人工挖孔樁技術(shù)在山地步道工程中的應(yīng)用研究

陳崇龍

（福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司）

樁基礎(chǔ)是一種具有悠久歷史且在現(xiàn)代社會(huì)中仍廣泛使用的基礎(chǔ)形式，其作用是承受上部結(jié)構(gòu)荷載，并將荷載傳遞給樁周及樁端持力層，從而保證建筑物或構(gòu)筑物滿足安全性和適用性[1-3]。其中，人工挖孔樁因其具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小，樁體承載力大、布樁容易，造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁及建筑等工程領(lǐng)域[4-6]。

為全面提高橋梁施工建設(shè)質(zhì)量水平，袁順才[7]以某高速公路橋梁項(xiàng)目為例，探討了人工挖孔樁技術(shù)應(yīng)用于高速公路橋梁建設(shè)中的技術(shù)要點(diǎn)，認(rèn)為護(hù)壁施工時(shí)應(yīng)秉持項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理，從而保證項(xiàng)目的支護(hù)效果。高亮[8]以某公路工程為實(shí)例，對(duì)人工挖孔樁技術(shù)施工過(guò)程中存在施工平臺(tái)過(guò)大、護(hù)壁變形開(kāi)裂、挖孔樁棄渣和棄方處理等問(wèn)題進(jìn)行分析，并根據(jù)工程實(shí)際情況提出了相應(yīng)的解決措施，從而保證了人工挖孔樁施工質(zhì)量。曾寶忠[9]對(duì)人工挖孔樁技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，認(rèn)為人工挖孔樁開(kāi)工前應(yīng)檢查井口圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)固，開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)做好護(hù)壁施工，且當(dāng)挖孔深度超過(guò)10m，應(yīng)在施工作業(yè)面布置通風(fēng)設(shè)施，以保證施工人員的人身安全。周福南[10]以廈門(mén)雙十中學(xué)（海滄附校）工程為例，分析了人工挖孔樁技術(shù)應(yīng)用于軟基土層中的要點(diǎn)和難點(diǎn)，認(rèn)為通過(guò)局部固結(jié)軟基土層的方法可以有效提高軟土地基的承載力，從而保證人工挖孔樁順利施工。

綜上所述，眾多業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)對(duì)人工挖孔樁技術(shù)在工程上的應(yīng)用展開(kāi)研究。沿著上述思路，針對(duì)山地步道工程項(xiàng)目要求施工過(guò)程中盡量不影響周?chē)h(huán)境及其所處位置交通不便等問(wèn)題，本文提出采用人工挖孔樁技術(shù)應(yīng)用于山地步道工程，并以福州市大腹山山地步道為例對(duì)其展開(kāi)研究，分析山地步道工程中人工挖孔樁的施工流程及其技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)完工后的工程樁抽樣檢測(cè)再進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析工程樁的樁身混凝土強(qiáng)度及完整性。

1 工程概況

大腹山山地步道（第1 標(biāo)段）位于福州市鼓樓區(qū)，路線起于五鳳山公園，途徑福大軟件學(xué)院、網(wǎng)訊科技和老虎坑水庫(kù)，止于軟件園公園，全長(zhǎng)2438m。上部主體結(jié)構(gòu)采用雙鋼梁，橋面寬度6000mm，橋面總厚度163mm，由100mm 厚的鋼筋混凝土墊層、50mm 厚的瀝青混凝土基層和13mm 厚的塑膠面層組成。下部結(jié)構(gòu)采用262 根人工挖孔灌注樁為基礎(chǔ)，樁基直徑1200mm，最小設(shè)計(jì)長(zhǎng)度8000mm，實(shí)際樁長(zhǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘地質(zhì)條件而定，樁基進(jìn)入持力層深度由土層性質(zhì)確定，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，樁基進(jìn)入持力層的深度分別為3600mm、2400mm和1000mm。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)已有地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆探，結(jié)合土工試驗(yàn)結(jié)果可知，大腹山山地步道工程地質(zhì)條件如下：①坡積粘性土：淺紅色，含少量中粗粒石英和高嶺土，局部夾雜30 mm～140mm 的碎石，揭示厚度為1.30m～13.90m。②全風(fēng)化花崗巖：肉紅、褐紅色，含中粒石英及長(zhǎng)石顆粒，揭示厚度為0.10m～5.90m。③砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：灰黃色，含粗粒石英、長(zhǎng)石顆粒及云母片，揭示厚度為1.10m～30.40m。④碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：灰黃色，含云母片、長(zhǎng)石及石英，揭示厚度為0.80m～20.70m。⑤中、微風(fēng)化花崗巖：以淺黃色為主，含石英、長(zhǎng)石、角閃石顆粒及云母片，揭示厚度為1.13m～9.50m。

