公路桥梁的钻孔灌注桩设计研究

洪勇

（如皋市交通运输局，江苏 如皋226500）

1 引言

桩基础是深基础的重要形式，抗压性能较好，能够使上部荷载有效传递到地基中。因具备较高的稳定性和承载力等特点，桩基础得到了较为广泛的应用，当前在众多基础形式中属于较为成熟的一种[1]。在经济快速发展的当今，随着不断增大的结构物上部荷载，对下部基础也提出了越来越高的要求。

2 钻孔灌注桩单桩承载力的影响因素分析

桥梁所受荷载在桩基础的作用下会随之传递到地基土中，使应力有所扩散。在桩顶荷载向下传递的过程中，会分配给桩侧和桩端土，具体表现为桩侧的摩阻力以及桩端的抵抗力[2]。上部荷载在桩侧摩阻力的作用下主要以剪应力的形式作用到桩周土中，在桩端的持力层土体中，桩端的抵抗力则主要是通过持力层压缩变形的方式体现。因桩和土体间的作用较为复杂，故若要对桩基的承载力进行准确的评估，并对其进行合理的设计，对竖向荷载作用下桩基的变形做出正确的认识是必不可少的。

对于桥梁桩基础，其所受到的竖向荷载主要是通过承台的方式进行传递的，并由桩侧和桩端阻力共同承受。单桩竖向承载力的影响因素较为复杂，当桩顶作用有竖向荷载时，桩体上部产生向下的位移，桩侧土体产生向上的摩阻力，桩身荷载以桩侧摩阻力的方式扩散到桩周土中[3]。由于入土深度不断增加，桩身受到的轴力、压缩量也不断减小，并表现出不断加大的桩侧阻力。对于钻孔灌注桩，影响其性能发挥的因素较多，影响因素彼此之间的关系往往也较为复杂，基于对前人研究的分析可知，对单桩承载力产生影响的因素主要包括桩周土性能、桩的尺寸以及桩身材料等。对于单桩承载力，桩侧和桩周土的抗剪强度等性能对其有较大的影响。

3 工程概况

某高速公路桥梁长6 850 m，宽42 m。全桥共设置有1 612根钻孔灌注桩，桩径分别为1.2 m、1.3 m以及1.8 m。为便于后续对该钻孔灌注桩进行研究，本文将对其开展静载试验，对承载特性以及极限承载力状态下的桩基承载力特性进行分析，从而对桩基设计进一步优化。

4 试验分析

4.1 试验概况

本次试验共分为A组和B组。设计时，按照加载的最大量估算值进行，从资源节约的角度出发，本次试验的试桩在相邻时共用2根锚桩，共9根。其中A组桩长为35 m，B组桩长为24 m，桩径均为1.3 m，锚桩长35 m，桩径为1.5 m。试桩浇筑时所使用的混凝土等级为C25，主筋共使用直径为22 mm的HRB335钢筋24根，箍筋则使用直径为8 mm的HRB235钢筋，加筋箍筋使用直径为18 mm的HRB335的钢筋，并以2 m的间隔进行设置。基于现场地质环境以及试桩条件，对其加载量的最大值进行估算可得表1所示结果。

表1 各试桩最大加载量及极限承载力汇总

试验使用的是逐级加载的方式，以最大加载量估算值的1/10作为各级加载量，并按照5 min和10 min的间隔进行加载，再以15 min的间隔进行读数，1 h后再以30 min的间隔进行读数。再逐级加载时，应确保每小时沉降量均在0.1 mm以内，在连续2次加载之后即可将其看作稳定状态，继而开展下次加载。各个试桩的分级加载情况和加载最大值见表2。荷载-沉降曲线如图1所示。

表2 各试桩加载及卸载分级

图1 荷载-沉降曲线

Sa1试桩的加载量最大为21 000 kN，Sa2试桩的加载量最大为22 000 kN。对于Sa1，沉降最大值为40 mm，回弹量最大值为7.8 mm，回弹率为19%；对于Sa2，沉降最大值为40 mm，回弹量最大值为11 mm，回弹率为28%；对于Sb1和Sb2，二者的加载量最大值均为18 000 kN，Sb1的沉降量最大值为40 mm，回弹量最大值为6.8 mm，回弹率为17%；Sb2试桩则有的沉降量最大值为40 mm，回弹量最大值为6.7 mm，回弹率为16%。

