鐘龍輝

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙　410008)

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沖擊成孔灌注樁樁側(cè)摩阻力取值初探

鐘龍輝

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙410008)

摘要：沖擊成孔灌注樁在工程建設(shè)中已越來越廣泛應(yīng)用。針對目前《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對沖擊成孔灌注樁的側(cè)摩阻力取值的不完善性，通過對某試樁靜載試驗的試驗結(jié)果分析進行說明，論述了護壁泥漿與施工工藝對該類型樁的樁基承載性能的影響。同時針對沖擊成孔工藝對地質(zhì)條件的影響，對該靜載試驗進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，沖擊成孔工藝改變了巖層與樁身的摩擦系數(shù)，進而影響到樁基的側(cè)摩阻力分布。最后，綜合考慮沖擊成孔與泥漿護壁兩方面的因素，對《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中沖擊成孔灌注樁樁土側(cè)阻力標準值q(ik)的取值提出建議。

關(guān)鍵詞：灌注樁； 側(cè)摩阻力； 泥皮； 時間效應(yīng)； 沖擊成孔

0引言

沖擊成孔灌注樁，一般采用沖擊式鉆機或者卷揚機懸吊沖擊鉆頭對地層進行上下往復沖擊，利用沖擊力破碎硬質(zhì)土或巖層，同時利用泥漿循環(huán)帶出碎渣并護壁繼而成孔。該工藝不受地下水位高低、周邊環(huán)境、氣候條件等因素的限制，具有設(shè)備構(gòu)造簡單，適用范圍廣，所成孔壁堅實、穩(wěn)定，坍孔少等優(yōu)點，在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是隨著工程建設(shè)的高速發(fā)展，大口徑、超長樁以及山區(qū)橋梁樁越來越多，沖擊成孔灌注樁越來越成為各建筑物樁基礎(chǔ)施工的主要形式。

但是在對沖擊成孔灌注樁的設(shè)計中，對其單樁承載力的計算中，各規(guī)范的說明與專門論述并不是很完善，特別是在進行橋涵設(shè)計時由于規(guī)范上的不完善，會出現(xiàn)設(shè)計缺乏規(guī)范支撐依據(jù)或引用數(shù)據(jù)錯誤、套用公式錯誤等問題，使得工程從設(shè)計開始就存在安全隱患。

針對上述問題，本文以某公路橋梁試樁靜載荷實驗為例，運用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬等手段，考慮護壁泥漿與施工工藝的影響，對沖擊式成孔灌注樁的樁基承載性能進行了分析研究，以期為類似工程的設(shè)計提供參考。

1靜載荷實驗結(jié)果分析

1.1工程概況及工程地質(zhì)條件

京港澳國家高速公路長沙連接線第一標段瀏陽河大橋，位于長沙市四方坪立交至星沙收費站三一大道上，橋位橫跨瀏陽河。場地樁長范圍內(nèi)所揭示的巖土層自上而下為： 填土層厚為5.8 m，粉土層厚2.4 m，圓礫層厚2.7 m，強風化碎裂狀板巖層厚2.1 m，中風化碎裂狀板巖，最大揭示厚度 15 m。地下水位在-0.5 m左右。場地各層土的物理力學性指標采用室內(nèi)土工試驗并結(jié)合現(xiàn)場原位測試方法確定，如表1所示。

1.2試驗方法

試驗采用堆載法，對該試驗樁進行單樁豎向抗壓靜載實驗，以檢測該樁的豎向抗壓承載力以及樁側(cè)巖土的分層側(cè)摩阻力。試驗荷載按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/TF50 — 2011附錄B規(guī)定[1]，本試驗荷載分級為10級，每級580 kN，第1級加載量為2級，每級卸載量按2級加載量控制。如表2。

