總第238期交 通 科 技
Serial No.238 2010年第1期Transportation Science &Technology No.1Feb.2010
DOI 1013963/j 1issn 1167127570120101011005
收稿日期:2009209213
樁基承載力不足的影響因素及防治措施
楊友梅
(福建省交通規劃設計院 福州 350004)
摘 要 鉆孔灌注樁在有些橋梁工程應用中出現實際承載力低于設計值的情況。文中以某實際工程為例，從施工、設計方面分析鉆孔灌注樁承載能力不足的原因，提出鉆孔灌注樁在穿過較厚砂、卵礫石層后，殘積土不宜作為基底持力層，并對樁基承載力不足提出防治措施。實踐證明：錨桿靜壓樁是一種行之有效的樁基補強方案，對類似工程具有較好的借鑒作用。關鍵詞 鉆孔樁 承載力 錨桿靜壓樁
隨著我國高速公路的迅猛發展，作為橋梁基礎承力結構普遍采用的一種形式———灌注樁，在
公路橋梁中得到了廣泛應用。灌注樁的基礎形式能適應不同的地質條件，具有占用面積小、承載力高的特點，尤其適宜持力層較深的地層。但是由于樁基是隱蔽工程，施工時不可見，實際工程中樁基承載能力的實現由于各種原因存在不確定性，有些工程出現實際承載力低于設計值的情況，這將直接影響上部結構乃至整個橋梁的安全。本文
以某實際工程為例，對影響鉆孔灌注樁承載能力的各因素進行分析，提出樁基設計及施工要點，并對樁基承載力不足提出處治措施。1 工程實例1.1 概況
2001年福建某高速公路修建的一座大橋，上部為部分預應力混凝土連續箱梁橋，設計荷載：汽超220、掛2120，下部構造為雙柱式墩，直徑1.2、1.4m ，鉆孔灌注樁基礎直徑1.2、1.5m 。橋址地層結構至上而下為：淤泥、泥質中細砂、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 ud to measure t he st ruct ures in different positions.The tested nat ure f requencies are ud 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 propod 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 propod met hod.
K ey w ords :damage identification ;met hod of moving quality repetitious detection ;wavelet analysis ;nat ural f requency
層、殘積砂粘土、強風化花崗巖、弱風化花崗巖。1～12號墩基底持力層為殘積砂粘土，其余墩臺基底持力層為強風化花崗巖或弱風化花崗巖。1.2 病害情況
該橋在完成箱梁吊裝并準備進行橋面鋪裝時，施工單位對支座墊石進行高程復測，結果發現1～12號墩頂發生沉降量異常，大部分沉降在1～2cm，其中8～10號墩下沉量較大，右幅9號墩最大沉降達7.7cm，其余墩臺支座沉降在0.3cm 以內。
1.3 設計驗證情況
單樁沉降由樁身壓縮變形和樁端土的壓縮變形組成，通過驗算[1]，設計荷載總下沉降量理論值為0.46cm，已發生最大施工荷載下沉降量理論值為0.27cm。而施工期1～12號墩下沉量已明顯超出理論計算的最大施工荷載下沉降量0.27cm，尤其8～10號墩沉降量已明顯表明樁基承載力不足。以沉降最大的右幅9號墩為例，根據原地勘報告對樁基承載力重新進行核查驗算，控制樁入土長度單樁頂軸向力為4329kN，樁入土計算長度為26m，實際采用27m，設計樁側極限承載力為8391kN，樁端持力層殘積砂粘土極限承載力為1192kN，設計樁長滿足樁基承載力要求[2],8～10號墩位進行地質補勘9個孔，根據補勘地質資料重新驗算樁基承載力，結論是設計樁長滿足樁基承載力要求，也排除了因地層性質變差造成樁身承載力不足的因素。通過施工驗算，作用于單樁頂的最大施工荷載為2674kN，僅占設計控制樁入土長度單樁頂軸向力61.7%，顯然，如果樁側摩阻或端阻正常發揮，設計樁長完全可以滿足施工荷載要求。
1.4 橋梁檢測情況
該橋樁基都已通過質檢部門檢測，未發現有斷樁、縮徑等病害樁，排除了因樁身材料及尺寸變化造成的承載力不足。
2 原因分析
