沖孔灌注樁單樁承載性能及施工要點研究

張義偉

沖孔灌注樁是工程中常見的一種樁基形式。本文依托實際工程案例，建立了復雜地質條件下的樁-土有限元數值模型，分析了不同巖面傾角工況下樁基沉降和極限承載力的差異，并對復雜地質條件下沖孔灌注樁的施工要點進行了總結。結果表明：巖面傾角為45°和60°工況下，隨著荷載的逐步增加，不同樁長工況下樁體沉降呈現出指數增加的規律，出現了明顯的塑性變形，樁長越短越為明顯。巖面傾角為15°和30°時樁體沉降基本一致，而45°傾角工況沉降明顯增加，60°傾角工況下沉降達到了14.4mm，約為前兩種工況的兩倍。巖面傾角為45°和60°時，灌注樁發生了相對滑動，雖然單樁的極限承載力仍能滿足設計要求，但在設計與施工時應考慮到5m 超短樁不利受力的情況，及時采取有效措施，避免發生過大沉降。

樁基是工程中常見的地基處理方式，而在復雜地質條件下樁基的設計和施工往往存在一定的難度，為此，許多研究人員進行了一系列研究。

王麗歡等依托大型圍墾工程案例，通過靜載試驗方法研究了軟土地區預加固對樁基豎向承載力的影響。楊建偉分析了建筑工程樁基施工過程中的樁端后注漿技術的應用機理，并對其關鍵技術進行了闡述。李龍起等依托南玉高速鐵路跨黎湛特大橋項目，通過有限元手段研究了巖溶地區地基加固前后樁基承載特性的差異。張榮等通過室內模型試驗和現場試驗等手段對珊瑚礁地層中大直徑樁基的側摩阻力進行了分析。薛鵬等通過數值模擬方法，對比研究了樁基支承梁與彈性地基梁的承載性能和變形規律的差異，結果表明彈性地基梁的承載能力更為優異。馬驍等通過現場監測手段，對樁基施工誘發巖溶塌陷事故的機理模式進行了分析，并提出了一系列的針對性防控措施。

本文通過有限元方法，建立了復雜地質條件下的樁-土數值模型，研究了不同灌注樁長度和巖面傾角工況下樁基沉降和極限承載力的差異。最后，對復雜地質條件下沖孔灌注樁的施工要點進行了總結。

一、工程概況

本文依托隨州市·華悅城項目，該項目地下1 層，地上20 層，為剪力墻結構。建筑場地類別為乙類，地震基本烈度為6 度，設計基本地震加速度為0.05g，地面粗糙度為B 類，基本風壓取0.35kN/m2。

建筑場地地層主要以粉土和淤泥為主，由上到下依次為素填土、粉土、淤泥質粉土、粉砂、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖和微風化泥質粉砂巖等。地勘結果表明，該建筑場地存在巖溶發育現象，鉆孔見洞隙率為12.8%，為巖溶中等發育地段。基礎類型為沖孔灌注樁，基礎持力層擬選用微風化灰巖。表1 展示了各層土體的物理力學參數。

表1 土層物理力學參數

此外，勘測結果顯示，中風化灰巖層存在斜巖，對斜巖角度進行了預估判斷，預估斜巖傾斜角度在27°～32°區間范圍內。

二、數值模型

為研究沖孔灌注樁的承載特性和受斜巖角度的影響，本文通過有限元軟件建立了沖孔灌注樁單樁數值靜載模型，圖1 展示了該樁-土數值模型的網格劃分情況。建模過程具體如下：

圖1 樁-土有限元數值模型

(1) 依據工程現場實際尺寸，建立樁-土模型，沖孔灌注樁直徑設為1.2m，單樁承載力特征值設為1×104kN。

(2) 模型土層劃分和參數輸入，根據表1 列出的各土層物理力學參數進行各土層的設定。

(3) 對模型進行網格劃分，將樁周土體和斜巖區域進行局部網格加密處理。

(4) 設定模型邊界條件，將模型底部設為固定約束，四周設為法相約束，頂部設為自由約束。

(5) 于樁頂進行分級加載，第一級設為4000kN，第二級設為8000kN，之后每級增加2000kN，直至加載到20000kN。

三、結果分析與討論

設置了4 種斜巖傾角和5 種樁長進行數值計算，圖2 展示了不同工況下的單樁荷載-沉降曲線。

圖2 單樁荷載-沉降曲線

從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，隨著荷載的持續增加，樁體沉降呈現線性增大趨勢，說明沖孔灌注樁發生彈性變形，沒有塑性變形出現。這是由于巖面的傾角較小，導致樁端能夠與灰巖接觸，使得樁底不會出現滑動。此外，由于在荷載作用下灌注樁發生壓縮變形，沉降大小與樁長成正比，隨著樁長的逐步增加，沉降呈現階梯增大的變化規律。當荷載達到20000kN 后，樁頂最大沉降為6.3mm，遠小于規范規定的40mm 限值，因此，此時的灌注樁單樁承載力滿足設計要求。

