超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術研究

王俊霞/ WANG Jun-xia

(中國建筑第二工程局有限公司 華東分公司，上海 200135）

1 引言

超長大直徑鉆孔灌注樁作為橋梁的承載的重要環節，也是保證橋梁結構安全的重要工序，但由于使用中承載載荷較大，容易出現樁體位移，影響安全，在施工中需要避免該問題的發生[1～3]。我國雖然對超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁的應用較為廣泛，但理論研究仍存在問題，尤其是對樁側土荷載的相關計算理論不足，不能反映出樁頂沉降和樁體的相關位移的影響關系，技術存在一定的問題[4～6]。而在國外研究中，早期利用彈性理論法，運用泰勒理論，模擬樁周土體，并使用Mindlin 方程進行求解，獲得在半無限空間中樁體的任一點的應力和位移變化形式，但該方法得出的結果需要進行轉換，存在較高的誤差率，準確率較低[7～10]。后來的國外學者常常采用雙向靜荷載的試驗方法來確定相關系數，但需要較長的研究周期，時間效率較低，仍然缺乏相關的計算理論支持。

2 超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術

2.1 超長大直徑樁軸向作用傳遞函數模型

對超長樁體來說，在不同強度下的土層中樁側的極限摩阻力不同，因此在進行施工前需要對樁體的軸向作用下的載荷進行分析[11～13]。如圖1所示，對樁身的任意深度中選取柱段進行分析。

圖1 樁土體系載荷傳遞

根據圖1，依照平衡條件得出

式中t(z)——樁體的深度為z時的樁側摩阻力；

U——樁身周長；

Q(z)——樁體深度為z時的樁身軸力，同時考慮到樁頂的載荷QO，那么深度為z時的樁身軸力為

則樁微分端上產生的彈性變形dS(z)則為

式中A——樁身截面積；

E——樁身彈性模量。

將式(3)帶入式(1)中，可以得出

由此來得出樁體在荷載傳遞下的微分方程，而獲得方程缺失對樁體的樁身的軸力計算，因此在微分方程的基礎上添加公式。對樁身的軸力計算則可以通過下面公式得出

式中Qi——基樁在不同截面處的軸力，kN；

ei——樁體基面的應變值，可以通過鋼筋計傳感器的測試值得出；

Ei——樁體截面處的樁身材料彈性模量，MPa；

Ai——樁身截面處的截面積，m2。

由此獲得樁土系載荷傳遞的模型，考慮到樁身側土在傳遞時承受的載荷較大，因此對樁側土需要額外的計算。

2.2 樁側土荷載傳遞計算

本文利用雙曲線函數來擬合樁側土的荷載傳遞，其傳遞函數為

式中t——樁段在單位面積中的樁側摩阻力，kPa；

S——樁身和樁側土間的相對位移，mm；

a、b——待定常數。

當相對位移S值處于無限大的情況下，樁的側摩阻力則更接近常數，即

在b的物理意義中，描述樁側極限摩阻力的常數為0 時，得出

在趨近原點做出的函數曲線斜率為

式中—函數曲線的斜率；

tm——樁側的極限摩阻力。

由函數曲線來表示樁側土的荷載傳遞，得出樁側土的荷載傳遞。

2.3 快速成孔技術

樁基的樁孔施工場地往往較為狹小，同時樁孔嵌巖較小，施工效率要求較高[14～15]，本文選擇了旋挖鉆機施工工藝進行成孔施工，在本文的鉆孔施工中，選擇ZJD3000/210 型和KP3500/210型液壓回旋鉆機，配置數量可根據實際工程情況進行選擇，上述中的兩款鉆機主要性能參數如表1 所示。

表1 鉆機主要性能參數

根據地質情況，在本文的施工技術中，配置刮刀鉆頭和滾刀鉆頭，用于對覆蓋層和巖層進行鉆進，同時配備一定的菠蘿頭鉆頭，用于對地質中的基巖進行鉆進。泥漿凈化器選擇ZX-200 型泥漿凈化器。在鉆孔時的制漿上，選用黏度較低且失水量較少的膨潤土。同時添加分散劑和增黏劑，分別采用純堿和PAC 來作為分散劑和增黏劑。比例的選擇則根據該地區的地質，以及上文中確定的樁體載荷，來確定泥漿需要的黏度。以樁基作為變徑樁，同時根據不同的地層選擇不用的鉆進參數，如表2 所示。

許沁將手中的筆按了一下，辦公室里響起了聲音，正是方才許沁和小蟲的對話。許沁剛才故意問仔細，誘導小蟲把葛局長的意圖全說了出來。許沁放完錄音，大笑，說太好了，我正愁證據不足呢，你幫我完成了心愿，謝謝。

