桩基承载力不足的影响因素及防治措施

Serial No.238　2010年第1期Transportation Science &Technology No.1Feb.2010

DOI 1013963/j 1issn 1167127570120101011005

收稿日期:2009209213

桩基承载力不足的影响因素及防治措施

杨友梅

(福建省交通规划设计院　福州　350004)

摘　要　钻孔灌注桩在有些桥梁工程应用中出现实际承载力低于设计值的情况。文中以某实际工程为例,从施工、设计方面分析钻孔灌注桩承载能力不足的原因,提出钻孔灌注桩在穿过较厚砂、卵砾石层后,残积土不宜作为基底持力层,并对桩基承载力不足提出防治措施。实践证明:锚杆静压桩是一种行之有效的桩基补强方案,对类似工程具有较好的借鉴作用。关键词　钻孔桩　承载力　锚杆静压桩

　　随着我国高速公路的迅猛发展,作为桥梁基础承力结构普遍采用的一种形式———灌注桩,在

公路桥梁中得到了广泛应用。灌注桩的基础形式能适应不同的地质条件,具有占用面积小、承载力高的特点,尤其适宜持力层较深的地层。但是由于桩基是隐蔽工程,施工时不可见,实际工程中桩基承载能力的实现由于各种原因存在不确定性,有些工程出现实际承载力低于设计值的情况,这将直接影响上部结构乃至整个桥梁的安全。本文

以某实际工程为例,对影响钻孔灌注桩承载能力的各因素进行分析,提出桩基设计及施工要点,并对桩基承载力不足提出处治措施。1　工程实例1.1　概况

　　2001年福建某高速公路修建的一座大桥,上部为部分预应力混凝土连续箱梁桥,设计荷载:汽超220、挂2120,下部构造为双柱式墩,直径1.2、1.4m ,钻孔灌注桩基础直径1.2、1.5m 。桥址地层结构至上而下为:淤泥、泥质中细砂、含泥卵石

Damage Identif ication by Applying the Moving Mass

Method and W avelet Analysis

W an g X uef en g 1,Don g Kui 1,Yu Qi n gson g 2,Yi n L i an g 3

(1.China Communication North Road and Bridge Co.Ltd.,Beijing 100024,China ;

2.Engineering Consulting Company of China Railway Siyuan Survey and Design ,Wuhan 430063,China ;

3.Jiangsu Province Communication Planning and Design Institute Co.Ltd.,Nanjing 210005,China )

Abstract :In order to imp rove t he accuracy of t he identification of t he st ruct ure damage and take t he advantages of wavelet analysis which is charactered wit h feat ure extraction ,t he singularity of signal detection ,and signal de 2noising ,t he improved met hod of t he moving quality repetitious detection was p ut forward.In t his met hod ,a moving mass is used to measure t he st ruct ures in different positions.The tested nat ure f requencies are used as t he only index to determine t he model parameters ,t hus i 2dentifying t he damage of t he struct ures.Moreover ,t he t heoretical model of t he proposed met hod is established and t he corresponding equations are deduced.A numerical simulation is finally carried out to verify t he effectiveness of t he proposed met hod.

K ey w ords :damage identification ;met hod of moving quality repetitious detection ;wavelet analysis ;nat ural f requency

　　该桥在完成箱梁吊装并准备进行桥面铺装时,施工单位对支座垫石进行高程复测,结果发现1～12号墩顶发生沉降量异常,大部分沉降在1～2cm,其中8～10号墩下沉量较大,右幅9号墩最大沉降达7.7cm,其余墩台支座沉降在0.3cm 以内。

