冲击成孔灌注桩桩侧摩阻力取值初探

钟龙辉

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008)



冲击成孔灌注桩桩侧摩阻力取值初探

钟龙辉

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008)

摘要：冲击成孔灌注桩在工程建设中已越来越广泛应用。针对目前《公路桥涵施工技术规范》对冲击成孔灌注桩的侧摩阻力取值的不完善性，通过对某试桩静载试验的试验结果分析进行说明，论述了护壁泥浆与施工工艺对该类型桩的桩基承载性能的影响。同时针对冲击成孔工艺对地质条件的影响，对该静载试验进行了数值模拟分析，结果表明，冲击成孔工艺改变了岩层与桩身的摩擦系数，进而影响到桩基的侧摩阻力分布。最后，综合考虑冲击成孔与泥浆护壁两方面的因素，对《公路桥涵施工技术规范》中冲击成孔灌注桩桩土侧阻力标准值q(ik)的取值提出建议。

关键词：灌注桩； 侧摩阻力； 泥皮； 时间效应； 冲击成孔

0引言

冲击成孔灌注桩，一般采用冲击式钻机或者卷扬机悬吊冲击钻头对地层进行上下往复冲击，利用冲击力破碎硬质土或岩层，同时利用泥浆循环带出碎渣并护壁继而成孔。该工艺不受地下水位高低、周边环境、气候条件等因素的限制，具有设备构造简单，适用范围广，所成孔壁坚实、稳定，坍孔少等优点，在工程建设中得到了广泛的应用，特别是随着工程建设的高速发展，大口径、超长桩以及山区桥梁桩越来越多，冲击成孔灌注桩越来越成为各建筑物桩基础施工的主要形式。

但是在对冲击成孔灌注桩的设计中，对其单桩承载力的计算中，各规范的说明与专门论述并不是很完善，特别是在进行桥涵设计时由于规范上的不完善，会出现设计缺乏规范支撑依据或引用数据错误、套用公式错误等问题，使得工程从设计开始就存在安全隐患。

针对上述问题，本文以某公路桥梁试桩静载荷实验为例，运用现场监测和数值模拟等手段，考虑护壁泥浆与施工工艺的影响，对冲击式成孔灌注桩的桩基承载性能进行了分析研究，以期为类似工程的设计提供参考。

1静载荷实验结果分析

1.1工程概况及工程地质条件

京港澳国家高速公路长沙连接线第一标段浏阳河大桥，位于长沙市四方坪立交至星沙收费站三一大道上，桥位横跨浏阳河。场地桩长范围内所揭示的岩土层自上而下为： 填土层厚为5.8 m，粉土层厚2.4 m，圆砾层厚2.7 m，强风化碎裂状板岩层厚2.1 m，中风化碎裂状板岩，最大揭示厚度 15 m。地下水位在-0.5 m左右。场地各层土的物理力学性指标采用室内土工试验并结合现场原位测试方法确定，如表1所示。

1.2试验方法

试验采用堆载法，对该试验桩进行单桩竖向抗压静载实验，以检测该桩的竖向抗压承载力以及桩侧岩土的分层侧摩阻力。试验荷载按《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50 — 2011附录B规定[1]，本试验荷载分级为10级，每级580 kN，第1级加载量为2级，每级卸载量按2级加载量控制。如表2。

试验桩为泥浆护壁钻孔灌注桩，桩身混凝土设计强度为C30，设计直径d=0.8 m，埋深19.00 m，进入到中风化板岩层。采用钢弦式钢筋应力计进行检测，埋设于桩身内不同深度界面上，通过所采集到的桩身混凝土应变与钢筋应变计算桩身不同深度界面上的轴力，进而推算出两测试界面之间侧阻之和，从而求得桩侧不同图层的极限摩阻以及桩侧摩阻力的分布和大小，桩端阻力则通过埋设于桩底的钢筋计试验结果乘以桩端面积得到。

表1 岩土层物理力学参数岩土名称基底摩擦系数μ抗剪强度标准值φ/(°)C/kPa钻孔桩桩侧摩阻力标准值qik/kPa岩石单轴抗剪强度标准值frk/MPa地基承载力基本容许值fao/kPa人工填土松散,未完成自重固结粉土30130圆砾0.43390280强风化碎裂状板岩0.45130400中风化碎裂状板岩0.524061200