試驗樁為泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁身混凝土設(shè)計強度為C30，設(shè)計直徑d=0.8 m，埋深19.00 m，進入到中風化板巖層。采用鋼弦式鋼筋應(yīng)力計進行檢測，埋設(shè)于樁身內(nèi)不同深度界面上，通過所采集到的樁身混凝土應(yīng)變與鋼筋應(yīng)變計算樁身不同深度界面上的軸力，進而推算出兩測試界面之間側(cè)阻之和，從而求得樁側(cè)不同圖層的極限摩阻以及樁側(cè)摩阻力的分布和大小，樁端阻力則通過埋設(shè)于樁底的鋼筋計試驗結(jié)果乘以樁端面積得到。

表1 巖土層物理力學參數(shù)巖土名稱基底摩擦系數(shù)μ抗剪強度標準值φ/(°)C/kPa鉆孔樁樁側(cè)摩阻力標準值qik/kPa巖石單軸抗剪強度標準值frk/MPa地基承載力基本容許值fao/kPa人工填土松散,未完成自重固結(jié)粉土30130圓礫0.43390280強風化碎裂狀板巖0.45130400中風化碎裂狀板巖0.524061200

表2 基樁靜載試驗荷載一覽表設(shè)計承載力/kN試驗最大荷載/kN分級加載荷載(kN)下的沉降量/mm2級3級4級5級6級7級8級9級10級11級11601740232029003480406046405220580063802900638000.30.510.831.231.672.142.643.193.78

1.3結(jié)果分析

加載后的Q—S曲線圖如圖1所示，屬緩變型。

圖1　試驗荷載-位移曲線圖

每加載一步，則可以獲得混凝土應(yīng)變計應(yīng)變值，根據(jù)埋深的鋼筋計的應(yīng)力數(shù)據(jù)，則可計算出各截面的軸力：

(1)

式中：Qi為第i界面軸力；εh為混凝土的應(yīng)變;σg為鋼筋的應(yīng)力；Eh、Eg為鋼筋和混凝土的彈性模量；Ah、Ag為截面鋼筋和混凝土截面積。

從圖2中可以看出，樁的樁頂豎向荷載大部分都由樁側(cè)摩阻力承擔，樁端只承擔了小部分。各分層巖土體的平均樁側(cè)摩阻力qsi可由下式計算：

(2)

圖2　樁身軸力隨深度變化

所測量的填土的樁側(cè)摩阻力qsi為39.176 kPa，粉土qsi為118.36 kPa，圓礫qsi為126.226 kPa，強風化板巖樁qsi為178.57 kPa，中風化板巖qsi為140.117 kPa。其中填土、強風化板巖、中風化板巖的樁側(cè)摩阻力未達到極限值，因此這3層巖土的極限摩阻力應(yīng)可能大于測量值。

除中風化板巖外，本次試驗所測量的樁側(cè)摩阻力均大于設(shè)計方的建議值。從結(jié)果上可以看出，以《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/TF50 — 2011計算出的樁土側(cè)阻力標準值應(yīng)考慮一定的影響因素進行優(yōu)化。

2護壁泥漿對樁承載力的影響

護壁泥漿主要由水、膨潤土(或粘土)和添加劑等組成，主要作用有3種： 保護孔壁穩(wěn)定、排除鉆渣以及清孔，由于泥漿比重大于水的比重，因此泥漿和土層的孔隙水間存在一個壓力差，從而產(chǎn)生滲透作用，在滲透力的作用下，泥漿中的微小顆粒隨著泥漿中水的流動不斷的向孔周凝聚，此外，樁周土中的離子和泥漿中的粘土顆粒的離子相互吸引發(fā)生化學反應(yīng)，也使泥漿粘土顆粒向孔壁周圍集聚，從而在孔壁形成一層泥皮，阻止孔內(nèi)外的滲流，加固孔壁和防止坍塌，并穩(wěn)定孔內(nèi)水位，同時帶出巖土碎屑、冷卻和潤滑鉆頭[2]。

2.1對樁端承載力的影響

泥漿的一個重要作用就是樁底清孔，防止砂粒在孔中沉淀超過設(shè)計規(guī)定的厚度，如果泥漿不能將孔中的鉆渣清理干凈，孔底會有過多的沉淀，形成軟墊層，降低樁端承載力，增加沉降。