樁基承載力是通過樁身本身強度及樁側摩阻力與樁端阻力來實現的，而樁側摩阻力與樁端阻力的發揮過程是樁土體系荷載的傳遞過程。鉆孔灌注樁在加荷初期，樁和土產生相對位移，樁頂側摩阻力首先發揮，沒有或僅有極小的荷載傳到樁尖。隨著荷載的逐漸增大，較長一段樁身的側摩阻力得以發揮，樁尖土的支承作用也逐漸增大，引起地基土的彈性變形和塑性變形。再進一步加荷，側摩阻力就在樁身全長被調動起來并達到極限值，若繼續增加荷載，其荷載增量將全部由樁端阻力承擔。一般說來，靠近樁身上部土層的側阻力先于下部土層發揮，而側阻力先于端阻力發揮出來[2]。樁基豎向承載力隨樁的幾荷尺寸、樁側與樁端土的性質、成樁工藝等而變化。
經分析，筆者認為實際工程中鉆孔灌注樁承載力不足的原因可歸納為以下幾個方面:
2.1 施工方面
(1)泥皮的影響。采用泥漿護壁的技術在鉆孔樁施工中是最基本和最常用的，泥漿顆粒吸附于孔壁形成泥皮，保護了孔壁的穩定,《公路橋涵施工規范》[3]要求泥皮厚度不大于2～3mm，因此大多數靜荷
載試驗表明均能滿足設計提出的承載力。而本例橋梁地層結構中砂、卵礫石層厚度達到10m，厚度較大，施工時為防止塌孔，采用了較大的泥漿質量濃度，形成了較大的泥皮厚度，在樁土間形成了一道隔離層，樁與土體間的摩擦在較大程度上轉變為樁與泥皮間的摩擦，樁身混凝土與樁周土體的粘結度降低，大大降低樁側摩阻力。
(2)施工時間的影響。成孔時間較長，孔壁側向應力解除，樁周土體出現應力松弛，成孔時間越長，應力松弛越明顯，孔壁泡水軟化現象越嚴重，從而影響樁側摩阻的發揮。同時由于樁底泥漿長時間浸泡樁底持力層導致樁端土體軟化下沉，使樁端側面一定范圍產生負摩阻力，從而降低樁側正摩阻力。
(3)樁底土體軟化及沉渣的影響。成孔后樁底泥漿長時間浸泡樁底持力層，殘積粘性土遇水土體產生崩解，使土體軟化，壓縮性增大，導致樁端承載力降低；且由于以施工用的泥漿作為清洗介質，泥漿比重控制不當，同時二次清渣與樁身混凝土首斗灌注間有時差，這段時間孔內泥漿中的部分沉渣將繼續沉淀于孔底，形成樁底沉渣，若樁底沉渣過厚，在樁底形成一個“軟墊子”，會影響樁底承載力發揮。
以本文列舉橋梁右幅9號墩為例，考慮施工泥皮及時間因素，樁側極限摩阻力參考有關資料取12kPa,27m樁長樁側極限承載力則降為1620kN，隨著施工荷載增加，側摩阻達到極限，繼續增加荷載，其荷載增量1650kN將全部由樁端阻力承擔。持力層為殘積粘性土遇水軟化，一般考慮樁底軟化系
數05～0.7，樁端殘積粘性土極限承載力降為596～834kN，大大小于傳至樁端的荷載，即實際樁基承載力小于理論承載力，樁基承載力不足，發生沉降。同理分析樁端持力層為強風化花崗巖的23號墩，設計樁長27m，因樁端持力層強風化花崗巖極限承載力為2115kN,
大于傳至樁端的荷載，因此未發生沉降異常。
綜上分析，施工工藝因素及樁底持力層采用殘積粘性土是造成樁基承載力不足的重要因素。
2.2 設計方面
(1)確定單樁豎向承載力的方法不同。確定單樁豎向承載力的方法有多種，如靜載試驗法、動靜力觸探法、動測試樁法、經驗公式法等，經驗公式法中不同的規范采用的公式不同，如《公路橋涵地基與基礎設計規范》、
《鐵路橋涵設計規范》、
《建筑樁基技術規范》采用的公式、參數不同，設計計算的豎向容許承載力結果可能差異甚遠，有可能造成設計與實際樁基承載力的差異。還需通過不斷的工程實踐來逐漸完善經驗公式。
(2)參數取值的不確定性。樁側土的摩阻力及樁底土層容許承載力是計算摩檫樁單樁豎向承載力的兩
個重要參數，在公路橋梁樁基設計中，設計人員一般是根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(以下簡稱《地基規范》)的經驗公式法確定單樁豎向承載力。一方面，樁側土的摩阻力參數基本不是通過單樁摩阻力試驗確定，而是根據有關規范推薦的取值范圍采用，由于地基土具有多變性、復雜性和地域性等特點，參數取值可能與實際情況相差甚遠，理論計算結果有可能與實際情況不符，造成樁基承載力不足；另一方面，在近些年實際應用中發現，對于某些特殊地質按舊《地基規范》(1985年版)計算的樁端處土的承載力容許值大出實測值較多，因此新《地基規范》對樁端持力層為砂土規定了樁端處土的承載力容許值的上限，樁端處土的性質已引起工程界的重視。而殘積土作為一種遇水會軟化且壓縮量較大的地層，其承載力容許值也具有較大的差異空間，理論取值有可能與實際情況存在較大差異，若作為樁端持力層有可能造成樁基承載力不足。
3 保證鉆孔灌注樁承載力的措施
基于上述分析，為避免樁基承載力不足，可采取以下有效預防措施。
(1)在設計上，應加強地質勘察工作，全面掌握地質情況，使設計計算的地層結構與實際吻合。地基土具有多變性、復雜性和地域性等特點，參數選用最好能通過試驗分析取得，注意樁端持力層性質，選用承載能力高的地層，對類似殘積粘性土土質，應充分考慮遇水軟化特性，樁側摩阻及樁端承載力應予一定折減。對于地層中出現較厚砂、卵礫石層，應充分考慮施工工藝造成的泥皮厚度對樁側摩阻力的影響，設計樁長應適當加長，滿足設計承載力要求。
