双护筒消除桩基侧摩阻力法在某海外工程中的应用

刘吉宏

（中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054）

0 前言

近年来，随着我国基础工程项目建设技术实力取得了突飞猛进的发展[1]，在满足国内建筑工程市场的前提下，正在积极对外输出建筑施工技术服务，帮助世界很多国家完善基础设施。建筑工程项目在施工前需依据设计方案进行桩基承载力试验（简称“试桩”工作，下同），以验证设计构想的可行性[2]。试桩工作环节中，由于地面环境及施工条件无法使桩体有效土层侧摩阻力段与桩顶标高一致，往往会对测试过程产生干扰，从而影响结果的准确性[3]。本文中，作者基于孟加拉某铁路工程项目，研究了试桩过程中消除无效土层侧摩阻力的施工方法，采用双护筒的方式，通过对静载试验结果的准确性分析验证了该工法的合理性和科学性。

1 工程项目概述

某铁路工程项目位于孟加拉国境内，是孟加拉国东西部货运和客运的大动脉。为中国中铁中标的一个EPC 项目，该铁路线由东往西，从首都达卡至杰索尔，横跨帕德玛河及莫托莫里河，新建铁路线全长168km，与孟加拉国西部和南部的铁路网相连接[2]。本项目中采用双护筒消除无效土层侧摩阻力的试桩工法进行试桩，试验结果得到国际咨询单位等外方专家团队的高度认可。

2 双护筒试桩方法工艺原理

在进行试桩过程中，为了消除无效土层对试验桩桩侧产生的摩擦阻力，可以采用双护筒施工工艺。顾名思义，双护筒施工工艺由内外两层护筒组成，两层护筒之间保持有固定、等间距的间隙，同时采用限位消阻轮进行距离控制和阻力消除，一般采用“内护筒无效土层段下端焊接外侧环向阻隔板（简称“外环板”，下同），同时安装嵌入式橡胶密封环密封外环板与外护筒之间的空隙”的结构模式，内、外环板之间需要做好密封环封闭处理，确保泥浆、土等杂物不会进入内外护筒之间的间隙，从而消除无效土层的侧摩擦力，必要时可设置双层密封层及外环板。内、外护筒工艺结构示意图如图1 所示。

图1 内、外护筒工艺结构

3 双护筒试桩方法操作工艺简析

为了取得准确的试桩结果，需要对双护筒试桩过程中的重点操作工艺进行分析，具体如下。

3.1 钢护筒的制作与控制要点

护筒需具有一定的结构强度和稳定性，钢板厚度不小于12mm，确保使用过程中不存在变形隐患。此外，外护筒的直径要大于内护筒（本工程项目中，外护筒内径比内护筒外径约大50cm），同时外护筒长度相比于无效土层厚度需要大一些。为了保持结构的稳定性，并消除内护筒在试验移动过程中受到的无效土层段的阻力，内护筒与外护筒之间安装定型限位消阻轮，消阻轮环向均匀布置，确保内外护筒壁之间的阻力相比于试桩荷载，可以忽略不计。在内护筒外侧焊接一圈同护筒材质一致的外环板，外环板的安装深度小于外护筒长度（必要时可设置双层外环板结构），外环板与外护筒之间预留20mm 的缝隙，在安装内护筒时，在外环板与外护筒之间安装一圈橡胶密封圈，密封圈为定制的凹槽结构，使外环板嵌入密封圈中，从而使内、外护筒之间保持密封状态。

3.2 无效土层挖除

在试桩过程中，当外护筒安装完成后，需要将无效土层挖除之后再进行内护筒安装工作。无效土层挖除之前，需要先利用振动锤将外护筒打入土层中，直至预定标高位置为止，然后利用钻进设备削切的方法将无效土层清除。