2.2對樁側(cè)承載力的影響

隨著鉆孔的加深和循環(huán)時間的延長，泥皮也在不斷地加厚，泥皮具有滲透能力差、止水性能好、抗剪強度低的特點，會直接影響混凝土與樁側(cè)土的結(jié)合，從而降低樁側(cè)摩阻力，泥皮愈厚，降低程度越大。

樁側(cè)土極限摩阻力τmax值的大小，泥漿因素的影響主要表現(xiàn)在孔壁泥皮厚度上，在孔內(nèi)鉆進時回孔泥漿質(zhì)量好壞是影響泥皮厚度的關(guān)鍵[3]。

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中所表明的泥漿性能(鉆進過程中)：粘度25～28 Pa·s，膠體率96%，失水量≤18 mL/30 min和泥皮厚度≤2 mm等指標，對于大直徑樁均偏低，不能滿足高質(zhì)量鉆孔樁的要求。國外某規(guī)范對鉆孔灌注樁泥漿性能指標(鉆進過程中)如下：粘度(T)(粘土頁巖≤21 s、粉細砂≤27 s、粗砂礫砂≤35 s)，失水量小(≤10 mL/30 min)和泥皮薄(≤1 mm/30 min)，從護筒下開始鉆進至樁水下混凝土灌注結(jié)束，在3 d(72 h)以內(nèi)為宜，否則孔壁泥皮會隨時間而變厚，降低樁側(cè)極限摩阻力τmax值。除泥漿本身質(zhì)量外，根據(jù)研究，所形成的泥皮性狀對單樁承載性狀影響表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 泥皮樁的Q—S曲線中的線性段縮短，拐點提前，側(cè)摩阻力損失加大，承載力降低。

2) 泥皮厚度對單樁承載性狀的影響較大，泥皮厚度越大，泥皮樁的線性段越短，拐點較正常樁提前越多。泥皮厚度越大，側(cè)摩阻發(fā)揮的越早，極限側(cè)摩阻越小，且總摩阻力損失越多；接觸面法向應(yīng)力也沿深度線性增長，且加載過程中保持不變，泥皮越厚，直線的斜率越大，接觸面所受的擠壓作用越大；相同荷載下，泥皮厚度越大，軸力越大，且不同泥皮厚度的各樁隨著荷載的增加差距變大。

3) 泥皮摩擦角直接影響接觸面的極限摩阻力，泥皮摩擦角越小，Q—S曲線的拐點提前越多，導致側(cè)阻在較小的荷載下就達到極限。

4) 樁土接觸面的摩擦系數(shù)主要影響接觸面極限摩阻力的大?。耗Σ料禂?shù)越大，樁土相對滑移越困難，其摩阻力發(fā)揮越滯后，其極限摩阻力越大[4]。

3護壁泥漿對樁承載力的時間效應(yīng)影響

以上是從泥皮本身的物理力學性質(zhì)上對樁的單樁承載性能進行的分析，而在實際工程中，由于泥漿在護壁后，殘留在孔內(nèi)，由于時間效應(yīng)的影響，從而影響樁的側(cè)摩阻力，進而影響樁的承載力。

3.1水泥土攪拌法中樁承載力的時間效應(yīng)

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79 — 2002)水泥土攪拌法：第11.1.5條及其條文說明，水泥土的強度隨齡期的增長而增大，在齡期超過28 d后，強度仍有明顯增長。不同齡期的水泥土抗壓強度間關(guān)系大致呈線性關(guān)系：

fcu7=(0.47～0.63)fcu28；

fcu14=(0.62～0.80)fcu28；

fcu60=(1.15～1.46)fcu28；

fcu90=(1.43～1.80)fcu28；

fcu90=(2.37～3.73)fcu7；

fcu90=(1.73～2.82)fcu14。

對豎向承載力的水泥土強度宜取90 d齡期試塊的立方體抗壓強度平均值。

由此推斷，沖擊成孔時用于護壁的泥漿膜，在灌注混凝土過程中，泥漿膜與混凝土中水泥(含砂)將混合在一起，類似如水泥土攪拌樁加固體，其強度與時間的關(guān)系應(yīng)與水泥土攪拌法中水泥土的強度與時間的關(guān)系相似。同理，泥漿護壁的灌注樁的側(cè)摩擦力的發(fā)揮在一定程度上與成樁后的時間有關(guān)，成樁后90 d其護壁的泥漿強度達到要求[5]。

