桥梁工程中大直径钻孔灌注桩承载力

摘要：自20世纪90年代以来，公路交通建设进入了历史上最好最快的发展时期,按照交通部制订的长远建设规划，还需要修建一大批长大桥、跨海大桥。钻孔灌注桩基础具有承载能力大、稳定性好、沉降小等特点和适用复杂地层施工与水上作业、较强的嵌岩能力、桩长易控制等良好的适用性。本文分析了大直径钻孔灌注桩承载力的影响因素以及桥梁工程中单桩承载力的功能性准则，为今后桥梁工程大直径钻孔灌注桩的使用提供了可靠的依据。

关键词：桥梁工程 大直径钻孔 灌注桩 承载力

一、前言

在工程上，当桩的直径大于800mm的时候，统称为大直径桩。钻孔大直径桩是不需要挤土桩，这中类型的稳定性好、承载能力大、施工过程中振动和噪音小，对附近的建筑物影响小，近年来在工程建设中应用越来越多。但是，大直径灌注桩在纵向的承载力受诸多因素的影响，离散性大，可靠度不高，目前的理论研究仍不能提供合理的有效的评价指标，桩载能力的评价误给工程质量带来了安全隐患，或者造成了资源的浪费。由于桩受到几何尺寸、桩顶约束条件、桩身强度和地基土性等多个因素的影响，水平载荷的承载力性状比竖向载荷作用复杂。目前，在我国的设计规范中，采用m法、C法、K法等单一参数法，进行水平载荷作用下桩基的计算。由于地质条件复杂、计算模型简化，采用单一参数法计算水平载荷作用下的桩基偏差难度非常大，对于安全等级要求高的工程，通常采用原位测试法确定桩基的水平和竖直方向的承载力。

二、承载力影响因素

1、桩的几何特性

桩的承载力和桩的表面积成正比，为了提高桩的承载力，尽可能的选用表面积与桩身体积比大的几何外形的桩身，例如多支盘桩等。采用钻孔、挖扩、夯扩等扩底桩也是常用的，扩底桩可以提高总桩端的阻力。桩的长径比( L / D) 是影响总侧阻力和总端阻力的比值、桩端阻力的发挥程度和单桩承载力的主要因素之一。在相同的土层使用不同长径比的桩身，或者选用相同的材料但是桩径和桩长不同，单桩的承载能力则不同。

2、桩侧土液化对单桩承载力性状影响

多种因素影响到土层液化，土的性质是土层液化的内因，外因是振动，在打桩的过程中，桩周围的土层会受到不同程度的扰动，被扰动的桩周围土层中超孔隙水压力不断积累，土体间的有效应力逐渐减小直到丧失抗剪强度，发生液化，桩侧摩阻力趋向于0。土层液化后随着时间的增加，土层固结引起地面沉降，引起了负摩擦力的产生。上覆液化屠城中负摩阻力和液化土层中桩侧负摩阻力两者是负摩阻力的组成部分。负摩阻力最大情况下可达到非液化情况下桩侧摩阻力的50%以上，单桩承载力明显下降。液化土层位于桩身的下方，土层沉降产生的负摩阻力的中性点深度大于土层分布于上部的情况，这样单桩所受的下拉载荷增大，承载力的下降幅度变大。液化土层中单桩承载力性状会产生明显的时间效应。由于桩周围的土体受到扰动，土体强度降低，由于土本身具有触变作用，其使损失的强度随着时间的变化慢慢恢复，超孔隙水压力也逐渐消散，桩侧土在受到自身重力和沉桩扩张力的作用发生固结，超孔压慢慢消失，土层的有效应力和密实度逐渐增强，强度也慢慢恢复，甚至会超过原来的初始强度，随之，桩侧摩阻力也提高；桩侧土的重新分区使得摩擦桩的承载表面积也相应增大, 由此导致桩侧摩阻力随时间增长的特性也更为显著,单桩极限承载力逐步回升。桩周围的土层在打桩时受到扰动，当施工完成后土层恢复的比较快，单桩竖向极限承载力开始增长速度明显，一段时间后开始变慢，慢慢增长一段时间后，就基本稳定于一个极限值。

3、桩端土性质

桩端部受力层土的性质和类别直接影响桩端阻力的大小和沉降量的大小。如果桩端土层主要成分是砂、砾、岩层等高强度的材料，则具有较大的阻力，尤其是桩端进入沙、砾层中的挤土桩，可获得很高的端阻力。但是如果是易压缩、低强度的软土，则不能承受桩端阻力，很快使桩开始发生下沉。

4、桩底沉渣的影响

打孔过程中，发生的应力释放和产生的振动将改变原有土层的内部结构，使得土层变得松散，这就影响到土层承载力，但是在开始设计时，计算分析是以原土层的力学性质为依据的。根据目前施工技术，桩底存在沉渣是不可避免的，桩底沉渣将影响桩端阻力并且对桩会产生破坏作用，桩底沉渣也降低桩身下不桩侧土层的摩阻力，使得桩侧土层摩阻力发挥所需的桩土相对位移加大。

