中掘法管桩承载特性现场试验研究

刘贵强，吕仁红，郑孝露，陈宗涵

（1.安徽省城建基础工程有限公司，安徽 合肥 230002；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

中掘法又可称为桩中钻孔法，是通过在管桩中心钻孔后，由扩大钻头采取边钻孔边注浆的方式掘进，在桩底形成扩大头，保证桩的承载力的方法。相较于现今常用的管桩施工方法，能有效地减少桩周土体垂直隆起和水平移动[1]。中掘法具有经济、低污染、高效、经济效益高等优点，并且能够解决管桩在较硬土体中的使用问题[1～3]。中掘法管桩的适合地层主要为软硬地层、碎石层、卵石层及岩层。不同的施工方法对施工地层的要求也有所不同。常用的两种工法为中掘扩大头加固法（NAKS工法）以及中掘、高压喷射、扩大头加固法（STJ工法）[3]。国内学者[1～5]对于中掘法管桩不同工况管桩的承载特性进行了较多研究，但对应大直径的高承载力管桩的承载特征研究较少，因此本文基于合安高速改扩建01标中派河特大桥工程中的现场两根大直径中掘法管桩，进行现场试验，研究中掘法管桩承载特性。

1 工程概括

本试验依托合安高速改扩建01标中派河特大桥工程，地点位于安徽省合肥市肥西县上派镇境内，桥位区地貌单元为江淮波状平原，微地貌为河漫滩，高程一般在6.00m～12.00m间，起止桩号：ZK1053+166.174～K1055+013.800，其地貌，根据试验场地勘查报告，试验区各层地基土分布如图1所示，地基土力学指标如表1所示。

岩土体材料基础参数 表1

图1 中掘法工程地质剖面图

桥位区局部发育有软土，属特殊性岩土。软土平均层厚3.48m，最大厚度5.90m，天然含水率平均35.6%，天然孔隙比平均值0.985，液性指数平均值1.32，压缩系数平均值 0.56MPa-1，其承载力基本容许值为70kPa，摩阻力标准值为20kPa，工程性质差，基础设计时应注意软土的影响。

2 试验方案

基础采用预应力管桩，桩型为PHC 800 AB 110，采用中掘法施工，桩身混凝土设计强度等级C80。基桩资料汇总表见表2。进行两根管桩的中掘法现场试验，桩长初步设计为32m。根据PHC管桩生产工艺，每根桩包括三节管桩，单节长度分别为10m、10m和12m。管桩直径为800mm。

为了研究中掘法施工管桩基础的承载特征，并进一步研究桩—土相互作用与管桩荷载传递规律等。两根试桩均需安装钢筋计。钢筋计和导线为特制产品，具有耐高温高压蒸养的能力，同时管桩离心生产过程对该钢筋计不产生影响。钢筋计的布置方式如图2所示。自顶部起，每间隔一段布置一组钢筋计，每个断面需对称布置4个钢筋计，每根桩共24个钢筋计。在中掘法沉桩完成后，先静置一段时间，再依据我国相应的规范进行单桩静载试验，单桩静载试验采用堆载法，逐级加载以确定单桩极限承载力大小。根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)采用慢速维持荷载法，按第5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，以后每隔30min测读一次。若每一小时内的桩沉降量不得超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算），即可施加下一级荷载。卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间不得少于3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。

图2 应力计安装示意图

3 试验结果分析

3.1 单桩静载试验分析

根据试验结果桩的沉降参数如表3所示，中掘法管桩在不同的荷载下回弹量相近，沉降量随荷载的增加而增大。ZJ1#桩的单桩竖向抗压静载试验结果如图3所示，Q-s曲线在各级荷载作用下未出现陡降，曲线属于缓变型，从slgt曲线看，各级荷载对应的沉降曲线较平坦，未见明显下弯，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)中单桩竖向抗压极限承载力的确定原则，其竖向抗压极限承载力检测值可取最大试验荷载4000kN，满足设计要求。

基桩设计参数 表2

图3 ZJ1中掘法管桩静载试验结果

ZJ2#桩的单桩竖向抗压静载试验结果如图4所示，当荷载逐级增加至4000kN的阶段与ZJ1#桩结果相近，当荷载增加至6000kN时，曲线仍变化缓慢，大直径中掘法管桩仍能满足强度要求。

图4 ZJ2中掘法管桩静载试验结果

3.2 技术优化设计

对于大直径中掘法管桩，在沉桩过程当中对地基土无挤密作用，并且钻孔直径大，与锤击沉桩法相比对地基无挤密作用，且钻孔直径大于管桩直径，周围原状土被挠动，从而必然导致桩身摩阻力下降，其次管桩内孔土体量小且呈松散状态，易因桩周强大土压和水压的影响使桩尖部分土涌入管内，致使桩尖下层土强度降低，从而导致桩尖端承力下降。因此需要提升管桩的桩身强度，可通过在管桩桩身表面刻槽如图5所示，可加强桩端的管桩桩身与水泥浆的连接，提高桩端的承载力，适宜设置于桩端500mm～640mm范围内。并且我们认为尚需进一步探索解决的几个主要问题。

图5 桩顶表面刻痕示意图

①从施工组织措施上，需具体落实培训专业队伍，并研究落实合理的清土运土工具。

②从施工技术措施上，需进一步研究需要送桩的场合，如何配备工具式管节解决施工桩顶标高问题。

③从保证桩基承载力的角度考虑，尚需进一步研究采用桩尖部分压浆加固和防止承压水地基的管涌等问题。

④在工效上进一步研究挖潜改进措施，以求取得较理想的经济效益。

4 结语

①大直径中掘法管桩沉降量小，单桩竖向承载力可达到4000kN以上，沉降平衡时间短，各级荷载作用下平衡时间均匀，沉降量和沉降量随荷载的增大而增加。

②中掘法成桩效果好，两组试验桩的单桩静载试验结果相近，均能满足设计要求。

③通过对桩身进行刻槽设计，增加桩身摩阻力，能有效提高桩端承载力。