通過瀏陽河大橋22號試樁的靜載試驗，研究了濕作業(yè)成孔鉆孔灌注樁的時間效應(yīng)。該工程運用了樁端后壓漿技術(shù)，為研究壓漿前后樁的承載性能的變化，試驗采用了自平衡方法，在樁身設(shè)置了雙荷載箱，并分別在壓漿前后進行了試驗。

該樁的上段樁不受樁端后壓漿的影響，對比該樁的上段樁在不同時間的試驗結(jié)果，其極限承載力和剛度隨時間增長，證實了濕作業(yè)成孔的鉆孔灌注樁存在時間效應(yīng)。濕作業(yè)成孔鉆孔灌注樁的時間效應(yīng)的機理復雜，分析表明，其受樁周應(yīng)力場變化、樁周土體性質(zhì)、泥皮變化和樁底沉渣性質(zhì)等多種因素的影響。

3.2各檢測規(guī)范中樁承載力的時間效應(yīng)論述

《基樁靜載試驗自平衡法》(JT/T738 — 2009)[6]附錄A：檢測開始時間應(yīng)符合下列規(guī)定：

1) 混凝土強度達到設(shè)計強度的70%以上或按該強度算得的樁身承載力大于單向最大加載值的1.5倍；

2) 檢驗前土體的休止時間達到： 砂土7 d，粉土10 d，非飽和粘土15 d，飽和粘土25 d。

《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)[7]第3.2.6條：檢測開始時間應(yīng)符合下列規(guī)定：

1) 當采用低應(yīng)變法或聲波透射法檢測時，受檢樁混凝土強度至少達到設(shè)計強度的70%，且不小于15 MPa；

2) 當采用鉆芯法檢測時，受檢樁的混凝土齡期達到28 d或預留同條件養(yǎng)護試塊強度達到設(shè)計強度；

3) 承載力檢測前的休止時間除應(yīng)達到本條第2款規(guī)定的混凝土強度外，當無成熟的地區(qū)經(jīng)驗時，尚不應(yīng)少于規(guī)定時間(詳見相應(yīng)規(guī)定)。

《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》第3.2.6條條文說明中寫到：樁在施工過程中不可避免地擾動樁周土，降低土體強度，引起樁的承載力下降，以高靈敏度飽和粘性土中的摩擦樁最明顯。隨著休止時間增加，土體重新固結(jié)，土體強度逐漸恢復提高，樁的承載力也逐漸增加。成樁后樁的承載力隨時間而變化的現(xiàn)象稱為樁的承載力時間(歇后)效應(yīng)。我國軟土地區(qū)這種效應(yīng)尤為突出。研究資料表明，時間效應(yīng)可使樁的承載力比初始值增長40%～400%。其變化規(guī)律一般是初期增長速度較快，隨后漸慢，待達到一定時間后趨于相對穩(wěn)定，其增長的快慢和幅度與土性和類別有關(guān)。

3.3對沖擊成孔工藝(泥漿護壁)樁承載力檢測時間建議

綜合考慮以上論述，在對沖擊成孔工藝(泥漿護壁)樁承載力檢測時，建議承載力檢測前的休止時間(養(yǎng)護時間)應(yīng)大于30 d，宜為45～60 d，這樣能相對降低護壁泥漿及沖擊成孔工藝對樁承載力時間效應(yīng)部分的影響。

