桩基承载力不足的影响因素及防治措施
杨友梅
【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.
【期刊名称】《交通科技》
【年(卷),期】2010(000)001
【总页数】4页(P13-16)
【关键词】钻孔桩;承载力;锚杆静压桩
【作 者】杨友梅
【作者单位】福建省交通规划设计院,福州,350004
【正文语种】中 文
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-20、挂-120,下部构造为双柱式墩,直径 1.2、1.4 m,钻孔灌注桩基础直径1.2、1.5 m。桥址地层结构至上而下为:淤泥、泥质中细砂、含泥卵石层、残积砂粘土、强风化花岗岩、弱 风化花岗岩。1～12号墩基底持力层为残积砂粘土,其余墩台基底持力层为强风化花岗岩或弱风化花岗岩。
1.2 病害情况
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1～2 cm,其中8～10号墩下沉量较大,右幅9号墩最大沉降达7.7 cm,其余墩台支座沉降在0.3 cm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0.46 cm,已发生最大施工荷载下沉降量理论值为0.27 cm。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0.27 cm,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4329 kN,桩入土计算长度为26 m,实际采用27 m,设计桩侧极限承载力为8391 kN,桩端持力层残积砂粘土极限承载力为1192 kN,设计桩长满足桩
基承载力要求[2],并对沉降较大的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2674 kN,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2～3 mm,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10 m,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12 kPa,27 m桩长桩侧极限承载力则降为1620 kN,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1650 kN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596～834 kN,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27 m,因桩端持力层强风化花岗岩极限承载力为2115 kN,大于传至桩端的荷载,因此未发生沉降异常。
