游荡型河道引桥桩基组合注浆工艺关键技术

杨纪 李孟然 黄毅 崔振华

摘要：黄河游荡型河段的河道断面宽浅，水流散乱，最宽处达数十千米，主槽摆动幅度这几千米。限于诸多不可控因素，黄河大桥建成后，主河槽存在从设计的主桥范围摆动至滩地引桥范围的可能性，此种情形一但发生将对黄河大桥引桥造成结构性破坏，为避免在此情况下引桥桩基竖向承载力不足，常规采用部分或全部滩地引桥统一按主河槽冲刷深度控制引桥桩长，提高桩基竖向承载力，满足极端小概率工况下的结构安全。但该方法造价较高，施工风险较高，工期也较长。本文结合新工艺、新方法，分析提出采用桩底及桩周组合注浆工艺提高引桥桩基的竖向承载力，付出较小的代价来抵御小概率极端工况下的风险。通过实际项目的方案对比发现，该工艺在工程造价、施工风险及施工工期等方面都较常规方案有明显优势。

关键词：游荡型河道引桥;冲刷;组合注浆;黄河

中图分类号：U44;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000 - 1379.2020.01.024

1 引言

1.1 黄河主槽摆动对引桥的影响

黄河上游宁夏头道墩至石嘴山河段、内蒙古巴彦高勒至三湖河口河段和中游禹门口至潼关河段（俗称小北干流）、下游白鹤至高村河段均属典型的游荡型河段，断面宽浅，水流散乱，河床、河岸的抗冲刷性差，自然条件下，主流在宽阔的河道内游荡摆动剧烈。

游荡型河段的主河槽是行洪的主要通道，冲淤变化剧烈，滩地单宽流量小，冲淤变化不明显。在黄河游荡型河段修建大桥，主桥和引桥分别根据主槽和滩地计算的冲刷深度来确定桩长以保证大桥结构安全。

目前，经过历次河道整治工程建设，黄河干流部分游荡型河段主流摆动范围有所减小，但从整体来看，大部分游荡型河段河势仍未得到有效控制，往往一场大水过后，河势就会发生剧烈变化。影响河势的因素众多（来水来沙条件、河道整治工程布设情况、河道采砂、涉河工程施工等）且不可控，大桥建成后，主河槽存在从设计的主桥范围摆动至滩地引桥范围的可能性，此种情形一旦发生，就会危及引桥的结构安全。为避免发生安全事故，设计时往往将靠近主桥较大范围内的引桥或河道内全部引桥采用主河槽冲刷深度来控制其桩长，但这种设计方案存在如下缺陷。

（1）樁长过长，施工时容易塌孔，风险较大。桥梁桩基多采用钻孔灌注桩，首先由机械钻孔或人工挖孔工艺进行成孔，然后下钢筋笼并浇筑混凝土。由于成孔时塌孔的概率与桩长成正比，因此桩长增加，施工的风险必然会大幅增加。

（2）施工工期较长。桩长的增加使钻孔、钢筋笼及混凝土的工程量均有所增加，工期自然相应延长，且如果发生塌孔，还需采取工程措施进行补救，进一步延长施工工期。

（3）造价较高。黄河河道内多为粉质黏土、粉砂及黏土，滩地冲刷深度一般比主河槽冲刷深度浅5 -15m，而黄河大桥的引桥桩基动辄几十根乃至几百根，统一按主河槽冲刷深度控制桩长会增加工程造价。据不完全统计，黄河大桥引桥比其他内河桥梁或城市陆地桥梁的造价高25% - 50%。

1.2 解决方案

在黄河大桥修建时，其主河槽摆动范围一般要经过洪评报告的分析和审查，超限的概率较小。笔者认为，为抵御小概率极端工况下的风险而大幅抬高造价，增加施工难度和风险是不明智的，应考虑在引桥的常规设计（在滩地范围内按滩地冲刷深度控制桩长）基础上采取适当的工程措施，以较小的代价来抵御小概率极端工况下的风险。近年来，桩底及桩周组合注浆技术逐渐应用于桥梁工程，虽然其施工工艺的技术性要求较高，施工难度较大，但该工艺可有效增加桩基竖向承载力，且造价相对较低，工期相对较短，具有较大的工程优势，在局部工程应用时性价比是较高的。对于主河槽可能摆动范围内的引桥段桩基，采用桩底及桩周组合注浆技术可以有效地抵御主河槽冲刷带来的不利影响。

2 桩底及桩周组合注浆技术

现阶段桩底及桩周组合注浆技术主要按压浆部位进行区分，分别为桩端后压浆、桩侧后压浆、桩端桩侧组合后压浆3种[1]。桩端后压浆技术较为成熟，应用最为广泛，主要通过预设于桩身内的压浆导管及与之相连的桩端压浆阀向桩端土层压入浆液，可以固化桩底沉渣，并加固桩端持力层，从而提高桩基的承载力;桩侧后压浆技术发展稍晚，是采用注浆方法对桩侧土体进行加固以提高桩基承载力的一种方法，消除了桩周泥皮的影响，主要通过预设于桩身内的压浆导管及与之相连的桩侧压浆阀向桩侧土层压入浆液;组合后压浆包含桩端和桩侧两种压浆方式，工艺更为复杂，压浆效果优于单一压浆方式，一般组合后压浆先自上而下逐段进行桩侧压浆，然后进行桩端压浆。具体压浆机理如图1所示。

