超长大直径嵌岩钻孔灌注桩施工技术研究

王俊霞/ WANG Jun-xia

(中国建筑第二工程局有限公司 华东分公司，上海 200135）

1 引言

超长大直径钻孔灌注桩作为桥梁的承载的重要环节，也是保证桥梁结构安全的重要工序，但由于使用中承载载荷较大，容易出现桩体位移，影响安全，在施工中需要避免该问题的发生[1～3]。我国虽然对超长大直径嵌岩钻孔灌注桩的应用较为广泛，但理论研究仍存在问题，尤其是对桩侧土荷载的相关计算理论不足，不能反映出桩顶沉降和桩体的相关位移的影响关系，技术存在一定的问题[4～6]。而在国外研究中，早期利用弹性理论法，运用泰勒理论，模拟桩周土体，并使用Mindlin 方程进行求解，获得在半无限空间中桩体的任一点的应力和位移变化形式，但该方法得出的结果需要进行转换，存在较高的误差率，准确率较低[7～10]。后来的国外学者常常采用双向静荷载的试验方法来确定相关系数，但需要较长的研究周期，时间效率较低，仍然缺乏相关的计算理论支持。

2 超长大直径嵌岩钻孔灌注桩施工技术

2.1 超长大直径桩轴向作用传递函数模型

对超长桩体来说，在不同强度下的土层中桩侧的极限摩阻力不同，因此在进行施工前需要对桩体的轴向作用下的载荷进行分析[11～13]。如图1所示，对桩身的任意深度中选取柱段进行分析。

图1 桩土体系载荷传递

根据图1，依照平衡条件得出

式中t(z)——桩体的深度为z时的桩侧摩阻力；

U——桩身周长；

Q(z)——桩体深度为z时的桩身轴力，同时考虑到桩顶的载荷QO，那么深度为z时的桩身轴力为

则桩微分端上产生的弹性变形dS(z)则为

式中A——桩身截面积；

E——桩身弹性模量。

将式(3)带入式(1)中，可以得出

由此来得出桩体在荷载传递下的微分方程，而获得方程缺失对桩体的桩身的轴力计算，因此在微分方程的基础上添加公式。对桩身的轴力计算则可以通过下面公式得出

式中Qi——基桩在不同截面处的轴力，kN；

ei——桩体基面的应变值，可以通过钢筋计传感器的测试值得出；

Ei——桩体截面处的桩身材料弹性模量，MPa；

Ai——桩身截面处的截面积，m2。

由此获得桩土系载荷传递的模型，考虑到桩身侧土在传递时承受的载荷较大，因此对桩侧土需要额外的计算。

2.2 桩侧土荷载传递计算

本文利用双曲线函数来拟合桩侧土的荷载传递，其传递函数为

式中t——桩段在单位面积中的桩侧摩阻力，kPa；

S——桩身和桩侧土间的相对位移，mm；

a、b——待定常数。

当相对位移S值处于无限大的情况下，桩的侧摩阻力则更接近常数，即

在b的物理意义中，描述桩侧极限摩阻力的常数为0 时，得出

在趋近原点做出的函数曲线斜率为

式中—函数曲线的斜率；

tm——桩侧的极限摩阻力。

由函数曲线来表示桩侧土的荷载传递，得出桩侧土的荷载传递。

2.3 快速成孔技术

桩基的桩孔施工场地往往较为狭小，同时桩孔嵌岩较小，施工效率要求较高[14～15]，本文选择了旋挖钻机施工工艺进行成孔施工，在本文的钻孔施工中，选择ZJD3000/210 型和KP3500/210型液压回旋钻机，配置数量可根据实际工程情况进行选择，上述中的两款钻机主要性能参数如表1 所示。

表1 钻机主要性能参数

根据地质情况，在本文的施工技术中，配置刮刀钻头和滚刀钻头，用于对覆盖层和岩层进行钻进，同时配备一定的菠萝头钻头，用于对地质中的基岩进行钻进。泥浆净化器选择ZX-200 型泥浆净化器。在钻孔时的制浆上，选用黏度较低且失水量较少的膨润土。同时添加分散剂和增黏剂，分别采用纯碱和PAC 来作为分散剂和增黏剂。比例的选择则根据该地区的地质，以及上文中确定的桩体载荷，来确定泥浆需要的黏度。以桩基作为变径桩，同时根据不同的地层选择不用的钻进参数，如表2 所示。

许沁将手中的笔按了一下，办公室里响起了声音，正是方才许沁和小虫的对话。许沁刚才故意问仔细，诱导小虫把葛局长的意图全说了出来。许沁放完录音，大笑，说太好了，我正愁证据不足呢，你帮我完成了心愿，谢谢。

