桥梁桩基础的钻孔灌注桩施工技术研究

收稿日期：2024-01-04

作者简介：赵冠军（1987—），男，本科，工程师，从事路桥施工工作。

摘要 桥梁工程作为公路交通重要构成，主要适用于复杂地形地貌环境的交通通行中。桥梁基础多采取钻孔灌注桩进行地基加固，其具备施工造价低和适应性强等特点。钻孔灌注桩施工隐蔽性较强，不合理的施工措施极易对桥梁造成安全隐患。文章依托新疆自治区内某桥梁工程进行桩基础设计，并且对钻孔灌注桩施工要点进行分析，采取低应变法对桩身完整性进行检测。结果表明，钻孔灌注桩的桩身完整性良好，不存在明显缺陷。

关键词 钻孔灌注桩；基础设计；完整性

中图分类号 U445.551文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0143-03

0 引言

钻孔灌注桩具备抗震能力强、承载强度高和适应性强等特点，广泛应用于复杂地形地质环境的桥梁建设中。钻孔灌注桩的施工工序较多，现场施工操作不当，则容易造成坍孔和断桩等严重事故，不仅造成施工成本增大，而且影响桥梁下部结构的稳定性，威胁桥梁使用安全。为此，针对钻孔灌注桩施工技术应用分析具有重要的社会和经济意义。

1 工程概况

新疆奎屯市某桥梁工程设计长度为85 m，设计宽度为31 m，左右幅结构布置，单幅设计宽度为15.5 m。桥梁全幅断面设计如下：护栏（0.5 m）+人行道（3 m）+行车道（11.5 m）+分隔带（1 m）+行车道（11.5 m）+人行道（3 m）+护栏（0.5 m）。桥梁人行道横坡的坡度设计为1.5%，单幅桥面横坡的坡度为2%。桥梁上部结构为预应力钢筋混凝土简支空心板，设计跨径为30 m+

25 m+30 m，混凝土C30；下部结构桥墩为整体墙式构造，重力式桥台，桥墩通过13个小排架墩柱与上部结构衔接，衔接处则采取扩大型柱头，混凝土强度等级为C30。桥梁设计基准使用年限为100年，设计安全等级为I级。

2 地质环境

2.1 地形地貌

桥梁建设场址位于市区南部，地形起伏相对较大，基础位置钻孔高程最大为198.5 m，最小为191.6 m，相对高差为6.9 m。地质勘察过程中未出现地下管道、洞穴和坟墓等情况。

2.2 场地地层岩性及分布特征

場地地层依据钻孔资料揭露，由上至下分布如下：

（1）杂填土：杂色，人工堆填，内含碎石、砖块、塑料等，均匀性较差，整体松散，分布较为广泛，厚度为0.5～6.5 m。

（2）粉质黏土：灰褐色，内含丰富有机质，塑性较大，强度中等，主要为不连续分布，厚度为0.8～2.5 m。

（3）砂砾：第四系冲洪积层，灰色，颗粒级配较为一般，成分主要以长石和石英为主，内部夹杂黏性土和粉砂，呈饱和状，中密，均匀性较好，厚度为0.5～1.1 m。

（4）粉砂岩，风化程度较高，呈可塑状，软化性明显，分布较为均匀，实测标贯击数为35.9，土质稳定性较好，分布较为广泛，厚度为2.2～3.5 m。

（5）泥砂岩，风化程度一般，成岩较好，具较大软化性，岩芯样完整性较高，单轴抗压强度为3.5 MPa，场地内分布均匀，稳定性良好，揭露厚度为23～27.9 m[1]。

经室内土工试验，获取地层承载力参数如表1所示：

表1 地层承载力参数

序号 名称 承载力基本容许值[fa0]/kPa 钻孔标准值

qik/kPa

建议值 标贯值

1 杂填土 — — —

2 粉质黏土 80 — 20

3 砂砾 210 210 60

4 粉砂岩 — 250 110

5 泥砂岩 — 410 130

2.3 不良地质作用评价

经现场勘察，桥梁场址环境水主要为地表水和地下水，场地未出现沉陷、裂缝等明显病害。桥梁建设场地不良地质发育不明显，地层钻孔勘察过程中未遇见管道管线、滨沟和洞穴等不利埋藏物。

