軟土地基中鉆孔灌注樁的成孔性狀及對樁承載能力的影響

涂傳尚（上海市地礦建設有限責任公司，上海 200072）

鉆孔灌注樁基礎因施工工藝成熟、承載能力高等優點而成為高層建筑中的常用基礎形式。

在工程實踐中，往往需對樁基礎進行承載能力評價。然而，在鉆孔灌注樁的靜載試驗資料分析中，發現有同一場地中相同構造形式的單樁承載能力相差 20%～30% 的現象[1]。其中可能除了樁的強度、樁身質量和孔底沉渣等因素外，鉆孔灌注樁成孔性狀指標如成孔曲線、孔徑、垂直度、沉渣厚度等的不同將是樁承載力產生差異的原因。

劉鐵軍等[2]在軟土地基上采用變徑凹凸形灌注樁成孔工藝進行的鉆孔灌注樁施工，探討了樁擴孔對承載力樁的影響。研究結果表明：當于樁的中下部設置變徑擴孔，變徑擴徑所增加的樁混凝土量只比圓形樁增加大約 6%，但樁的承載力卻增加了 25% 左右。舒翔等[3]認為樁孔性狀、泥皮厚度、沉渣厚度、樁孔暴露時間等許多樁孔特征因素都會對樁的承載性狀及承載力產生一定的影響，在實際施工時，根據場地的具體情況，選擇合適的施工機具和施工工藝，保證孔壁一定的凹凸和起伏，避免孔壁過于平直，以增大樁側阻力。

總體而言，針對軟土地基中摩擦樁承載能力與成孔性狀關系的相關文獻較少，故而非常有必要開展相關研究工作。

本文以上海某工程項目鉆孔灌注樁的成孔質量檢測數據和靜載試驗數據為依據，分析軟土場地中摩擦樁的承載能力與樁成孔性狀的關系，以供樁基礎的施工和承載能力評價參考。

1 工程及施工概況

1.1 工程概況

上海某工程項目由 1 棟 24 F 的高層辦公樓、4 棟 4～5 F 多層建筑組成，其下部結構分別為直徑Φ550 mm、樁長 71.5 m和Φ550 mm、樁長 38～40 m 不等的鉆孔灌注樁。根據巖土工程勘察報告，場地地基土主要由填土、粉性土、淤泥質土、黏性土、粉砂等組成。本工程涉及到的不良地質條件及特殊性巖土有雜填土、障礙物、軟土和液化。其中：雜填土土質不均，結構性差，強度變化大；②3-2 層砂質粉土和 ②3-1 層砂質粉土這兩層土在水力作用下易產生流砂、管涌、坍塌等不利巖土現象，淺部 ④ 層淤泥質土土質軟弱，具有流變觸變特性，可能引起坑壁坑底失穩。具體土層分布情況以及地層特性根據此工程的《巖土勘察報告》如表 1 所示。

表1 地層特性表

1.2 鉆孔灌注樁成樁概況

鉆孔灌注樁采用正循環回轉鉆工藝施工，土層的狀態越接近可塑，密實度越大，壓縮性越高，在成孔后，孔徑的變化范圍就越穩定。成孔曲線如圖 1 所示，若干根試樁的成孔質量檢測結果如表 2 所示。

圖1 成孔曲線

表 2 成孔質量檢測結果表

2 基樁靜載荷試驗

本工程基樁靜載荷試驗采用錨樁橫梁反力法，如圖 2 所示。荷載裝置由 1 根主梁、2 根次梁、4 根錨樁、6 臺油壓千斤頂組成，反力由 4 根錨樁提供，試驗荷載由電動液壓油泵通過 6 臺油壓千斤頂施加于試樁樁頂。單樁豎向抗壓靜載試驗數據如表 3 所示。

圖2 豎向抗壓靜載試驗示意圖

表 3 單樁豎向抗壓靜載試驗數據

3 鉆孔樁的成樁狀況評價和對承載能力的影響

對于鉆孔摩擦樁主要依靠樁壁與土之間的摩阻提供樁的承載能力，樁的擴孔率、垂直度、樁底沉渣厚度等成孔質量將對承載能力起到影響。以下就本項目鉆孔樁的擴孔效應、孔壁粗糙度、垂直度和擴孔分布狀況等參數做一系統分析，并結合上述參數分析其對鉆孔樁承載能力的影響。

3.1 擴孔狀況

以 1 號樓和 2 號樓的鉆孔樁為例，分析在各土層中的平均成樁樁徑和擴孔率。由表 4 可知，對應地質報告中所提及的不良地質土層的 ②3-2 層砂質粉土和 ②3-1 層砂質粉土、淺部 ④ 層淤泥質土，擴孔率都較大。⑤1-2 粉質黏土和 ⑥粉質黏土土層中的成樁直徑也較大。另外，因接近地表的土層中土對樁機鉆頭的約束作用相對較小，故而易形成擴孔效應。隨著鉆孔加深，孔徑變化的波動性減小。