從圖2(c)中可以看出，在巖面傾角為45°時，隨著荷載的逐步增加，不同樁長工況下樁體沉降呈現出指數曲線增加的規律，荷載-沉降曲線斜率隨著荷載的增加而增大，出現了明顯的塑性變形，且此現象樁長越短越為明顯。各工況相比，在加載中期出現了較為明顯的沉降差異，而在加載前期和后期不同樁長工況下樁體沉降差異并不顯著。

從圖2(d)中可以看出，傾斜巖面對樁體沉降的影響更為顯著。在加載前期，各樁長工況下樁體沉降基本一致。隨著荷載的持續增加，各工況下樁體沉降差異開始顯現，但與上述規律不同的是，沉降與樁長呈負相關關系，即樁長越長，沉降越小。此外，從數值而言，巖面傾角為15°和30°時樁體沉降基本一致，而45°傾角工況沉降明顯增加，60°傾角工況下沉降達到了14.4mm，約為前兩種工況的兩倍。

綜上所述，當巖面傾角為45°和60°時，灌注樁已經發生了相對滑動，雖然單樁的極限承載力仍能滿足設計要求，但在設計與施工時應考慮到5m 超短樁不利受力的情況，及時采取有效措施，避免發生過大沉降。

四、復雜地段沖孔灌注樁施工要點

在沖孔灌注樁施工前，應對施工場地進行平整處理，并于孔口埋設護筒。與正常條件下的泥漿體積相比，配置的泥漿體積應為3 倍以上。而在巖溶地質條件下，應考慮到覆蓋層及基巖情況的差異采取合理的成孔工藝。具體施工要點如下：

(1)在覆蓋土層不存在土洞條件下，可通過沖擊成孔或回旋鉆進成孔。在覆蓋層存在體積較大的土洞并且其埋深不小于3m 條件下，應通過預注漿充填或混凝土回填的方式對土洞進行處理，再進行沖孔操作。

(2)當施工至溶洞頂板附近時，應采用小沖程、低頻率的沖擊鉆成孔工藝。

(3)存在傾斜巖面條件下，可回填混凝土或小片石于樁孔內，再通過鉆頭進行反復沖擊，使全斷面進入巖層。

(4)在成孔過程中，若遭遇漏漿情況，應及時進行補漿處理，并進行混凝土、片石的回填。在樁身混凝土灌注過程中，應對混凝土頂面標高進行實時監測，以便及時補灌混凝土。

(5)若溶洞中存在大量的地下水，宜采用單層或多層的長護筒跟進措施，且護筒的直徑差應大于15mm。

五、結論

本文通過有限元方法，建立了復雜地質條件下的樁-土數值模型，研究了不同灌注樁長度和巖面傾角工況下樁基沉降和極限承載力的差異。最后，對復雜地質條件下沖孔灌注樁的施工要點進行了總結。得出主要結論如下：

(1)巖面傾角為15°和30°工況下，隨著荷載的持續增加，樁體沉降呈現線性增大趨勢，沖孔灌注樁發生彈性變形，未有塑性變形出現。由于在荷載作用下灌注樁發生壓縮變形，沉降大小與樁長成正比，隨著樁長的逐步增加，沉降呈現階梯增大的變化規律。

(2)巖面傾角為45°和60°工況下，隨著荷載的逐步增加，不同樁長工況下樁體沉降呈現出指數曲線增加的規律，荷載-沉降曲線斜率隨著荷載的增加而增大，出現了明顯的塑性變形，且此現象樁長越短越為明顯。

(3)巖面傾角為15°和30°時樁體沉降基本一致，而45°傾角工況沉降明顯增加，60°傾角工況下沉降達到了14.4mm，約為前兩種工況的兩倍。

(4)巖面傾角為45°和60°時，灌注樁已經發生了相對滑動，雖然單樁的極限承載力仍能滿足設計要求，但在設計與施工時應考慮到5m 超短樁不利受力的情況，及時采取有效措施，避免發生過大沉降。