3 桩基础设计

3.1 方案分析

针对地质环境及施工技术储备，该桥梁基础拟采取钻孔灌注桩的基础形式。基础设计具体方案如下：依据桥梁关键结构荷载形式，采取第5层中风化泥砂岩作为持力层；泥砂岩层具备良好完整性，成岩状况良好，不存在软弱层及破碎带，可作为钻孔灌注桩持力层。桩长应深入泥砂岩层1～2 m。此外，受限于场地施工空间，钻孔灌注桩主要采取旋挖钻机进行机械成孔，成孔过程中需要利用冲击钻配合。通过前期灌注桩承载强度和变形等技术指标分析，桩基础承台埋深1.8 m，钻孔灌注桩设计桩径为1.2 m，桩长设计为16.5 m，桩间距为3 m，桩数为5根，混凝土强度等级为C30。

3.2 施工部署

该桥梁下部桩基础共设计20根灌注桩，桩径均为1.2 m。旋挖钻机施工成孔之前，需要在护筒埋设位置换填杂填土，并且进行分层压实处理，确保钻孔过程的稳定性。建设区域采取4台旋挖设备（型号为XR-350）进行钻孔施工，相关设备机具及人员配置如表2所示。钻孔灌注桩施工技术流程如图1所示。

表2 施工主要设备机具和人员配置

类别 数量 动力/kw（投入情况）

设备机具 XR-350旋挖机 4台 —

挖掘机 2台 —

汽车吊 2台 —

电焊机 5台 8

泥浆泵 2台 12

人员分布 钢筋工 15人 单天制备4个钢筋笼

机械操作工 12人 2班制分组旋挖钻孔

混凝土工 10人 2班制分组混凝土灌注

电工 2人 现场接线、设备运维

图1 钻孔灌注桩施工流程

4 钻孔灌注桩施工工艺

4.1 护筒埋设

灌注桩钻孔前需要进行护筒埋设，这有助于确保钻孔的垂直度，避免出现塌孔病害。护筒埋设则需要事先采取挖机挖坑、旋挖钻孔，护筒埋设长度需要依据孔位地质水文环境进行确定。护筒顶部高程需要略高，确保孔外水位低于泥浆面。护筒埋深3 m，铜质材料，厚度为10 mm，在护筒设置处进行砂土换填，并且夯实护筒周围填土，护筒埋设误差应小于5 cm。灌注混凝土强度满足设计要求时才能够拆除护筒。

4.2 泥浆制备

钻孔过程中需要加强制备泥浆的质量控制，合理的泥浆性能有助于稳定孔壁。泥浆配比需要经实验确定，泥浆稠度需要满足技术要求。泥浆制备采取的黏土塑性指数为26，粒径小于0.075 mm，含量大于75%。配备泥浆黏土稠度为16～24 Pa·s，黏土层比重为1.05～1.1，pH为8～11，砂层稠度为20～25 Pa·s，含砂率在5%～9%之间，胶体率不小于95%。钻孔阶段需要合理处置废弃泥浆，避免泥浆污染施工场地[2]。

4.3 钻孔、清孔

4.3.1 钻孔

钻孔前需要确定钻孔位置，明确钻孔设备。依据实际建设环境，进行现场试钻，优化钻孔参数，对试钻设备运行状况和孔壁稳定性等进行分析。试钻完成后，需要分析检测曲线，对地层情况进行合理判断。项目采取回旋钻机成孔，钻孔中需要注意钻进的垂直度，避免钻孔倾斜。在钻进过程中遇见坚硬土层时，则需要适当调整钻进速率，增大护壁泥浆供给；钻孔地质较差时，则采取清水钻孔形式，加强孔壁泥浆保护效果。场地钻孔中依据实际土层情况调整钻进压力，控制钻速在100～120 r/min的范围内。

4.3.2 清孔

鉆孔完成之后则需要清孔处理，避免桩基承载力受到孔底沉渣的影响。清孔主要依赖泥浆较大的流动性，促使孔内砂砾、沉渣等杂质排出孔外。孔内沉渣厚度可采取超声波法进行测定。项目清孔主要采取正循环清孔方式，相较于泵吸反循环和气举反循环，该方法的施工成本相对较低，且施工效率较高。旋挖桩钻孔需要开展二次清孔，首次清空的沉渣厚度可放松控制要求，二次清孔则需要降低泥浆比重（1.05～1.1），二次清孔的沉渣厚度需要小于100 mm。清孔需采用直径为300 mm、厚度为4 mm的无缝钢管[3]。清孔之后需要对泥浆指标进行测定（含砂率3%，黏度为15～20 Pa·s），满足技术要求后进行后续操作。

4.4 制作和吊放钢筋笼

4.4.1 钢筋笼制作

钢筋笼制作前需要对材料进行外观和性能检测，如强度、长度、直径和数量等。钢筋笼长度和直径均较大时，则可增设加强筋。为确保钢筋笼吊放的稳定性，钢筋笼可采取分节制作，设置耳环。钢筋笼制作偏差需要满足以下基本要求：主筋间距偏差不大于10 mm，总长度偏差不大于100 mm，保护层厚度不大于10 mm。钢筋笼采取机械连接，为确保钢筋笼的制作质量，应通过台架精准定位和拼装，标记主筋，实现钢筋对接的准确性。