3 施工流程及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工流程

大腹山山地步道人工挖孔樁的施工流程如下所示：

測(cè)量放樣→開(kāi)挖第一節(jié)樁孔土方→支護(hù)壁模板澆護(hù)壁混凝土→待混凝土強(qiáng)度達(dá)1.5MPa 后拆?！_(kāi)挖第二節(jié)樁孔土方→以此類(lèi)推至設(shè)計(jì)巖層→進(jìn)行樁底大頭施工→清孔終孔檢查→吊放鋼筋籠、安裝預(yù)埋鋼板→澆筑樁身混凝土→樁基檢測(cè)。

3.2 技術(shù)要點(diǎn)

⑴測(cè)量放線：檢查復(fù)核控制樁點(diǎn)基線尺寸是否符合點(diǎn)位，用GPS 及鋼尺測(cè)出各軸線和樁位，并在樁心定位上作出標(biāo)記。

⑵土方開(kāi)挖：開(kāi)挖時(shí)先中間后周邊，每一節(jié)樁孔土方開(kāi)挖深度為1000mm，開(kāi)挖完成后均應(yīng)檢查中心點(diǎn)及幾何尺寸是否符合要求，擴(kuò)底部分先挖樁身圓樁體，再挖擴(kuò)底尺寸。

⑶護(hù)壁施工：在每一節(jié)樁孔土方開(kāi)挖完成后，均采用150mm后的C30混凝土作為護(hù)壁，“八字”形布置，并進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)以保證護(hù)壁混凝土強(qiáng)度。護(hù)壁遵循“多循環(huán)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”的原則。

⑷樁基混凝土澆筑：挖孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，清除孔底沉渣，并下放鋼筋籠，澆筑樁基混凝土。樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，坍落度控制在30mm～50mm。施工時(shí)，樁基混凝土由串桶導(dǎo)管導(dǎo)入井底，每層澆筑高度不得超過(guò)1.0m，并分層搗實(shí)直至樁頂。

4 人工挖孔樁質(zhì)量檢測(cè)

鉆芯法是一種局部破損檢測(cè)方法，在人工挖孔樁質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，其原理是通過(guò)對(duì)鉆芯芯樣混凝土的膠結(jié)情況、有無(wú)蜂窩麻面及強(qiáng)度等綜合判定樁身的混凝土強(qiáng)度及完整性是否滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本節(jié)采用鉆芯法對(duì)本工程的人工挖孔樁進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，根據(jù)JRG/T 3512-2020《公路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[11]，選用鉆芯法對(duì)工程樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，抽檢數(shù)量不應(yīng)低于總樁數(shù)的10%且不少于10 根，故本次隨機(jī)選取30根工程樁（A1～A30），每根樁取3 個(gè)芯樣，進(jìn)行樁身混凝土強(qiáng)度及完整性檢測(cè)。

人工挖孔樁承載力多采用靜力堆載的方法測(cè)量，考慮該山地步道工程中共有262 根工程樁，且樁的長(zhǎng)度長(zhǎng)短不一，并結(jié)合項(xiàng)目工期要求，最終選取5 根（A3、A7、A17、A21 和A26）不同長(zhǎng)度的工程樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。同時(shí)，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)所選取的5根工程樁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證數(shù)值方法的可靠性，并在此基礎(chǔ)上分析其余工程樁的承載力。數(shù)值模擬分析時(shí)，采用C3D8R 網(wǎng)格單元，并在模型周?chē)馏w及其端部施加X(jué)、Y、Z 方向上的約束，在模型頂部分級(jí)加載，每級(jí)荷載為工程樁設(shè)計(jì)承載力的1/10，超過(guò)工程樁設(shè)計(jì)承載力后，采用位移控制加載，當(dāng)樁身最大位移量為10mm 時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載[12]。

4.1 樁身混凝土強(qiáng)度

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，樁身混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度由式⑴確定。