4沖擊成孔工藝對樁承載力的影響

沖擊成孔(泥漿護壁)鉆孔樁，因成孔過程的沖擊力，對原地質(zhì)條件產(chǎn)生了影響：

1) 較松散的地層，如稍至中密的砂、礫、圓礫或卵石類土，是否會因沖擊而變成中密或密實，現(xiàn)條件無準確的實試數(shù)據(jù)說明。

2) 較密實的地層，如中密至密實的砂、礫、圓礫或卵石類土，是否會因沖擊而變成中密或稍密，現(xiàn)條件也無準確的實試數(shù)據(jù)說明。

因原地質(zhì)條件產(chǎn)生了不確定的變化，其樁側(cè)阻力標準值qik的取值也變得難確定，因此規(guī)范中缺少沖擊成孔樁樁側(cè)阻力標準值qik選用值，同時，沖擊成孔鉆孔樁，因在成孔過程中反復沖擊，使樁孔壁變得光滑所產(chǎn)生側(cè)摩擦力降低的影響應(yīng)予考慮。

4.1《橋涵規(guī)范》中鉆孔樁樁側(cè)土摩阻力標準值qik的缺項

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF50 — 2011)中樁承載力計算公式對摩擦力為主的樁型而言，該規(guī)范第5.3.3條為摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]，按下式計算：

(3)

對端承力為主的樁型而言，該規(guī)范第5.3.4條為支承在基巖或嵌入基巖內(nèi)的鉆(挖)孔樁、沉樁的單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]，按下式計算：

(4)

從中可知，上述《橋涵規(guī)范》中樁承載力的兩個計算公式中，均未明確表示包括沖擊成孔(泥漿護壁)灌注樁。兩個公式均說明：qik為樁側(cè)第i層土的側(cè)阻力標準值，kPa，宜采用單樁摩阻力試驗值，當無試驗條件時，對于鉆(挖)孔樁按規(guī)范中的表5.3.3-1選用，對于沉樁按規(guī)范中的表5.3.3-4選用，但是對于沖擊成孔樁(泥漿護壁)，規(guī)范中沒有明確的樁側(cè)阻力標準值qik選用值。

且全風化、強風化巖石的側(cè)土摩阻力標準值也有所缺失，在《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF50 — 2011)第5.3.4條條文說明中解釋為：對于樁端置于強風化巖中嵌巖樁，由于強風化巖不能取樣成型，其強度不能通過單軸抗壓強度試驗確定，這類強風化嵌巖段極限承載力參數(shù)標準值可根據(jù)巖體的風化程度按砂土、碎石類土取值，按摩擦樁計算。因巖石有軟質(zhì)巖與硬質(zhì)巖之分，其取值因人而異變數(shù)較大。

4.2沖擊成孔灌注樁嵌巖段樁側(cè)承載力公式計算的缺陷

上式(3)中單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]的計算，就護壁泥漿側(cè)承載力的影響無說明，即可理解為可不予考慮，但對端承載力的影響給予了說明，表現(xiàn)在清底系數(shù)m0上(詳見相應(yīng)規(guī)定)。

同理，上式(4)中支承在基巖或嵌入基巖內(nèi)的鉆(挖)孔樁、沉樁的單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]的計算，就護壁泥漿側(cè)承載力的影響無說明，即可理解為可不予考慮。但對端承載力的影響給予了說明，表現(xiàn)在系數(shù)c1上。

本規(guī)范本條附后的條文說明中，定性地說明了：系數(shù)c1、c2的選擇主要由孔中泥漿的清除情況及鉆孔有無破碎等因素決定，同時也受嵌巖深度和施工工藝的影響。同時摩阻力系數(shù)c2要適當考慮孔壁粗糙度的影響。根據(jù)沖擊鉆鉆巖石的經(jīng)驗，堅硬的巖石和很軟的巖石、孔壁的粗糙度比中等強度的巖石要平滑些 (系數(shù)c1、c2的值詳見規(guī)范規(guī)定)。

