钻孔灌注桩竖向承载力影响因素

陈智勇，陶旭光，时闽生

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

在桥梁建设中，由于钻孔灌注桩适应能力强、成本适中、施工简便等优势而被广泛应用。但灌注桩基础属于隐蔽工程，大部分为湿法作业需在水下进行，影响灌注桩施工质量的因素很多，质量检查也比较困难。因此，遇到灌注桩承载力不满足设计要求时，需要认真谨慎地分析各方面的原因，以便纠正施工薄弱环节，不断推动技术革新。

1 工程概述

境外某跨海大桥设计全长24 km，整个主桥和引桥区段采用钢管桩、PHC管桩和钻孔灌注桩3种桩基型式。

在主桥墩和一侧引桥的浅滩区域拟采用钻孔灌注桩，并分别进行了钻孔桩的试桩。首先，在主桥墩进行钻孔桩试桩，桩径2 300/2 000 mm，桩长为进入泥面约113 m，嵌入中等风化基岩4 m，采用自平衡试验方法，主要测算钻孔桩的侧壁摩阻力。测试结果为桩侧摩阻力值不理想，远远不能满足设计要求。试验之前对试桩完整性进行了检测，为I级桩。

此后，在引桥区陆域的钻孔灌注桩试桩上进行了静载荷试验，桩径1 800/1 500 mm，桩长为进入地面（标高约+1.0 m） 以下约90 m，桩端以页岩强风化层为持力层。试验结果表明，试桩在设计荷载下沉降较大，不能满足要求。具体为：在加载至使用荷载时，桩顶沉降量达到25.45 mm，其中桩底沉降量为14.75 mm，桩身压缩量为10.7 mm，大于设计要求的12.5+10.7（桩身压缩） mm；在加载至2倍使用荷载时，桩顶沉降量达到81.42 mm，其中桩底沉降量为59.78 mm，桩身压缩量为21.64 mm，大于设计要求的38.0+21.64（桩身压缩） mm。试桩的Q-s曲线见图1所示。由预埋在桩内的基康振弦应变计测得的摩阻力值在约50 m以上土层中远小于勘察报告提供的设计参数推荐值，而50 m以下土层中该值与推荐值比较接近，具体见表1所示。

通过初步分析，对钻孔灌注桩竖向承载力不足的影响因素，可能存在以下几种情况：

1） 钻孔灌注桩质量控制不好，造成桩体有缩径、断层、夹泥等严重缺陷。

2） 勘察报告提供的地基土的桩基设计参数推荐值是否偏高，造成设计计算的单桩极限承载力值偏高。

3） 上部土体较灵敏，钻孔桩成孔时土体向桩孔方向应力释放较多，试桩时桩侧土应力与成孔前相比差异较大，导致侧摩阻力降低。

4） 桩侧壁与地基土之间泥浆沉积浸润，导致桩土接触面泥皮较厚，限制了土体摩擦力的发挥。

表1 钻孔桩试桩实测摩阻力值一览表

5） 桩底沉渣较厚，导致桩端不能承受来自上部桩身传递的作用力。

6） 桩端部持力层为强风化层，原位钻孔显示岩石粉末较多，在成桩过程中吸取泥浆中的大量水分，造成持力层饱水软化，桩端压实过程导致总沉降过大。

2 影响因素分析

2.1 桩体质量

在桩体浇筑完成18 d以后，检测单位对桩体完整性进行了超声波跨孔检测。检测是在预埋的4根50.8 mm（2英寸）铁管中进行的，主要评价钻孔桩的完整程度。检测结果显示：该钻孔桩完整性等级为I～II级，在40.3～42.6 m处由于检测波能量衰减，可能存在轻微缺陷，为II级，其余深度处为I级。根据工程经验，II级桩虽有轻微缺陷存在，但不影响桩身结构承载力。I、II级分布情况见图2。

根据超声波检测结果可以判定，本案例中的钻孔桩桩体轻微缺陷影响不大，且桩端部混凝土质量较好，沉渣不明显，证明桩身质量不是造成承载力不足的原因。桩的垂直度在成孔后也进行过量测，表明桩垂直度满足要求。

2.2 地层资料

通过对比表1中钻孔桩侧摩阻力的设计推荐值和实测值，发现在浅部52.0 m以上的地基土层中两者差异较大，尤其是23.5～52.0 m深度范围，而在52.0 m以下则相对比较接近。但整体表现为实测值比推荐值小。