表2 基桩静载试验荷载一览表设计承载力/kN试验最大荷载/kN分级加载荷载(kN)下的沉降量/mm2级3级4级5级6级7级8级9级10级11级11601740232029003480406046405220580063802900638000.30.510.831.231.672.142.643.193.78

1.3结果分析

加载后的Q—S曲线图如图1所示，属缓变型。

图1　试验荷载-位移曲线图

每加载一步，则可以获得混凝土应变计应变值，根据埋深的钢筋计的应力数据，则可计算出各截面的轴力：

(1)

式中：Qi为第i界面轴力；εh为混凝土的应变;σg为钢筋的应力；Eh、Eg为钢筋和混凝土的弹性模量；Ah、Ag为截面钢筋和混凝土截面积。

从图2中可以看出，桩的桩顶竖向荷载大部分都由桩侧摩阻力承担，桩端只承担了小部分。各分层岩土体的平均桩侧摩阻力qsi可由下式计算：

(2)

图2　桩身轴力随深度变化

所测量的填土的桩侧摩阻力qsi为39.176 kPa，粉土qsi为118.36 kPa，圆砾qsi为126.226 kPa，强风化板岩桩qsi为178.57 kPa，中风化板岩qsi为140.117 kPa。其中填土、强风化板岩、中风化板岩的桩侧摩阻力未达到极限值，因此这3层岩土的极限摩阻力应可能大于测量值。

除中风化板岩外，本次试验所测量的桩侧摩阻力均大于设计方的建议值。从结果上可以看出，以《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50 — 2011计算出的桩土侧阻力标准值应考虑一定的影响因素进行优化。

2护壁泥浆对桩承载力的影响

护壁泥浆主要由水、膨润土(或粘土)和添加剂等组成，主要作用有3种： 保护孔壁稳定、排除钻渣以及清孔，由于泥浆比重大于水的比重，因此泥浆和土层的孔隙水间存在一个压力差，从而产生渗透作用，在渗透力的作用下，泥浆中的微小颗粒随着泥浆中水的流动不断的向孔周凝聚，此外，桩周土中的离子和泥浆中的粘土颗粒的离子相互吸引发生化学反应，也使泥浆粘土颗粒向孔壁周围集聚，从而在孔壁形成一层泥皮，阻止孔内外的渗流，加固孔壁和防止坍塌，并稳定孔内水位，同时带出岩土碎屑、冷却和润滑钻头[2]。

2.1对桩端承载力的影响

泥浆的一个重要作用就是桩底清孔，防止砂粒在孔中沉淀超过设计规定的厚度，如果泥浆不能将孔中的钻渣清理干净，孔底会有过多的沉淀，形成软垫层，降低桩端承载力，增加沉降。

2.2对桩侧承载力的影响

随着钻孔的加深和循环时间的延长，泥皮也在不断地加厚，泥皮具有渗透能力差、止水性能好、抗剪强度低的特点，会直接影响混凝土与桩侧土的结合，从而降低桩侧摩阻力，泥皮愈厚，降低程度越大。

桩侧土极限摩阻力τmax值的大小，泥浆因素的影响主要表现在孔壁泥皮厚度上，在孔内钻进时回孔泥浆质量好坏是影响泥皮厚度的关键[3]。

《公路桥涵施工技术规范》中所表明的泥浆性能(钻进过程中)：粘度25～28 Pa·s，胶体率96%，失水量≤18 mL/30 min和泥皮厚度≤2 mm等指标，对于大直径桩均偏低，不能满足高质量钻孔桩的要求。国外某规范对钻孔灌注桩泥浆性能指标(钻进过程中)如下：粘度(T)(粘土页岩≤21 s、粉细砂≤27 s、粗砂砾砂≤35 s)，失水量小(≤10 mL/30 min)和泥皮薄(≤1 mm/30 min)，从护筒下开始钻进至桩水下混凝土灌注结束，在3 d(72 h)以内为宜，否则孔壁泥皮会随时间而变厚，降低桩侧极限摩阻力τmax值。除泥浆本身质量外，根据研究，所形成的泥皮性状对单桩承载性状影响表现在以下几个方面：