3.3 内侧护筒安装及控制要点

内侧护筒安装前需要先焊接内护筒外环板、安装密封圈及消阻轮等，并进行预拼装验证，确保内与外护筒相互配套。当外护筒内侧无效土层清理完成后，开始安装内护筒，首先垂直起吊第一节内护筒，使内、外护筒保持平行，然后缓慢安装内护筒底至已完成的外护筒底，安装过程中保持护筒的垂直度，缓慢安装，避免快速安装或因单侧不均匀外力挤压导致密封圈脱落。第三步检查内护筒消阻轮、密封圈及与外护筒的相对位置及垂直度均满足要求后，利用钻进设备，边挖除内护筒下方的土层，边协同缓慢安装内护筒至既定标高，最终安装完成后的内护筒外环板高于外护筒底部不小于10cm，同时双护筒的顶面高于施工平台30~50cm 为止，由于内护筒较长，为便于钻进设备挖除内护筒内的土层，内护筒采用分段对接焊接措施。在安装护筒的过程中，需要实时对护筒标高进行测量，确保护筒的安装高度与既定的标高一致。

3.4 内、外护筒固定及护筒导浆口设置

在内外护筒全部安装完成后，采用4 块短钢板将内、外护筒顶部四个方向焊接成整体，避免在桩基施工过程中顶部荷载及其他偶然荷载导致内、外护筒错位，并且在内、外护筒相同位置采用切割设备切割一处导浆口，导浆口方向根据泥浆池的布置确定，尺寸为300mm×400mm，导浆口位置采用钢板把内外护筒之间的泥浆通道焊接封闭成环，防止泥浆流入双护筒的隔层之间。

3.5 钻孔桩施工

护筒安装完毕之后，重新复核桩位坐标，确认无误后，安装试桩方案完成钻孔桩施工，在施工过程中需要注意控制泥浆比重等相关技术参数。

3.6 休止期及桩身完整性检测

为消除钻孔对土层的扰动，在静载试验前，需满足桩基的休止期，对于泥浆护壁混凝土灌注桩，砂土地层不少于7d，粉土地层不少于10d，非饱和黏性土地层不少于15d，饱和黏性土地层不少于25d。

当桩基混凝土达到设计强度后，进行桩身完整性检测，利用桩体内预埋的通道进行超声波检测，检测合格后方可进行静载试验。在试验前需确保在无效土层段内、外护筒之间无刚性连接，即需要切断内、外护筒顶部的所有连接点，确保起到隔离作用的外护筒与内护筒在静载试验中除消阻轮与密封圈之外无其他接触点。

4 双护筒试桩方法载荷试验及结果分析

本工程项目中，根据地质勘探报告及试验桩的轴向桩基承载力按照以下公式进行计算：

式中：P-桩的容许承载力；fh-每层土层的极限摩擦阻力，kPa；li-每层土层的厚度，m；m0-桩底支承力的衰减系数；A-桩底支撑区面积，m2；σ-桩底基础土层的容许承载力，kPa。

试桩最大荷载为2 倍工作载荷，分为两个循环，分级缓慢加载和卸载，并在每个分级加载阶段持续至沉降稳定后进行下一步加载，第一循环至100%荷载，然后卸载，第二循环至200%。根据试桩加载程序，边进行试验边记录结果，可以得到载荷与沉降位移的Q-S 曲线，如图2 所示。

图2 载荷与沉降位移的Q-S 曲线

根据试验结果显示在荷载为100%时实际沉降值小于15mm（当地规范允许值），当荷载达到200%时，沉降实际值小于25mm（当地规范允许值），且沉降曲线无明细突变，从而确定各地质层摩阻力参数取值满足要求，为正式桩设计确定了桩基承载力计算依据。

5 结论

建筑工程项目基础结构具有承载主体结构受力的作用，因此在进行建筑结构设计时所参考数据的准确性尤为重要。为了验证设计方案的正确性，在设计阶段或者施工前期阶段进行试桩是必要的程序。本文中，作者基于海外某铁路工程项目特殊的地质结构，设计了双护筒试桩方法，从工艺原理、工艺流程、重点工序控制及试验结果等方面对试桩工作进行了分析，相关成果实施性强，并且试验效果经在建工程实践证明，可以为相关专业技术人员借鉴并提供理论指导。