1.3　设计验证情况

　　单桩沉降由桩身压缩变形和桩端土的压缩变形组成,通过验算[1],设计荷载总下沉降量理论值为0.46cm,已发生最大施工荷载下沉降量理论值为0.27cm。而施工期1～12号墩下沉量已明显超出理论计算的最大施工荷载下沉降量0.27cm,尤其8～10号墩沉降量已明显表明桩基承载力不足。以沉降最大的右幅9号墩为例,根据原地勘报告对桩基承载力重新进行核查验算,控制桩入土长度单桩顶轴向力为4329kN,桩入土计算长度为26m,实际采用27m,设计桩侧极限承载力为8391kN,桩端持力层残积砂粘土极限承载力为1192kN,设计桩长满足桩基承载力要求[2],8～10号墩位进行地质补勘9个孔,根据补勘地质资料重新验算桩基承载力,结论是设计桩长满足桩基承载力要求,也排除了因地层性质变差造成桩身承载力不足的因素。通过施工验算,作用于单桩顶的最大施工荷载为2674kN,仅占设计控制桩入土长度单桩顶轴向力61.7%,显然,如果桩侧摩阻或端阻正常发挥,设计桩长完全可以满足施工荷载要求。

1.4　桥梁检测情况

　　该桥桩基都已通过质检部门检测,未发现有断桩、缩径等病害桩,排除了因桩身材料及尺寸变化造成的承载力不足。

2　原因分析

　　桩基承载力是通过桩身本身强度及桩侧摩阻力与桩端阻力来实现的,而桩侧摩阻力与桩端阻力的发挥过程是桩土体系荷载的传递过程。钻孔灌注桩在加荷初期,桩和土产生相对位移,桩顶侧摩阻力首先发挥,没有或仅有极小的荷载传到桩尖。随着荷载的逐渐增大,较长一段桩身的侧摩阻力得以发挥,桩尖土的支承作用也逐渐增大,引起地基土的弹性变形和塑性变形。再进一步加荷,侧摩阻力就在桩身全长被调动起来并达到极限值,若继续增加荷载,其荷载增量将全部由桩端阻力承担。一般说来,靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥,而侧阻力先于端阻力发挥出来[2]。桩基竖向承载力随桩的几荷尺寸、桩侧与桩端土的性质、成桩工艺等而变化。

　　经分析,笔者认为实际工程中钻孔灌注桩承载力不足的原因可归纳为以下几个方面:

2.1　施工方面

　　(1)泥皮的影响。采用泥浆护壁的技术在钻孔桩施工中是最基本和最常用的,泥浆颗粒吸附于孔壁形成泥皮,保护了孔壁的稳定,《公路桥涵施工规范》[3]要求泥皮厚度不大于2～3mm,因此大多数静荷载试验表明均能满足设计提出的承载力。而本例桥梁地层结构中砂、卵砾石层厚度达到10m,厚度较大,施工时为防止塌孔,采用了较大的泥浆质量浓度,形成了较大的泥皮厚度,在桩土间形成了一道隔离层,桩与土体间的摩擦在较大程度上转变为桩与泥皮间的摩擦,桩身混凝土与桩周土体的粘结度降低,大大降低桩侧摩阻力。

　　(2)施工时间的影响。成孔时间较长,孔壁侧向应力解除,桩周土体出现应力松弛,成孔时间越长,应力松弛越明显,孔壁泡水软化现象越严重,从而影响桩侧摩阻的发挥。同时由于桩底泥浆长时间浸泡桩底持力层导致桩端土体软化下沉,使桩端侧面一定范围产生负摩阻力,从而降低桩侧正摩阻力。

　　(3)桩底土体软化及沉渣的影响。成孔后桩底泥浆长时间浸泡桩底持力层,残积粘性土遇水土体产生崩解,使土体软化,压缩性增大,导致桩端承载力降低;且由于以施工用的泥浆作为清洗介质,泥浆比重控制不当,同时二次清渣与桩身混凝土首斗灌注间有时差,这段时间孔内泥浆中的部分沉渣将继续沉淀于孔底,形成桩底沉渣,若桩底沉渣过厚,在桩底形成一个“软垫子”,会影响桩底承载力发挥。

　　以本文列举桥梁右幅9号墩为例,考虑施工泥皮及时间因素,桩侧极限摩阻力参考有关资料取12kPa,27m桩长桩侧极限承载力则降为1620kN,随着施工荷载增加,侧摩阻达到极限,继续增加荷载,其荷载增量1650kN将全部由桩端阻力承担。持力层为残积粘性土遇水软化,一般考虑桩底软化系数05～0.7,桩端残积粘性土极限承载力降为596～834kN,大大小于传至桩端的荷载,即实际桩基承载力小于理论承载力,桩基承载力不足,发生沉降。同理分析桩端持力层为强风化花岗岩的23号墩,设计桩长27m,因桩端持力层强风化花岗岩极限承载力为2115kN,大于传至桩端的荷载,因此未发生沉降异常。