单桩极限承载力可由上述曲线直接表示，从曲线中可以看出，2组试桩均不具备显著拐点，因此，无法通过曲线确定其单桩极限承载力。对于直径较大的桩基，多数情况下是按照其桩顶沉降量计算极限承载力的。试桩的桩顶均产生40 mm沉降时，A组中Sa1试桩的极限承载力为21 000 kN，Sa2试桩的极限承载力为23 000 kN，Sb1和Sb2试桩的极限承载力均为18 000 kN。采用泥浆护壁的试桩，因具备较大的孔径，施工时难免会因为清孔效果不佳而导致淤泥滞留在孔底而影响桩端阻力。故在图1曲线中会表现出线性递减的情况。

对于直径较大的钻孔灌注桩，一般不会出现整体剪切变形破坏，而是会以渐进的方式出现破坏。特别是在砂土、碎石土等地质条件较好的土层中的灌注桩，多数情况下不会桩端的刺入变形，故可按照3个组成部分来划分桩基沉降，分别为：桩身在竖向荷载下的弹性压缩、在竖向荷载作用下桩端土的压缩以及桩端土在桩侧阻力作用下的压缩。

图1中的曲线直接反映出单桩极限承载力和桩长之间的关系，可知桩长越长，单桩极限承载力越大。当其桩长从25 m增加到35 m时，即桩长的增长率为43%，单桩极限承载力分别有32%以及21%的增长率。桩侧阻力是摩擦桩承载力的主要来源，并且与桩侧土的相对位移有较大的关联。因荷载在向下传递时会分散到桩周土中一部分，使桩底处承受的荷载小于实际荷载，故桩长较长时，桩底的桩侧阻力基本可以忽略不计。但当前的多数工程中，设计时均考虑了桩端持力层的桩侧阻力，往往会导致其出现过大的桩长。

4.2 桩身轴力及桩端阻力发挥

限于篇幅，本文仅给出部分数据。桩端阻力占桩顶荷载比例见表3。

表3 桩端阻力占桩顶荷载比例%

在尺寸不同的两组试桩中有着相似的轴力分布，即其轴力随着不断增大的入土深度呈线形递减。在较低的竖向荷载下，桩周土体逐渐分担上部传递的荷载，而在桩端处则有着近为0的轴力。此时的桩身和桩周土均处在弹性状态，故桩身轴力表现为线性递减。

随着不断增加的桩顶荷载，桩端阻力也不断加大，并且相比于桩侧阻力具有一定的滞后性。Sb1桩的桩端阻力占比较大，原因在于成孔过程中泥浆护壁产生的泥皮较厚，导致孔壁有不利于滑动的介质存在，增加了桩端阻力及其占比，并且泥皮厚度越大轴力递减速度越慢，从表3可知，Sb1桩身轴力相比于Sb2的桩身轴力而言，具有更慢的荷载传递递减效应，说明泥皮过厚的假设是正确的。

4.3 有效桩长的确定

从上述分析可知，因存在逐渐减小的桩土相对位移，因此，在荷载传递过程中，桩侧阻力的增长表现为显著的深度效应。对于钻孔灌注桩的承载力，桩基尺寸对其有着较大的影响，仅提高桩长并非单桩极限承载力提高的有效方法。故必定存在较为合理的桩长能够充分发挥桩侧以及桩端阻力，以使其承载力以及经济性都能兼顾。

竖向荷载作用下，桩基础产生桩土压缩和相对位移2种沉降。荷载向下传递时，单桩极限承载力到某一个固定值后，就不再提升，该桩身的长度即为有效桩长。当灌注桩的桩长再到达某一深度以上时，桩长不断增加，但是桩基承载力不会有较大的提升，而是随着桩长的增加桩侧摩阻力不断递减，并且桩侧摩阻力在某一深度可近似看为0。在桩基满足有效桩长的要求后，其桩身变形不会再因桩长的增加而降低。