表2 不同地層下的鉆進參數

根據表2 給出的相關鉆進參數，進行嵌巖鉆孔。

2.4 導管法灌注樁

在完成鉆孔工藝后，考慮到導管法的施工更加便捷，本文選擇采用導管法進行施工。在施工時進行灌漿時需要考慮到孔底沉渣厚度，導管到孔底的距離，以及導管的埋置深度和泥漿比重等因素，在第一次灌注時需要遵循準確的灌注量，在灌注時第一次灌注的混凝土量計算公式為

式中V——第一次灌注混凝土需要的數量，m3；

D——樁孔直徑，m；

H1——樁孔底至導管地段的間距，m；

H2——導管初次的埋置深度，m；

d——導管內徑，m。

表3 不同工況下的灌注樁支護的特點

在灌注混凝土的過程中，需要保證連續施工且在1.5h 內完成澆注，在氣溫較高的情況下則需要保證在1h 內完成澆筑。至此完成鉆孔灌注樁施工。

3 實例論證分析

為了驗證本文設計的鉆孔灌注施工技術的可行性，以某地的超大長直徑嵌巖鉆孔灌注樁的施工工程為例，分析實際的施工使用情況。

3.1 地質概況

在施工時，需要對地下的土體地質性能進行了解，在施工中，采樣獲得施工地區的土體參數如表4 所示。

表4 土地參數數據

3.2 工程樁體支護選擇

在該工程中，由于工程使用的場地面積較小，同時該工程中對樁體的變形要求較低，因此選用了鋼板樁支護技術來進行支護。在施工前檢查振動錘，保證連接的線路正常，電壓保持在390～415V。為了減少鋼板樁鎖口的摩擦，在鎖口位置涂刷油膏。在進行支護時，選用基坑支護的鋼板樁作為支護樁體，在使用前進行相關檢驗和矯正。在施工中，為了保證支護樁體的平整度和垂直度，工程中在支護樁外圍設置了打樁支架，如圖2 所示。

圖2 鋼板樁導架

利用振動錘，錘打鋼板樁，在樁錘和鋼板樁間設置樁帽，保證沖擊可以均勻分布，避免樁頂受到損壞。采用起重機將鋼板樁吊運到導架附近進行插樁，插入后套上樁帽進行錘擊。本工程中對鋼板樁施工質量控制如表5 所示。

表5 鋼板樁質量控制標準

在本次工程中，鋼板樁滿足表5 標準，完成樁體支護工作。

3.3 鉆孔灌注施工過程

本工程中樁體為變徑樁體，內徑直徑為2.5m，在鋼板支護以下部分的樁體直徑為2.1m。在進行成孔施工時，首先在鋼護筒內進行鉆進，在護筒的防護下，在地層中采用高轉數的清水破壁法進行鉆進施工，在鉆進中，每進尺3m，鉆頭則需要進行幾次掃空，確保成樁直徑，在護筒內鉆進完成后，進行護筒內造漿。在護筒中泥漿滿足要求后，繼續進行鉆進，并使其形成穩定孔壁，每小時的進尺保持在0.7～1.2m。在鉆頭離開護筒底部7m 后鉆進速度提升到2m/h。在后續的鉆進中，由于鉆進至基巖巖面，將鉆頭更換為直徑2m 的滾刀鉆頭，并增加配重20t，鉆進速度控制在0.5～1.4m/天中，并完成鉆孔。鉆孔完成后進行混凝土灌注，首批灌注混凝土不小于9.8m3，后續灌注完成施工。

3.4 施工質量

根據施工完成后該灌注樁的側阻力和樁土的相對位移關系，樁體的樁身軸力情況對該灌注樁的施工質量進行判斷。該樁體側阻力和樁土的相對位移關系如圖3 所示。

圖3 樁體不同深度下側阻力和相對位移關系

由圖3 可以看出，使用本文設計的施工技術進行施工的樁體，在不同深度以及不同側摩阻力的影響下，相對位移可以保持在較低的水平，同時不同條件下對相對位移的影響較小。而該樁體的在受到不同承載力下，樁頂的沉降如圖4所示。

圖4 不同深度單元樁的樁頂沉降

在圖4 中發現，本文樁體在不同深度和承載力矩下，樁頂沉降均未超過60mm，證明樁體具有良好的承載性能。通過圖3 和圖4 中的結果，證明本文設計的超大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術具有良好的可行性。

4 結語

通過對樁體側土的荷載力矩進行運算，獲得樁體側土的傳遞荷載關系式，并根據公式對施工中的相關參數進行調整，運用該方法進行施工的樁體，在側阻力影響下的相對位移較低。在未來研究中，可以在此基礎上，添加樁體的有限元分析，獲得更準確的樁體受力圖，并對施工參數進行再次修改，提高樁體的可靠性。