表2 不同地层下的钻进参数

根据表2 给出的相关钻进参数，进行嵌岩钻孔。

2.4 导管法灌注桩

在完成钻孔工艺后，考虑到导管法的施工更加便捷，本文选择采用导管法进行施工。在施工时进行灌浆时需要考虑到孔底沉渣厚度，导管到孔底的距离，以及导管的埋置深度和泥浆比重等因素，在第一次灌注时需要遵循准确的灌注量，在灌注时第一次灌注的混凝土量计算公式为

式中V——第一次灌注混凝土需要的数量，m3；

D——桩孔直径，m；

H1——桩孔底至导管地段的间距，m；

H2——导管初次的埋置深度，m；

d——导管内径，m。

表3 不同工况下的灌注桩支护的特点

在灌注混凝土的过程中，需要保证连续施工且在1.5h 内完成浇注，在气温较高的情况下则需要保证在1h 内完成浇筑。至此完成钻孔灌注桩施工。

3 实例论证分析

为了验证本文设计的钻孔灌注施工技术的可行性，以某地的超大长直径嵌岩钻孔灌注桩的施工工程为例，分析实际的施工使用情况。

3.1 地质概况

在施工时，需要对地下的土体地质性能进行了解，在施工中，采样获得施工地区的土体参数如表4 所示。

表4 土地参数数据

3.2 工程桩体支护选择

在该工程中，由于工程使用的场地面积较小，同时该工程中对桩体的变形要求较低，因此选用了钢板桩支护技术来进行支护。在施工前检查振动锤，保证连接的线路正常，电压保持在390～415V。为了减少钢板桩锁口的摩擦，在锁口位置涂刷油膏。在进行支护时，选用基坑支护的钢板桩作为支护桩体，在使用前进行相关检验和矫正。在施工中，为了保证支护桩体的平整度和垂直度，工程中在支护桩外围设置了打桩支架，如图2 所示。

图2 钢板桩导架

利用振动锤，锤打钢板桩，在桩锤和钢板桩间设置桩帽，保证冲击可以均匀分布，避免桩顶受到损坏。采用起重机将钢板桩吊运到导架附近进行插桩，插入后套上桩帽进行锤击。本工程中对钢板桩施工质量控制如表5 所示。

表5 钢板桩质量控制标准

在本次工程中，钢板桩满足表5 标准，完成桩体支护工作。

3.3 钻孔灌注施工过程

本工程中桩体为变径桩体，内径直径为2.5m，在钢板支护以下部分的桩体直径为2.1m。在进行成孔施工时，首先在钢护筒内进行钻进，在护筒的防护下，在地层中采用高转数的清水破壁法进行钻进施工，在钻进中，每进尺3m，钻头则需要进行几次扫空，确保成桩直径，在护筒内钻进完成后，进行护筒内造浆。在护筒中泥浆满足要求后，继续进行钻进，并使其形成稳定孔壁，每小时的进尺保持在0.7～1.2m。在钻头离开护筒底部7m 后钻进速度提升到2m/h。在后续的钻进中，由于钻进至基岩岩面，将钻头更换为直径2m 的滚刀钻头，并增加配重20t，钻进速度控制在0.5～1.4m/天中，并完成钻孔。钻孔完成后进行混凝土灌注，首批灌注混凝土不小于9.8m3，后续灌注完成施工。

3.4 施工质量

根据施工完成后该灌注桩的侧阻力和桩土的相对位移关系，桩体的桩身轴力情况对该灌注桩的施工质量进行判断。该桩体侧阻力和桩土的相对位移关系如图3 所示。

图3 桩体不同深度下侧阻力和相对位移关系

由图3 可以看出，使用本文设计的施工技术进行施工的桩体，在不同深度以及不同侧摩阻力的影响下，相对位移可以保持在较低的水平，同时不同条件下对相对位移的影响较小。而该桩体的在受到不同承载力下，桩顶的沉降如图4所示。

图4 不同深度单元桩的桩顶沉降

在图4 中发现，本文桩体在不同深度和承载力矩下，桩顶沉降均未超过60mm，证明桩体具有良好的承载性能。通过图3 和图4 中的结果，证明本文设计的超大直径嵌岩钻孔灌注桩施工技术具有良好的可行性。

4 结语

通过对桩体侧土的荷载力矩进行运算，获得桩体侧土的传递荷载关系式，并根据公式对施工中的相关参数进行调整，运用该方法进行施工的桩体，在侧阻力影响下的相对位移较低。在未来研究中，可以在此基础上，添加桩体的有限元分析，获得更准确的桩体受力图，并对施工参数进行再次修改，提高桩体的可靠性。