42（3）：105-106.4 冯汉彪.浅谈钻孔灌注桩水下混凝土配合比设计及施工工艺J.绿色环保建材，2019（1）：160.5 祝立君，刘传新，孙继军.大直径钻孔灌注桩静载试桩设计与实践J.公路，2016，61（4）：131-136.6 柳忠胜.公路桥梁钻孔灌注桩施工技术要点分析J.河南建材，2012（4）：153，155.154