1) 泥皮桩的Q—S曲线中的线性段缩短，拐点提前，侧摩阻力损失加大，承载力降低。

2) 泥皮厚度对单桩承载性状的影响较大，泥皮厚度越大，泥皮桩的线性段越短，拐点较正常桩提前越多。泥皮厚度越大，侧摩阻发挥的越早，极限侧摩阻越小，且总摩阻力损失越多；接触面法向应力也沿深度线性增长，且加载过程中保持不变，泥皮越厚，直线的斜率越大，接触面所受的挤压作用越大；相同荷载下，泥皮厚度越大，轴力越大，且不同泥皮厚度的各桩随着荷载的增加差距变大。

3) 泥皮摩擦角直接影响接触面的极限摩阻力，泥皮摩擦角越小，Q—S曲线的拐点提前越多，导致侧阻在较小的荷载下就达到极限。

4) 桩土接触面的摩擦系数主要影响接触面极限摩阻力的大小：摩擦系数越大，桩土相对滑移越困难，其摩阻力发挥越滞后，其极限摩阻力越大[4]。

3护壁泥浆对桩承载力的时间效应影响

以上是从泥皮本身的物理力学性质上对桩的单桩承载性能进行的分析，而在实际工程中，由于泥浆在护壁后，残留在孔内，由于时间效应的影响，从而影响桩的侧摩阻力，进而影响桩的承载力。

3.1水泥土搅拌法中桩承载力的时间效应

《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79 — 2002)水泥土搅拌法：第11.1.5条及其条文说明，水泥土的强度随龄期的增长而增大，在龄期超过28 d后，强度仍有明显增长。不同龄期的水泥土抗压强度间关系大致呈线性关系：

fcu7=(0.47～0.63)fcu28；

fcu14=(0.62～0.80)fcu28；

fcu60=(1.15～1.46)fcu28；

fcu90=(1.43～1.80)fcu28；

fcu90=(2.37～3.73)fcu7；

fcu90=(1.73～2.82)fcu14。

对竖向承载力的水泥土强度宜取90 d龄期试块的立方体抗压强度平均值。

由此推断，冲击成孔时用于护壁的泥浆膜，在灌注混凝土过程中，泥浆膜与混凝土中水泥(含砂)将混合在一起，类似如水泥土搅拌桩加固体，其强度与时间的关系应与水泥土搅拌法中水泥土的强度与时间的关系相似。同理，泥浆护壁的灌注桩的侧摩擦力的发挥在一定程度上与成桩后的时间有关，成桩后90 d其护壁的泥浆强度达到要求[5]。

通过浏阳河大桥22号试桩的静载试验，研究了湿作业成孔钻孔灌注桩的时间效应。该工程运用了桩端后压浆技术，为研究压浆前后桩的承载性能的变化，试验采用了自平衡方法，在桩身设置了双荷载箱，并分别在压浆前后进行了试验。

该桩的上段桩不受桩端后压浆的影响，对比该桩的上段桩在不同时间的试验结果，其极限承载力和刚度随时间增长，证实了湿作业成孔的钻孔灌注桩存在时间效应。湿作业成孔钻孔灌注桩的时间效应的机理复杂，分析表明，其受桩周应力场变化、桩周土体性质、泥皮变化和桩底沉渣性质等多种因素的影响。

3.2各检测规范中桩承载力的时间效应论述

《基桩静载试验自平衡法》(JT/T738 — 2009)[6]附录A：检测开始时间应符合下列规定：

1) 混凝土强度达到设计强度的70%以上或按该强度算得的桩身承载力大于单向最大加载值的1.5倍；

2) 检验前土体的休止时间达到： 砂土7 d，粉土10 d，非饱和粘土15 d，饱和粘土25 d。

《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)[7]第3.2.6条：检测开始时间应符合下列规定：

1) 当采用低应变法或声波透射法检测时，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15 MPa；

2) 当采用钻芯法检测时，受检桩的混凝土龄期达到28 d或预留同条件养护试块强度达到设计强度；

3) 承载力检测前的休止时间除应达到本条第2款规定的混凝土强度外，当无成熟的地区经验时，尚不应少于规定时间(详见相应规定)。

《建筑基桩检测技术规范》第3.2.6条条文说明中写到：桩在施工过程中不可避免地扰动桩周土，降低土体强度，引起桩的承载力下降，以高灵敏度饱和粘性土中的摩擦桩最明显。随着休止时间增加，土体重新固结，土体强度逐渐恢复提高，桩的承载力也逐渐增加。成桩后桩的承载力随时间而变化的现象称为桩的承载力时间(歇后)效应。我国软土地区这种效应尤为突出。研究资料表明，时间效应可使桩的承载力比初始值增长40%～400%。其变化规律一般是初期增长速度较快，随后渐慢，待达到一定时间后趋于相对稳定，其增长的快慢和幅度与土性和类别有关。