式中：fcu為樁身混凝土抗壓強(qiáng)度（精確到0.1），MPa；P為試件測(cè)得的破壞荷載（精確到0.01），kN；d為試件的平均直徑，mm。

鉆芯法樁身混凝土強(qiáng)度抽檢結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，各工程樁的混凝土強(qiáng)度平均值均超過(guò)30.0MPa，其中A3 工程樁的混凝土強(qiáng)度平均值最大（38.6MPa），A1 和A21 工程樁的混凝土強(qiáng)度平均值最?。?1.1MPa），表明工程樁混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。此外，從表1 可以看出，A6、A13、A21 和A26 工程樁中各有1個(gè)芯樣試件的混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值小于30.0MPa，但總體而言，A6、A13、A21和A26工程樁的樁身混凝土強(qiáng)度平均值均達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求。

表1 樁身混凝土強(qiáng)度抽檢結(jié)果

4.2 樁身完整性

鉆芯取樣的同時(shí)，對(duì)樁身混凝土的完整性及樁底沉渣情況進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，所選取的工程樁中除了A26 工程樁的1 個(gè)芯樣）側(cè)面存有少量蜂窩麻面外（其對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為28.0MPa，其余各工程樁的芯樣均成長(zhǎng)柱狀，且切口吻合良好，試件側(cè)面僅有少量氣孔，混凝土膠結(jié)狀態(tài)良好。根據(jù)表2 鉆芯法樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)可知[11]，除了A26為Ⅱ類(lèi)樁外，其余各工程樁均為Ⅰ類(lèi)樁。

表2 鉆芯法樁身完整性判定標(biāo)準(zhǔn)

4.3 樁身承載力

靜載試驗(yàn)測(cè)得的工程樁樁身承載力如表3 所示。從表3 可知，所選取的工程樁極限承載力與其設(shè)計(jì)承載力的比值處于1.09～1.20 之間，表明工程樁的承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步分析表中數(shù)據(jù)可知，工程樁極限承載力與樁長(zhǎng)呈正相關(guān)，即樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，工程樁的極限承載力越大，產(chǎn)生上述現(xiàn)象可能與樁側(cè)阻力有關(guān)，當(dāng)樁的長(zhǎng)度增加時(shí)，樁側(cè)與地基土接觸的面積增加，其摩阻力也隨之增大，最終表現(xiàn)為工程樁的極限承載力增大。

表3 樁身承載力

ABAQUS 有限元軟件對(duì)所選5 根工程樁的數(shù)值分析結(jié)果如表4 所示。分析表4 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到設(shè)計(jì)承載力時(shí)，A3、A7、A17、A21 和A26 的位移量分別為8.558mm、9.601mm、9.442mm、9.033mm 和8.991mm，與表3靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)的位移量對(duì)比可知，ABAQUS 數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值的最大誤差僅為2.4%。此外，當(dāng)模型的樁身位移為10mm 時(shí)，A3、A7、A17、A21 和A26 所對(duì)應(yīng)的極限承載力分別為1226.83kN、1034.33kN、1227.02kN 1160.29kN 和1300.41kN，其與是實(shí)測(cè)值的最大誤差僅為6.0%，表明所選用的有限元分析方法能夠真實(shí)反應(yīng)所選5 根工程樁的實(shí)際情況。最后，采用該有限元方法對(duì)其余工程樁進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，各工程樁的豎向承載力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。、

表4 數(shù)值分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文以福州市大腹山山地步道工程項(xiàng)目為背景，探討了人工挖孔樁的施工流程及其技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)項(xiàng)目的工程樁進(jìn)行抽樣檢測(cè)，所得主要結(jié)論如下：

⑴土方開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)遵循“先中間、后周邊”的原則，并及時(shí)檢查中心點(diǎn)及幾何尺寸是否滿足設(shè)計(jì)需求。

⑵人工挖孔樁施工中，應(yīng)及時(shí)做好護(hù)壁施工。護(hù)壁施工時(shí)，遵循“多循環(huán)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”的原則。

⑶鉆芯法檢測(cè)結(jié)果表明，所選取的30 根工程樁樁身混凝土抗壓強(qiáng)度均大于30MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

⑷鉆芯法檢測(cè)結(jié)果表明，除了A26 工程樁的芯樣側(cè)面存有少量蜂窩麻面外，其余各工程樁芯樣均成長(zhǎng)柱狀，且根據(jù)鉆芯法樁身完整性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可知，除了A26為Ⅱ類(lèi)樁外，其余各工程樁均為Ⅰ類(lèi)樁。

⑸ABAQUS 有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好，其樁身位移量的最大誤差為2.4%，極限承載力的最大誤差為6.0%。