4.4.2 钢筋笼吊装

钢筋笼现场运输吊装阶段，需要加强钢筋笼的变形控制，钢筋笼安装要缓慢操作，安装主要采用吊运设备进行吊装，安装需要准确对孔，避免对孔壁造成一定破坏，钢筋笼放置到设计位置后要及时固定处理；钢筋笼进入孔内后，则需要进行加固，避免在导管安装和混凝土灌注阶段出现一定的位置偏移。钢筋笼吊装主要采取双吊点方法，吊装前需要对吊筋数量进行计算分析，现场采取30 t吊车操作吊装，吊筋需要和钢筋笼的加强筋通过双面焊进行衔接，吊筋另外一段应设计成圆环以方便钢筋笼的运输[4]。

4.5 混凝土灌注

清孔完成且沉渣厚度满足技术规范之后，则可开展混凝土灌注工作。钻孔灌注桩混凝土强度等级为C30。在灌注之前，需要对混凝土坍落度进行检测（180～220 mm）。孔底和孔内管道间距不能大于30 cm。混凝土灌注过程中需要动态观测平衡阀参数，简单计算混凝土的需求量。首批混凝土灌注中，导管需要经过水密性试验，且导管布设深度不小于0.8 m，合理控制导管的提升速度。混凝土灌注需要连续进行，尽量控制混凝土灌注总时间在1 h内完成；导管拆除时间则不能超过15 min；最后成桩的桩顶标高需比设计标高超出1 m左右，并且对多余部分进行及时处理，保留0.1～0.2 m的露出高度；混凝土强度超过5 MPa后则要及时拔出护筒[5]。

5 桩基检测

5.1 检测方案

钻孔灌注桩施工完成后，需要对桩身质量进行检测。桩身完整性需考虑桩身尺寸和材料连续性的综合指标，项目采取低应变法对桩身完整性进行测定。工程桩均为实心桩，桩检测点位置均设置在距桩心2/3处，如图2所示。测试设备为基桩动测仪，单根工程桩利用小锤敲击桩顶的次数需大于10次。桩身阻抗变压位置则可通过测定应力波传播速度、初始激励与阻抗反射时间差进行确定，阻抗变化强度则可通过速度曲线变化幅度进行判定[6]。

5.2 结果分析

选取8根工程桩进行桩身的完整性检测，结果统计如表3所示。检测波速设计为3 800 m/s，最终获取的曲线较为平稳，不存在明显突变位置，所检测桩的完整性较好，均为Ⅰ类。

图2 检测布置示意图

表3 桩身完整性检测结果

桩径/m 波速/（m/s） 桩等级 完整性

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

1.2 3 800 Ⅰ 完整

6 结论

桥梁工程多跨越复杂地形，其结构稳定性受到桥梁基础施工质量的影响。钻孔灌注桩作为桥梁主要基础结构，能够有效提升桥梁承载强度，避免出现较大的沉降。该文结合新疆维吾尔自治区奎屯市某三跨钢筋混凝土空心板梁的建设环境进行桩基础方案设计，并且就钻孔灌注桩施工关键流程进行分析，最后采取低应变法对桩身完整性进行抽样检测。结果表明，所施工钻孔灌注桩的桩身完整性较好，均为Ⅰ类。该文所做研究能够为类似项目建设提供一定参考。

参考文献

[1]陕耀， 肖蔚雄， 马伟叁， 等. 软土地区钢套管钻孔灌注桩施工对临近高铁路基变形影响研究[J]. 铁道科学与工程学报， 2023（7）： 2372-2384.

[2]赵纯， 李厚杰， 王晓龙， 等. 贝壳碎屑岩环境中钻孔灌注桩施工技术[J]. 建筑结构， 2022（S1）： 3113-3114.

[3]邓林峰， 阙显阳， 周浩文， 等. 超长旋挖钻孔灌注桩施工技术[J]. 建筑技术， 2019（10）： 1156-1159.

[4]姜鹏， 章剑青， 朱征平. 钻孔灌注桩施工中泥浆比重控制研究[J]. 公路， 2019（7）： 145-148.

[5]王勇， 罗长翔， 黄国剑， 等. 公路桥梁钻孔灌注桩施工技术[J]. 建筑技术， 2020（10）： 1199-1201.

[6]吕海滨. 泥浆比重在钻孔灌注桩施工质量控制中的应用研究[J]. 粘接， 2020（1）： 111-114.