3.3对冲击成孔工艺(泥浆护壁)桩承载力检测时间建议

综合考虑以上论述，在对冲击成孔工艺(泥浆护壁)桩承载力检测时，建议承载力检测前的休止时间(养护时间)应大于30 d，宜为45～60 d，这样能相对降低护壁泥浆及冲击成孔工艺对桩承载力时间效应部分的影响。

4冲击成孔工艺对桩承载力的影响

冲击成孔(泥浆护壁)钻孔桩，因成孔过程的冲击力，对原地质条件产生了影响：

1) 较松散的地层，如稍至中密的砂、砾、圆砾或卵石类土，是否会因冲击而变成中密或密实，现条件无准确的实试数据说明。

2) 较密实的地层，如中密至密实的砂、砾、圆砾或卵石类土，是否会因冲击而变成中密或稍密，现条件也无准确的实试数据说明。

因原地质条件产生了不确定的变化，其桩侧阻力标准值qik的取值也变得难确定，因此规范中缺少冲击成孔桩桩侧阻力标准值qik选用值，同时，冲击成孔钻孔桩，因在成孔过程中反复冲击，使桩孔壁变得光滑所产生侧摩擦力降低的影响应予考虑。

4.1《桥涵规范》中钻孔桩桩侧土摩阻力标准值qik的缺项

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50 — 2011)中桩承载力计算公式对摩擦力为主的桩型而言，该规范第5.3.3条为摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值[Ra]，按下式计算：

(3)

对端承力为主的桩型而言，该规范第5.3.4条为支承在基岩或嵌入基岩内的钻(挖)孔桩、沉桩的单桩轴向受压承载力容许值[Ra]，按下式计算：

(4)

从中可知，上述《桥涵规范》中桩承载力的两个计算公式中，均未明确表示包括冲击成孔(泥浆护壁)灌注桩。两个公式均说明：qik为桩侧第i层土的侧阻力标准值，kPa，宜采用单桩摩阻力试验值，当无试验条件时，对于钻(挖)孔桩按规范中的表5.3.3-1选用，对于沉桩按规范中的表5.3.3-4选用，但是对于冲击成孔桩(泥浆护壁)，规范中没有明确的桩侧阻力标准值qik选用值。

且全风化、强风化岩石的侧土摩阻力标准值也有所缺失，在《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50 — 2011)第5.3.4条条文说明中解释为：对于桩端置于强风化岩中嵌岩桩，由于强风化岩不能取样成型，其强度不能通过单轴抗压强度试验确定，这类强风化嵌岩段极限承载力参数标准值可根据岩体的风化程度按砂土、碎石类土取值，按摩擦桩计算。因岩石有软质岩与硬质岩之分，其取值因人而异变数较大。

4.2冲击成孔灌注桩嵌岩段桩侧承载力公式计算的缺陷

上式(3)中单桩轴向受压承载力容许值[Ra]的计算，就护壁泥浆侧承载力的影响无说明，即可理解为可不予考虑，但对端承载力的影响给予了说明，表现在清底系数m0上(详见相应规定)。

同理，上式(4)中支承在基岩或嵌入基岩内的钻(挖)孔桩、沉桩的单桩轴向受压承载力容许值[Ra]的计算，就护壁泥浆侧承载力的影响无说明，即可理解为可不予考虑。但对端承载力的影响给予了说明，表现在系数c1上。

本规范本条附后的条文说明中，定性地说明了：系数c1、c2的选择主要由孔中泥浆的清除情况及钻孔有无破碎等因素决定，同时也受嵌岩深度和施工工艺的影响。同时摩阻力系数c2要适当考虑孔壁粗糙度的影响。根据冲击钻钻岩石的经验，坚硬的岩石和很软的岩石、孔壁的粗糙度比中等强度的岩石要平滑些 (系数c1、c2的值详见规范规定)。