5、钻孔灌注桩中泥浆壁对桩承载力的影响

灌注桩是由泥浆护壁成孔完成的，泥浆对桩身长时间浸泡，则改变了桩身原有土层的物理结构，同时在成桩后会在桩与周围的土层之间沉积厚达10米到是20米的软弱泥皮，软弱泥皮的存在会大大降低桩周围的摩阻力，直接影响桩土接触面，产生较大的负面影响。

6、成孔时间的影响

灌注桩也是非挤土桩，成孔时间越长，孔壁土体应力释放的越多，孔壁就越松弛，一定时间就向临空面位移变形，长时间泥浆浸泡，孔壁土体软化，渐渐出现软层泥皮，沉渣厚度随着时间的延长而增大。

7、孔壁形状的影响

形状光滑、平直的桩孔，注入的混凝土与桩侧周围的土结合作用力小，接触面受泥皮厚度影响大，桩土间易发生剪切滑移，影响桩侧土侧租的发挥。相反，孔壁粗糙，形状弯曲的桩孔，混凝土与桩侧周围的土结合较好，接触面受泥皮厚度的影响小，抗剪性能较好。在施工过程中，影响孔壁的因素主要有施工工艺、钻头的类型、钻具的稳定性以及钻进速度等。

8、桩侧土的性质与土层分布

桩侧周围土层的强度和性质直接影响桩侧阻力的发挥，从而影响单桩承载力的大小和形状。桩侧土的特性直接影响桩侧阻力大小，比如土层的湿现性、膨胀性、可液化性、欠固结性等，这些特性的大小影响了侧阻力的发挥，在一定条件下发生变化时，会使桩侧阻力减小，甚至出现负的摩阻力，这就使得单桩承载力下降。桩侧土层的分布情况不仅影响侧阻力对桩身的影响，而且关系到单桩的承载力。如果桩身下方土层出现湿陷性土、可液化土、欠固结土层，则会引起桩身下沉，并产生负摩阻力的中性点深度大于这些土层分布于桩身上部的情况，单桩所受下拉的载荷就会增加，承载力迅速下降。另外。软硬土层、黏性土与非黏性土层的分布情况也会不同程度的影响侧阻力的发挥。

9、成桩效应

根据成桩工艺的不同可以分为挤土桩、非挤土桩、部分挤土桩三大类，这三类的承载力也不同，随着时间的变化，饱和土的成桩效应大于非饱和土的成桩效应，多桩大于单桩。成桩工艺的质量稳定性也是不同的，成桩质量也直接影响桩的承载力。

10、后压浆对承载力的影响

为了提高桩的承载力，扩大桩端，使浆液通过渗透、填充、压密和胶结等作用，把桩底部的沉渣和桩侧的泥皮固结，从而增大桩底和桩周围的强度，这一过程的泥浆叫做后压浆，泥浆水灰比0. 5~0. 7 的素水泥浆，通过后压浆装置来向桩端、桩侧竹茹。使用后压浆可以使桩的承载力提高一倍，沉降率降低75%。

三、桥梁工程中单桩承载力的功能性准则

在许多规范中明确规定了桩基础的功能性准则，桩基础的功能性准则的定义是桩基础变形必须保证上部结构在不增加其结构功能的前提下正常使用。在工程使用过程中，不同结构适应变形的能力不同，因此在设计时必须考虑结构与基础相协调。不同的工程，上部结构的规模、重要性对下部基础变形的敏感程度不相同，这就表明了对基础的允许变形提出通用的准则是不现实的。从而，桩基的“功能性”与其结构和桩基在使用期间沉降变形历时规律密切相关，基础沉降中的不均匀沉降导致上部结构可预知的危险性, 这就使得桩基承载力的“功能性准则”问题变得的更加复杂。可以通过载荷试验获得桩基础在工作载荷条件下的沉降情况。当需要者一参数时，可以建立在转移曲线、边界有限元、有限单元法、基础上的理论计算得出，是十分有效的。计算单桩的沉降是确定桩基础沉降的基础，目前正在进行研究和完善。

LDBP s 桩功能性准则的验算对单桩承载力计算具有可靠的性能。当桩的直径d大时，相对长度L/d长，桩土系统(外部稳定性) 提供的单桩承载力发挥需要相当大沉降, 尤其是以桩端承载力为主的LDBP s。在桥梁工程中，同城考虑桩基础沉降范围在8mm到10mm，不考虑功能性准则的稳定问题。现分析摩擦型桩：当允许承载力采用安全系数大于2.5时，对应的工作载荷桩基础沉降会小于10mm，不需要考虑功能性准则；当桩基础沉降大于20mm是，通常认为桥梁上不结构不允许此情况，则功能性准则实效；当桩基础沉降在10mm到20mm之间时，结构功能性准则根据进一步的上、下部结构的变形作用分析其稳定与否。

四、总结

随着我国高速公路、高速铁路和大跨、高层建筑的发展，上部结构对基础的承载力要求越来越高。大直径桩不但具有很高的承载力和较小的变形，而且还具有使用灵活、计算简洁、施工方便、节省材料等优点，因而被工程上日益广泛地采用为首选的深基础型式。 由于大直径桩的承载力很高,因而对大直径桩的现场试验研究受到诸多限制，基于国内外关于大直径桩问题的研究现状,在综合分析的基础上，总结了大直径钻孔灌注桩承载力的影响因素以及桥梁工程中单桩承载力的功能性准则，具有较好的实用性和可靠性。

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