该工程陆续进行了钢管桩、PHC管桩的试桩，其中钢管桩的桩径为1 600 mm，桩长为进入泥面76 m，PHC管桩的桩径1.0 m，桩长为进入泥面56.0 m。两组试桩的竖向承载力均满足设计要求，实测侧摩阻力值分别见表2、表3。

通过对比表1、2、3中地层性质和实测数据，发现在钻孔桩中浅部土层几乎没有发挥作用，而在类似地基土发育规律的预制桩桩型条件下，浅部地基土层均能提供较高的摩阻力，PHC管桩表现尤为明显，说明地基土本身的承载能力没有问题，根据地层资料提供的桩基设计参数推荐值是可靠的。

表2 钢管桩试桩实测摩阻力值一览表

表3 PHC管桩试桩实测摩阻力值一览表

2.3 土的应力释放

同样的地质条件下，在钻孔桩和预制桩中侧摩阻力如此大的差异，是极其不正常的。考虑到不同桩型的成（沉）桩机理，分析认为钻孔桩施工过程中土的应力释放程度会对竖向承载力造成一定的影响。因为预制桩是挤土桩，沉桩后，经过一段时间的孔隙水压力消散，桩周土体的密度是在增加的，长期来看，土体性质是增强的。而钻孔桩是非挤土桩，在成孔过程中，周围土体因应力释放向桩孔中心移动，桩周土体的密度是减小的，虽然长期来看，土体性质会因时效作用逐渐恢复，但恢复后的土体性质与原始土体相比仍会有一些差异。

文献 [3-4]对软土中不同桩型竖向承载力进行了时效性的分析，论证了时间效应对竖向承载力的影响，但同时也指出对于钻孔桩，不宜扩大桩竖向承载力的时效作用。笔者比较认同此观点，不但表现在饱和软土层中，在砂土层也是如此。因为钻孔桩虽然在时间效应下，土体性质逐渐恢复，但是成孔后变疏松的土体并没有受到来自桩体的挤压作用，土颗粒排列程度在自重应力作用下重新完成固结过程，不可能完全恢复甚至超越原土体的性质。所以土体性质会比原始土体略差，具体的差异程度可以通过静力触探试验或标准贯入试验等原位测试手段进一步验证。

因此，钻孔桩的施工应重视土的应力释放对桩侧摩阻力的影响。土的应力释放跟成孔的时间和清孔方式有较大关系。成孔时间越长，土体向桩孔移动时间也越长，直至达到临界平衡状态；清孔时反循环的抽吸作用又促进了土的应力释放程度。本案例中的钻孔桩成孔持续8 d时间以及反循环的清孔方式均为不利因素。

2.4 桩侧光滑度

泥浆在钻孔桩成孔过程中主要起到搬运渣土、保护孔壁稳定等重要作用，在粗颗粒土层中尤为重要。在试桩位置23.5 m以上为细粒土，下部土层逐渐夹中粗砂，在40.5 m以下为较纯的中粗砂层，含少量的砾石颗粒，黏粒含量较少，在成孔过程中必须对泥浆浓度严格控制，丝毫不能马虎，以防塌孔。然而，泥浆浓度过厚，会造成孔壁形成较厚的泥皮，使桩体和土体分离，并起到润滑的作用，从而限制了桩侧土层摩阻力的发挥。泥浆维持时间越久，泥皮的形成也会越牢固，引桥钻孔桩成孔时间持续8 d，而主桥钻孔桩则时间更长，约两周。

文献 [5]中某工程4根试桩，φ1 000 mm，桩长62 m，设计标准值5 500 kN。清渣后实测的S1、S2、S3、S4桩泥浆比重分别为1.25、1.23、1.13、1.15，静载荷试验得到的单桩极限承载力值分别为4 000、7 000、≥11 000、≥11 000 kN。在地下室开挖时，可以看到其中S1、S2桩桩侧被一层厚度较大的泥皮所包裹，而S3、S4桩桩身混凝土与桩周土体接触较好。证实了泥浆比重大，必将使泥皮厚度增大，影响桩侧土层摩阻力的正常发挥。

为了验证钻孔桩试桩桩侧是否存在较厚的泥皮，曾对主桥墩钻孔桩试桩侧壁采用全芯取样的方式进行了泥皮采集。根据采集到的一些样本，由泥浆固结形成的泥皮形态明显，个别较厚的达10 mm。因此认为，本工程中钻孔桩试桩桩侧泥皮过厚可能是造成试桩竖向承载力不足的主要原因之一。