　　综上分析,施工工艺因素及桩底持力层采用残积粘性土是造成桩基承载力不足的重要因素。

2.2　设计方面

　　(1)确定单桩竖向承载力的方法不同。确定单桩竖向承载力的方法有多种,如静载试验法、动静力触探法、动测试桩法、经验公式法等,经验公式法中不同的规范采用的公式不同,如《公路桥涵地基与基础设计规范》、

《铁路桥涵设计规范》、

《建筑桩基技术规范》采用的公式、参数不同,设计计算的竖向容许承载力结果可能差异甚远,有可能造成设计与实际桩基承载力的差异。还需通过不断的工程实践来逐渐完善经验公式。

　　(2)参数取值的不确定性。桩侧土的摩阻力及桩底土层容许承载力是计算摩檫桩单桩竖向承载力的两个重要参数,在公路桥梁桩基设计中,设计人员一般是根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(以下简称《地基规范》)的经验公式法确定单桩竖向承载力。一方面,桩侧土的摩阻力参数基本不是通过单桩摩阻力试验确定,而是根据有关规范推荐的取值范围采用,由于地基土具有多变性、复杂性和地域性等特点,参数取值可能与实际情况相差甚远,理论计算结果有可能与实际情况不符,造成桩基承载力不足;另一方面,在近些年实际应用中发现,对于某些特殊地质按旧《地基规范》(1985年版)计算的桩端处土的承载力容许值大出实测值较多,因此新《地基规范》对桩端持力层为砂土规定了桩端处土的承载力容许值的上限,桩端处土的性质已引起工程界的重视。而残积土作为一种遇水会软化且压缩量较大的地层,其承载力容许值也具有较大的差异空间,理论取值有可能与实际情况存在较大差异,若作为桩端持力层有可能造成桩基承载力不足。

3　保证钻孔灌注桩承载力的措施

　　基于上述分析,为避免桩基承载力不足,可采取以下有效预防措施。

　　(1)在设计上,应加强地质勘察工作,全面掌握地质情况,使设计计算的地层结构与实际吻合。地基土具有多变性、复杂性和地域性等特点,参数选用最好能通过试验分析取得,注意桩端持力层性质,选用承载能力高的地层,对类似残积粘性土土质,应充分考虑遇水软化特性,桩侧摩阻及桩端承载力应予一定折减。对于地层中出现较厚砂、卵砾石层,应充分考虑施工工艺造成的泥皮厚度对桩侧摩阻力的影响,设计桩长应适当加长,满足设计承载力要求。

　　(2)在施工上,应加强施工过程控制,严格按施工规范操作,根据掌握的地质情况,合理使用泥浆浓度,提高泥浆质量;控制成孔进尺速度和混凝土浇注时间;控制泥皮和沉渣厚度,严格按施工规范操作。

4　钻孔灌注桩承载力不足的处治措施

　　对于桩基沉降量异常,承载力不足的情况应采取有效措施加固,满足设计及运营要求。

4.1　加固方案

　　方案一。压力注浆加固:桩侧压浆可以破坏、消除泥皮,充填桩侧混凝土与桩侧周围土之间的粘结力,从而提高桩侧摩阻力;桩底压浆在桩下端形成扩大头,挤压桩底土层使周围土层更密实,增加桩端及周围土层侧压力,同时桩端土层密实向上传递反力,提高桩侧摩阻力,且扩大承压面积,使浆液向持力层渗透,改善了持力层性能,提高了桩底承载力。但该方案压浆量难以估算,效果需通过试验验证。

　　方案二。钻孔灌注桩抬桩加固:桩基承载力不足部分可通过计算,在病桩前后各增设一根桩,通过系梁将原桩基连成一体,以满足设计要求。该方案桩基补强受施工工艺影响较大,需通过试验验证。