表4 各層土中的平均樁徑和擴孔率

3.2 粗糙度

Ls—沿鉆孔深度剖面曲線的總長度。

其中，Δr/rs是孔壁凹凸度的相對量，表示孔壁沿徑向的變化情況；Lt/Ls表示孔壁沿深度方向總形狀的變化。依據各個樁的成孔曲線計算的孔壁粗糙度如表 5 所示。

表5 成孔參數

3.3 影響樁承載能力的參數分析

以 1 號樓各試樁為例，分析比較鉆孔樁相關成孔參數對樁承載能力的影響。

從試樁的靜載試驗看，80 號樁和 138 號樁的加載曲線相當。從成孔曲線看，擴孔的形式也是相差不大，上部擴孔率為 10%，中部擴孔率為 6% 和 8%，粗糙度相差不大，樁側表面積也相當，表明摩擦效應相當。再則，80 號樁較138 樁的粗糙度為大、孔底沉渣和垂直度較小，故其最大沉降量略小，為 25.64 mm，殘余沉降量為 15.64 mm。

比較 33 號樁和 105 號樁，粗糙度分別為 0.021 7、0.040 9，垂直度分別為0.72、0.44，樁側表面積分別為188.5 cm2、190.5 cm2，孔底沉渣分別為 10 cm、9.6 cm，但在最大荷載12 000 kN作用下，前者的最大沉降量22.43 mm，后者沉降 30.04 mm。從這粗糙度、垂直度和孔底沉渣等看，更粗糙、更傾斜、孔底沉渣厚度小的樁反而沉降量更大，現象似乎與數據統計規律不同，細致分析原因或與成樁形狀相關。比較兩者成孔曲線可以看到，33 號樁頂端的 ② 3-2 層砂質粉土、② 3-1 層砂質粉土和淺部 ④ 層淤泥質土層中的擴孔程度相對較小，平均擴孔率 11%，而在中部 ⑤ 1-1 和⑦ 1 砂質粉土層存在 2 個擴孔區，平均擴孔率達到 11% 和 8%，結合上下的成孔形狀而言，中部的擴孔構成了類似擴盤樁效應而提高了樁的承載能力。雖然 105 號樁的樁頂端擴孔程度大于 33 號樁，平均擴孔率達到 14%，但中部土層中沒有明顯的樁徑擴大區域，整體的上大下小的成孔形狀雖能加大樁的粗糙度但不利于提高樁承載能力。從這一點也說明，鉆孔樁的擴孔區域分布狀況對樁的承載能力有較大影響。樁頂部擴孔程度越大則加載曲線的斜率也越大。

再則，分析二號樓的各試樁參數情況。

比較 9 號樁、21 號樁和 59 號樁，粗糙度分別為0.038、0.029、0.018，垂直度分別為 0.49、0.36、0.44，孔底沉渣厚度分別為 7.5 cm、8.6 cm、7.5 cm，全樁平均擴孔率 7%、7%、5%，樁頂部平均擴孔率 9%、11%、6%，樁側表面積分別為 70.86、70.38、69.11，對應的同等級荷載作用下樁的最大沉降量分別為 8.40 mm、10.00 mm、11.16 mm，樁的最終殘余沉降量 5.09 mm、6.03 mm、6.37 mm。結合加載曲線，由此可以得出的結論是：樁沉降量與粗糙度的負相關，粗糙度越大，樁的沉降量越小，故樁的承載能力越大；樁垂直度和孔底沉渣厚度對樁承載能力影響的規律不明顯；樁頂部擴孔程度對加載初期的曲線斜率有影響，樁頂部擴孔程度越大則加載初期的曲線斜率也越大；擴孔后引起樁側表面積的變化將影響樁的承載能力。

4 結 語

對鉆孔樁應嚴格控制鉆進施工，因為成孔狀況將影響到樁的承載能力。通過上述關于鉆孔灌注樁成孔狀況與樁承載能力的影響分析比較，得出如下結論。

（1）在易產生流砂、管涌、坍塌等具有不良地質條件的土層中進行鉆孔灌注樁施工時，要注意泥漿護壁且控制進尺，確保樁徑滿足設計要求且降低工程成本。對本項目的鉆孔灌注樁成孔狀況，在接近地表的土層中，土對樁機鉆頭的約束作用相對較小，故而易形成擴孔效應。隨著鉆孔加深，孔徑變化的波動性減小。

（2）對類似上海軟土地基中的鉆孔灌注樁，孔壁粗糙度對鉆孔灌注樁的承載能力有一定影響。一般而言，孔壁粗糙度越大，則對應荷載下的沉降越小。樁垂直度和孔底沉渣厚度對樁承載能力影響的規律和程度不明顯。

（3）對摩擦樁，鉆孔灌注樁的成孔狀況是影響其承載能力的最大因素。樁頂部擴孔程度大小將影響加載曲線的斜率。樁中部的擴孔可能構成類似擴盤樁效應而提高樁的承載能力。擴孔后樁側表面積的變化將改變摩擦樁的承載能力。