其中：

1) 当入岩深度小于或等于0.5 m时，c1乘以0.75的折减系数，c2=0；

2) 对于钻孔桩，系数c1、c2值应降低20%采用；

3) 对于中风化层作为持力层的情况，系数c1、c2应分别乘以0.75的折减系数。

冲击成孔钻孔桩，因反复冲击，使岩石壁变得光滑，从而影响侧摩擦力。

1) 对摩擦端承桩而言，当端阻力较大，基本满足桩的承载力要求，可以不考虑侧阻力或侧阻力只部分发挥时，本公式的缺陷不能显现出来；当端阻力较小，必须充分考虑侧阻力时，按此公式计算结果较实际承载力大。

2) 对嵌岩桩而言，当端阻力较小，冲击成孔工艺时按此公式计算结果较实际承载力大。

4.3桩承载力在冲击成孔工艺影响下的数值模拟

依托实际工程的地质数据进行建模，模拟冲击成孔后，中风化层的摩擦系数改变后对桩的整体侧摩阻力的影响。本文采用ABAQUS6.10对钻孔桩进行分析，出于对该试验的精确性分析，采用三维模型(图3)。考虑到最底层中风化地层摩擦系数改变的影响，因此桩体本身采用线弹性模型，岩土层采用D — P模型进行分析，各岩土层的参数从表1中提取。

图3　冲击成孔灌注桩静载实验模拟图

模型中桩与土之间的接触关系为摩擦作用，采用Coulomb摩擦模型来表征接触面之间的摩擦行为，摩擦系数采用Randolph和Wroth(1981)提出的公式：

设定其摩擦系数μ=0.5后对其进行加载，根据桩上轴力的分布从而求出其侧摩阻力，如图4所示，当刚开始加载时，土在力的作用下产生位移，从而在桩侧产生摩阻力，当加载结束后，土位置逐渐固定，因此，力的数值开始减小。

改变中风化层的摩擦系数，当μ=0.4时，侧摩阻力分布如图5。

从图中可以看出，当采用冲击成孔工艺时，主要改变的是中风化层的摩擦系数，从而改变该地层的侧摩阻力，而其余地层所受到的影响较小，因此

图4　μ=0.5时的侧摩阻力分布图

图5　μ=0.4时的侧摩阻力分布图

5结论与建议

1) 泥皮具有渗透能力差、止水性能好、抗剪强度低的特点，会直接影响混凝土与桩侧土的结合，从而降低混凝土灌注桩的桩侧摩阻力，泥皮愈厚，降低程度越大。

2) 由于泥浆在护壁后，残留在孔内，由于时间效应的影响，其本身的物理力学性质会发生变化，因此，建议承载力检测前的休止时间应大于30 d，宜为45～60 d，这样能相对降低护壁泥浆对桩承载力时间效应部分的影响。

3) 冲击成孔(泥浆护壁)钻孔桩，因成孔过程的冲击力，对原地质条件产生了影响，特别是造成嵌岩段的摩擦系数降低，进而影响到桩基的承载性能。

4) 建议在《公路桥涵施工技术规范》中补充冲击成孔(泥浆护壁)灌注桩桩土侧阻力标准值qik，考虑冲击成孔与泥浆护壁两方面的因素，该值比规范中相对应的各岩土层钻孔桩桩侧土阻力标准值qik宜低10%～20%。

参考文献：

[1] JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2] 吴鹏,龚维明,任伟新,等.钻孔灌注桩护壁泥浆对桩基承载性能的影响[J].岩土工程学报,2008,32(9):1327-1332.

[3] 马茂军,曲学进.护壁泥浆对抗浮桩承载力的影响分析[J].青岛理工大学学报, 2007,28(1):114-116.

[4] 张广兴.泥皮性状对钻孔桩工程特性的影响研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[5] 胡中雄.饱和软粘土中单桩承载力随时间的增长[J].岩土工程学报，1985，7(3):58-61.

[6] JT/T738-2009,基桩静载试验自平衡法[S].

[7] JGJ106-2003,建筑基桩检测技术规范[S].

中图分类号：U 445.55

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0104-05