　　方案三。锚杆静压桩加固:因桩基承载力不足部分可通过计算得到,因此可以根据压桩力确定锚杆静压桩根数,在桩周增设锚杆静压桩,通过承台将锚杆静压桩与原桩基连成一体,以满足设计要求。该方案受力明确,桩身为预制桩,施工方便、快捷,压桩力即为承载力,故无需通过静载试验验证。　　对于本文列举的桥梁桩基加固,进行方案比选后认为:方案一采用注浆加固,施工控制较难,产生效果难以预测,桩基补强后是否满足设计要求需通过静载试验验证,对于墩柱已施工及上部梁已架设的情况,难度较大。方案二采用钻孔灌注桩抬桩,因桥墩较矮及上部梁已架设,钻孔桩施工空间受限,补强效果也需通过静载试验验证,难度较大。方案三采用锚杆静压桩,因桩基承载力不足部分可通过计算得到,因此可以根据压桩力确定锚杆静压桩根数,以满足设计要求,且桩身为预制桩,施工方便、快捷,承载力即为测得的压桩力,无需通过静载试验验证。故推荐方案三锚杆静压桩加固方案。

4.2　锚杆静压桩加固设计要点

　　以本文列举的桥梁为例,采用锚杆静压桩[4],桩持力层为砾卵石层,按现有桩基能承受上部箱梁、盖梁、柱、桩自重,满足设计要求的桩基承载力不足部分由锚杆静压桩承担,考虑安全系数一般取2。锚杆静压桩断面采用300mm ×300mm ;以压桩力为主,桩长为辅,每根压桩力按1000kN ,通过计算1～5号墩基础每桩承台设8个桩位(见图1、2),6～12号墩基础每桩承台设10个桩位,其中2根(阴影部分)为预留桩位

。

图1　

基础承台压桩孔平面布置图

图2　基础承台压桩孔剖面布置图

4.3　加固效果

　　本例桥梁通过锚杆静压桩处理后,经多年通

车验证,桩不再继续沉降,满足设计及运营要求。5　结论

　　(1)施工工艺是影响桩基承载力发挥的重要因素之一,对于地层中出现较厚砂、卵砾石层,在桩基施工中为防止塌孔,往往难以严格按施工规范操作,泥皮厚度超标,桩侧摩阻力会大大降低,应加强施工控制,且在设计上桩长应有一定的安全度。　　(2)基底持力层性质是影响桩基承载力发挥的另一重要因素,设计人员仅从岩土工程勘察报告提供的岩土物理、力学性质指标计算桩长是不够的,应充分考虑到有些土层具有遇水土体易产生崩解、软化的特性,被施工扰动后其工程地质性能也会因此而降低,故应选择承载力较高,稳定性好的地层做为桩尖持力层,残积土不宜做为桩尖持力层。

　　(3)实践证明,锚杆静压桩具有受力明确,无需通过静载试验验证,施工方便、快捷等特点,是一种行之有效、比较直观的桩基补强方案,对类似工程具有较好的借鉴作用。

参考文献

[1]　赵明华1桥梁桩基计算与检测[M ].北京:人民交

通出版社,1999.

[2]　J TJ 024—85公路桥涵地基与基础设计规范[S].北

京:人民交通出版社,1985.

[3]　J TJ041—2000公路桥涵施工技术规范[S].北京:人

民交通出版社,20001

[4]　Y BJ 227—91锚杆静压桩技术规程[S]1北京:冶金

工业部建筑研究总院,19911

I nfluence and Prevention Measures of B earing C ap acity Deficiency of B ored Pile

Yan g Youmei

(Fujian Communication Planning and Design Institute ,Fuzhou ,350004,China )

Abstract :The real bearing capacity of bored pile was always less t han t he design value in some bridge engineering practices.Taking a practical engineering as an example ,t he reasons of bearing capacity deficiency of bored pile were analyzed f rom t he aspect s of const ruction and design.The residual soil can ’t be used as t he subst rate bearing strat um after t he bored pile passed t hrough t he t hick sand and gravel formation ,and t he correspo nding prevention measures were also p ut forward.It is believed t hat t he anchor jacked pile is proved an effective and int uitive reinforcement for t he bored pile ,which will be a good reference for some similar project s.

K ey w ords :bored pile ;bearing capacity ;anchored static p ressure pile