在公路桥梁的桩基设计中，为确保桩身具备一定的刚度，应有足够长的桩长。桩侧以及桩端阻力是影响桩长的重要因素。桩侧阻力随着不断提高的桩长表现出占比不断提高，对于单桩承载力，桩端阻力所产生的作用较小，主要由桩侧阻力提供。曲线趋于平缓时代表极限承载力保持一个稳定状态，此时的曲线上某一点处的桩长即为有效桩长。

有效桩长有多种计算方法，多种方法计算出来的值存在较大的差异。多数情况下，在对有效桩长进行计算时均先假定其桩侧阻力以三角形或矩形形式进行分布，再通过沉降和承载力计算有效桩长。但基于现场静载试验可知，单桩侧摩阻力和桩长表现为二次曲线关系。不同的桩侧阻力分布影响着最终的计算结果。

基于试桩侧向阻力的分布情况，假定桩顶和有效桩长处不存在桩侧摩阻力，随着桩长的不断增加，桩侧摩阻力会逐渐减小，并在距离桩顶2/3桩长位置处保持在最大值，此时有效桩长位移则为0。桩侧摩阻力沿桩身的分布如图2所示（l为桩长）。

图2 桩侧摩阻力沿桩身的分布形式

在该模型下计算某一深度下桩侧摩阻力，有：

式中，Qs为桩侧摩阻力；P为桩顶荷载；d为桩径；le为有效桩长；z为桩埋置深度；τ为桩侧阻力。

图3所示为桩-土的力学单元，以静力平衡条件分析桩身中的微小单元，即可取得荷载作用下桩身的弹性压缩。对于钻孔灌注桩而言，其桩顶沉降共包括两部分内容，分别是桩身压缩以及桩端沉降。

图3 桩-土力学单元

桩顶位移可表示为：

式中，E为桩身弹性模量；A为桩身截面面积。

在z′深度处取一微小单元（弧长为s，高z′）进行分析，具体如图4所示，对于弹性空间中的任意点K，可通过单元积分的方式计算某单元体的侧摩阻力，将其换算在从而换算为竖向位移，为简便计算，具体可将其按照角度换算到极坐标内进行表示。限于篇幅，本文不在此进行推导。此外，需注意的是，在考虑桩身刚度时，直径较大的钻孔灌注桩具有较大的长径比。基于位移协调方程，可以得到：

图4 桩侧阻力积分示意图

式中，μ为泊松比；Es为土体压缩模量。

当前，在对有效桩长进行计算时，不同的学者观点不同，具有一定的争议，往往会混淆有效桩长和临界桩长2个概念。当桩长达到某一值时，桩基在设计桩顶荷载的作用下或者在桩顶产生沉降量时，因荷载传递性能的约束而无法再在该长度下出现压缩变形时，即桩身轴力在某一深度下为0，桩顶荷载以及沉降在该桩基长度下不会再产生影响时的桩长即为临界桩长。而对于有效桩长，其主要是在桩顶荷载以及沉降量贡献率的方面进行考虑的，因此，对于有效桩长以外的桩基部分，并非不存在轴力，而是对于桩顶沉降以及桩基承载力而言并无贡献。从上述分析可知，二者具有较大的区别。

5 结语

基于上文分析，本文主要得出如下结论：

1）对于A组和B组试桩，具有21 000 kN和23 000 kN的极限承载力，并且二者的Q-s曲线均表现出缓慢变化趋势，满足该直径下钻孔灌注桩的承载力特点。在结束试验后，2组试桩均没有破坏产生，主要通过沉降量控制其极限承载力。

2）桩端阻力在较小的上部荷载作用下几乎为零，桩侧摩阻力是桩基承载力的主要来源；不断增加上部荷载时，桩端阻力也表现为逐渐上升，并且逐渐增大承担的桩顶荷载的占比，但是对比桩侧阻力的比例仍然较小，因此，未表现出摩擦桩特性。

3）通过对Sb1桩侧阻力占比较大的原因进行分析可知，桩侧过厚的泥皮是主要影响因素，其使桩侧土体性质有所改变，从而使其极限摩阻力有所降低。

4）基于单桩承载力和桩长的关系，引入有效桩长的概念，并对有效桩长进行了解析，可为桩基设计提供参考。