文献 [6]中提到钻孔的孔壁形状应有一些变化，成锯齿形，应避免钻孔过于平直、光滑，倾向于钻进过程有些晃动的钻机，此说法也不无道理，目的同样是为了能使钻孔桩侧壁光滑度降低，使桩侧土体摩阻力能得到更好发挥。

总之，泥皮过厚、侧壁太平整的情况下，会使钻孔桩侧壁阻力大打折扣，从而影响单桩竖向承载力。

2.5 桩底沉渣

该钻孔桩设计时主要靠侧壁摩阻力提供承载能力，当桩侧阻力不足时，桩端持力层也能发挥一定的承载作用。因此，如果桩底存在沉渣必然影响桩的极限承载力和沉降。该桩分别在成孔后和浇筑前进行了2次空压机导管反循环清孔，反循环工艺清孔效果一般都比较理想；另一方面，根据超声波跨孔检测的图形观察，未见明显的桩底缺陷；而且，在试验静载过程中较早阶段就检测到了端部力。以上都说明了桩底混凝土结构较完整，印证了端部没有严重的沉渣影响。

2.6 强风化页岩饱水软化

引桥根部的钻孔桩的桩端持力层为页岩强风化层，该层工程地质特征为：极坚硬，原岩沿节理裂隙面风化严重，岩芯采取率低（取芯管采用较先进的NMLC型号单动三重管），一般不足40%，芯样多呈碎块状，少量为短柱状，标准贯入试验击数则远大于50击。

实际观察钻孔取芯得到的岩石土体样本，桩端部持力层位置的强风化特征非常明显，且存在大量的岩石粉末和岩石颗粒。因为该灌注桩为泥浆护壁湿法作业，在钻头研磨该层土体时，会导致该层结构饱水，进而出现持力层软化现象。因为桩端部缺乏嵌固，才导致在土体侧阻力不足的情况下，沉降过大。

观察试桩的Q-s曲线（见图1），发现沉降曲线明显为缓变型曲线，且未出现明显的破坏点，只是随着桩端位移的进一步增大实测到端部阻力也不断增大。说明只要端部软化岩层被压实就会有更高的端阻力出现，但此时桩体沉降量已超过规范要求。

以往经验在设计端承灌注桩时，一般端部持力层都不会选用页岩强风化层，而是选取下部岩层或密实砂层，正是基于这一方面的考虑。页岩为力学强度相对较低的软质岩石，这类岩石出露地表易风化，常出现膨胀、泡水易软化的现象，软化系数0.26～0.5，饱和抗压强度0.14～1.2 MPa，其中石膏、盐岩长期在地下水溶蚀作用下易产生溶洞或溶沟。若选择这些岩石作为地基持力层，则建筑物易产生工程基础滑移、不均匀变形，山体及工程建设场地边坡沿软弱面产生滑坡等地质灾害，因而这类岩层对工程建设不利。

3 结语

本工程中对钻孔桩竖向承载力的主要影响因素为：土的应力释放程度、孔壁光滑程度（包括孔壁的铅直度和泥皮厚度）以及持力层性能等。因岩土复杂性和钻孔桩施工隐蔽性的特点，施工中稍有疏忽，便会出现各种不确定的

因素。现有的工程经验中也有很多避免或解决此类问题的方法，但控制不当往往会出现此消彼长的情况。因此，钻孔桩尤其是超长大直径桩对施工技术要求和施工过程的控制至关重要，以保证钻孔桩有足够的承载能力，否则，只能通过增加桩长或桩数等方式才能达到设计要求，增加了费用的同时又加大了风险。因此，如何权衡工程安全、施工难度、工程成本、施工速度等因素，以及对桩型进行最优化是一门值得深入研究的学问。

[1]JGJ94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[2] 张宏，夏伟，陈定平.超长钻孔灌注桩成孔质量检测与验算[J].公路与汽运，2009（4）：195-198.

[3] 陈兰云，陈云敏，张卫民.饱和软土中钻孔灌注桩竖向承载力时效分析[J].岩土力学，2006（3）：471-474.

[4] 叶为民，黄甫，唐益群，等.饱和软土中打入式预制桩单桩承载力的时效性[J].岩土力学，2000，21（4）：367-369.

[5] 董金荣，郑朝辉.超长大直径钻孔灌注桩检测[M]//桩基工程设计与施工技术.北京：中国建材工业出版社，1994：216-221.

[6] 楼晓明，陈强华，俞有炜，等.钻孔灌注桩承载力异常现象分析[J].岩土工程学报，2001（5）：547-551.