组合后压浆技术能够有效提高已建和待建的桩基承载力。对于新建桥梁的桩基，可以减小桩径、桩长，从而减少工程投资;对于地基土层较弱地区，该技术能有效提高桩端和桩侧土层的物理力学性质，从而提高桩基的承载力;对于已建桥梁的桩基，如果出现承载能力不足的情况，也可以通过该技术进行加固处理[2]。

目前，后压浆技术的桩基承载力计算方法主要有两种：一是根据相关规范的理论公式来调整计算值;二是通过注浆后扩大的桩底面积和减短后的实际桩长来修正桩基半径，代入经验公式得到桩基承载力[3]。主要公式如下。

（1）《公路桥涵地基与基础设计规范》理论公式[4]。后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力特征值应通过静载试验确定。在后压浆技术规定的条件下，单桩轴向受压承载力特征值计算公式为[5]

由于《公路桥涵地基与基础设计规范》理论公式（式（1》中侧阻力增强系数Ps，和端阻力增强系数卢。应根据实测数据资料统计确定，因此应进行试桩工程的压浆前与压浆后的单桩竖向静荷载试验对比来确定单桩极限承载力。修正桩基半径后的计算公式（式（2） -式（4》主要适用于粗粒土，具有一定的局限性。在实际工程应用中，普遍采用式（1）进行计算分析。

3 工程实例

3.1 工程背景

黄河山东河段某黄河大桥堤内桥跨布置如圖2所示。其跨径布置为16x50 m+（ 110+4x180+110） m+4x50 m，桥面采用双幅布置，单幅宽18.25 m。根据洪评报告中的水文成果可知，主河槽冲止高程为-13.45 m，滩地冲止高程为-4.92 m。

滩地引桥桩基平面布置如图3所示。单幅桥墩采用6φ1.8 m桩基础，桩间距为4.8 m，承台尺寸为12.6m（顺桥向）x7.8 m（垂直桥向）。

地质参数及组合注浆技术参数见表1。该桥地层以粉质黏土、粉砂为主，侧壁摩阻力为30- 80 kPa.承载力基本容许值为90-260 kPa，竖向承载力较低。该地层较为适合后压浆技术的实施，后压浆工艺中，侧阻力增强系数卢。。在1.3 -1.5之间，端阻力增强系数卢。在1.5 -1.8之间，对桩基竖向承载力有较大提高。

3.2 新老方案对比

本桥单桩桩顶反力为8 000 kN，对应滩地冲刷深度和主槽冲刷深度计算得到的桩长分别为60 m和70m，即按主槽冲刷深度控制桩长时每根桩需增加10 m。

当主河槽摆动至引桥范围时，保持引桥桩长60 m不变而采用组合注浆工艺来提高承载力，根据式（1）及表1中βsi和βp值计算桩底承载力，注浆与不注浆的竖向承载力对比见表2。由表可知，注浆后桩基竖向承载力提升了35%，满足竖向承载力要求。

方案一（引桥桩长按滩地冲刷深度控制，同时采取考虑桩底及桩周组合注浆措施）和方案二（引桥按主河槽冲刷深度控制桩长）均满足受力要求。对两个方案工程量做对比分析，见表3，方案一工程建安费4932万元，方案二工程建安费5 982万元，方案一比方案二节省造价21.3%。

两方案的综合对比见表4。方案一除施工难度较大以外，造价、施工风险及施工工期都有较大优势。付出较小代价可获得较大的安全富余，避免因主河槽摆动至引桥段发生桩基竖向承载力不足的危险。经综合考虑，方案一有较明显优势。

4 结论

黄河是一条自然条件复杂、河情极其特殊的河流，尤其是其游荡型河段，河势复杂多变，目前大部分游荡型河段河势仍未得到有效控制。在游荡型河段修建大桥，存在主河槽从设计的主桥范围摆动至滩地引桥范围的可能性，引桥桩基若仅按滩地冲刷深度控制，则可能导致引桥桩基竖向承载力不足，若按主河槽冲刷深度控制则可能导致工程造价大幅度上抬、施工风险增加及施工工期延长等不利结果。采用桩底及桩周组合注浆技术，可有效提高引桥桩基安全富余，满足主河槽摆动后引桥的桩基竖向承载力要求，节省工程造价，降低施工风险，缩短施工工期等，从而达到以较小代价抵御不可预知的小概率极端工况下的风险。

参考文献：

[1]戴国亮，万志辉，龚维明，等，基于沉降控制的组合后压浆灌注桩承载力计算研究[J].岩土工程学报，2018.40（12）：2172-2181.

[2] 周国庆，梁恒昌，赵光思，桩侧土注浆提高单桩承载力试验研究[J].中国矿业大学学报，2005，34（3）：265-269.

[3]郭琦，李春轩，刘慧林，应用后压浆技术的钻孔灌注桩承载力计算方法[J].水运工程，2010（3）：63-67.

[4] 中华人民共和国交通部，公路桥涵地基与基础设计规范：JTG D63-2007[S].北京：人民交通出版社，2007：42-43.

[5] 周霄，李修坤，组合压浆技术在软弱地层桥梁钻孔桩中的应用研究[J].公路，2016，61（ 10）：116-121.

[6] 陶兴文，上海地区钻孔灌注桩后压浆技术的设计与施工[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2001，28（4）：35-36，38.

【责任编辑张帅】

收稿日期：2019- 04-14

基金项目：国家重点研发计划项目（ 2018YFC0407806）

作者简介：杨纪（1979-），男，湖北荆州人，高级工程师，主要从事桥梁设计工作