(2)在施工上，應加強施工過程控制，嚴格按施工規范操作，根據掌握的地質情況，合理使用泥漿濃度，提高泥漿質量；控制成孔進尺速度和混凝土澆注時間；控制泥皮和沉渣厚度，嚴格按施工規范操作。
4 鉆孔灌注樁承載力不足的處治措施
對于樁基沉降量異常，承載力不足的情況應采取有效措施加固，滿足設計及運營要求。
4.1 加固方案
方案一。壓力注漿加固：樁側壓漿可以破壞、消除泥皮，充填樁側混凝土與樁側周圍土之間的粘結力，從而提高樁側摩阻力；樁底壓漿在樁下端形成擴大頭，擠壓樁底土層使周圍土層更密實，增加樁端及周圍土層側壓力，同時樁端土層密實向上傳遞反力，提高樁側摩阻力，且擴大承壓面積，使漿液向持力層滲透，改善了持力層性能，提高了樁底承載力。但該方案壓漿量難以估算，效果需通過試驗驗證。
方案二。鉆孔灌注樁抬樁加固：樁基承載力不足部分可通過計算，在病樁前后各增設一根樁，通過系梁將原樁基連成一體，以滿足設計要求。該方案樁基補強受施工工藝影響較大，需通過試驗驗證。
方案三。錨桿靜壓樁加固：因樁基承載力不足部分可通過計算得到，因此可以根據壓樁力確定錨桿靜
壓樁根數，在樁周增設錨桿靜壓樁，通過承臺將錨桿靜壓樁與原樁基連成一體，以滿足設計要求。該方案受力明確，樁身為預制樁，施工方便、快捷，壓樁力即為承載力，故無需通過靜載試驗驗證。 對于本文列舉的橋梁樁基加固，進行方案比選后認為：方案一采用注漿加固，施工控制較難，產生效果難以預測，樁基補強后是否滿足設計要求需通過靜載試驗驗證，對于墩柱已施工及上部梁已架設的情況，難度較大。方案二采用鉆孔灌注樁抬樁，因橋墩較矮及上部梁已架設，鉆孔樁施工空間受限，補強效果也需通過靜載試驗驗證，難度較大。方案三采用錨桿靜壓樁，因樁基承載力不足部分可通過計算得到，因此可以根據壓樁力確定錨桿靜壓樁根數，以滿足設計要求，且樁身為預制樁，施工方便、快捷，承載力即為測得的壓樁力，無需通過靜載試驗驗證。故推薦方案三錨桿靜壓樁加固方案。
4.2 錨桿靜壓樁加固設計要點
以本文列舉的橋梁為例，采用錨桿靜壓樁[4]，樁持力層為礫卵石層，按現有樁基能承受上部箱梁、蓋梁、柱、樁自重，滿足設計要求的樁基承載力不足部分由錨桿靜壓樁承擔，考慮安全系數一般取2。錨桿靜壓樁斷面采用300mm ×300mm ；以壓樁力為主，樁長為輔，每根壓樁力按1000kN ，通過計算1～5號墩基礎每樁承臺設8個樁位(見圖1、2),6～12號墩基礎每樁承臺設10個樁位，其中2根(陰影部分)為預留樁位
。
圖1
基礎承臺壓樁孔平面布置圖
圖2 基礎承臺壓樁孔剖面布置圖
4.3 加固效果
本例橋梁通過錨桿靜壓樁處理后，經多年通
車驗證，樁不再繼續沉降，滿足設計及運營要求。5 結論
(1)施工工藝是影響樁基承載力發揮的重要因素之一，對于地層中出現較厚砂、卵礫石層，在樁基施工中為防止塌孔，往往難以嚴格按施工規范操作，泥皮厚度超標，樁側摩阻力會大大降低，應加強施工控制，且在設計上樁長應有一定的安全度。 (2)基底持力層性質是影響樁基承載力發揮的另一重要因素，設計人員僅從巖土工程勘察報告提供的巖土物理、力學性質指標計算樁長是不夠的，應充分考慮到有些土層具有遇水土體易產生崩解、軟化的特性，被施工擾動后其工程地質性能也會因此而降低，故應選擇承載力較高，穩定性好的地層做為樁尖持力層，殘積土不宜做為樁尖持力層。
(3)實踐證明，錨桿靜壓樁具有受力明確，無需通過靜載試驗驗證，施工方便、快捷等特點，是一種行之有效、比較直觀的樁基補強方案，對類似工程具有較好的借鑒作用。
參考文獻
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通出版社,1999.
[2] J TJ 024—85公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北
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[4] Y BJ 227—91錨桿靜壓樁技術規程[S]1北京：冶金
工業部建筑研究總院,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 ud as t he subst rate bearing strat um after t he bored pile pasd 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