其中：

1) 當入巖深度小于或等于0.5 m時，c1乘以0.75的折減系數(shù)，c2=0；

2) 對于鉆孔樁，系數(shù)c1、c2值應(yīng)降低20%采用；

3) 對于中風化層作為持力層的情況，系數(shù)c1、c2應(yīng)分別乘以0.75的折減系數(shù)。

沖擊成孔鉆孔樁，因反復沖擊，使巖石壁變得光滑，從而影響側(cè)摩擦力。

1) 對摩擦端承樁而言，當端阻力較大，基本滿足樁的承載力要求，可以不考慮側(cè)阻力或側(cè)阻力只部分發(fā)揮時，本公式的缺陷不能顯現(xiàn)出來；當端阻力較小，必須充分考慮側(cè)阻力時，按此公式計算結(jié)果較實際承載力大。

2) 對嵌巖樁而言，當端阻力較小，沖擊成孔工藝時按此公式計算結(jié)果較實際承載力大。

4.3樁承載力在沖擊成孔工藝影響下的數(shù)值模擬

依托實際工程的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行建模，模擬沖擊成孔后，中風化層的摩擦系數(shù)改變后對樁的整體側(cè)摩阻力的影響。本文采用ABAQUS6.10對鉆孔樁進行分析，出于對該試驗的精確性分析，采用三維模型(圖3)?？紤]到最底層中風化地層摩擦系數(shù)改變的影響，因此樁體本身采用線彈性模型，巖土層采用D — P模型進行分析，各巖土層的參數(shù)從表1中提取。

圖3　沖擊成孔灌注樁靜載實驗?zāi)M圖

模型中樁與土之間的接觸關(guān)系為摩擦作用，采用Coulomb摩擦模型來表征接觸面之間的摩擦行為，摩擦系數(shù)采用Randolph和Wroth(1981)提出的公式：

設(shè)定其摩擦系數(shù)μ=0.5后對其進行加載，根據(jù)樁上軸力的分布從而求出其側(cè)摩阻力，如圖4所示，當剛開始加載時，土在力的作用下產(chǎn)生位移，從而在樁側(cè)產(chǎn)生摩阻力，當加載結(jié)束后，土位置逐漸固定，因此，力的數(shù)值開始減小。

改變中風化層的摩擦系數(shù)，當μ=0.4時，側(cè)摩阻力分布如圖5。

從圖中可以看出，當采用沖擊成孔工藝時，主要改變的是中風化層的摩擦系數(shù)，從而改變該地層的側(cè)摩阻力，而其余地層所受到的影響較小，因此

圖4　μ=0.5時的側(cè)摩阻力分布圖

圖5　μ=0.4時的側(cè)摩阻力分布圖

5結(jié)論與建議

1) 泥皮具有滲透能力差、止水性能好、抗剪強度低的特點，會直接影響混凝土與樁側(cè)土的結(jié)合，從而降低混凝土灌注樁的樁側(cè)摩阻力，泥皮愈厚，降低程度越大。

2) 由于泥漿在護壁后，殘留在孔內(nèi)，由于時間效應(yīng)的影響，其本身的物理力學性質(zhì)會發(fā)生變化，因此，建議承載力檢測前的休止時間應(yīng)大于30 d，宜為45～60 d，這樣能相對降低護壁泥漿對樁承載力時間效應(yīng)部分的影響。

3) 沖擊成孔(泥漿護壁)鉆孔樁，因成孔過程的沖擊力，對原地質(zhì)條件產(chǎn)生了影響，特別是造成嵌巖段的摩擦系數(shù)降低，進而影響到樁基的承載性能。

4) 建議在《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中補充沖擊成孔(泥漿護壁)灌注樁樁土側(cè)阻力標準值qik，考慮沖擊成孔與泥漿護壁兩方面的因素，該值比規(guī)范中相對應(yīng)的各巖土層鉆孔樁樁側(cè)土阻力標準值qik宜低10%～20%。

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中圖分類號：U 445.55

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0104-05