冲孔灌注桩单桩承载性能及施工要点研究

张义伟

冲孔灌注桩是工程中常见的一种桩基形式。本文依托实际工程案例，建立了复杂地质条件下的桩-土有限元数值模型，分析了不同岩面倾角工况下桩基沉降和极限承载力的差异，并对复杂地质条件下冲孔灌注桩的施工要点进行了总结。结果表明：岩面倾角为45°和60°工况下，随着荷载的逐步增加，不同桩长工况下桩体沉降呈现出指数增加的规律，出现了明显的塑性变形，桩长越短越为明显。岩面倾角为15°和30°时桩体沉降基本一致，而45°倾角工况沉降明显增加，60°倾角工况下沉降达到了14.4mm，约为前两种工况的两倍。岩面倾角为45°和60°时，灌注桩发生了相对滑动，虽然单桩的极限承载力仍能满足设计要求，但在设计与施工时应考虑到5m 超短桩不利受力的情况，及时采取有效措施，避免发生过大沉降。

桩基是工程中常见的地基处理方式，而在复杂地质条件下桩基的设计和施工往往存在一定的难度，为此，许多研究人员进行了一系列研究。

王丽欢等依托大型围垦工程案例，通过静载试验方法研究了软土地区预加固对桩基竖向承载力的影响。杨建伟分析了建筑工程桩基施工过程中的桩端后注浆技术的应用机理，并对其关键技术进行了阐述。李龙起等依托南玉高速铁路跨黎湛特大桥项目，通过有限元手段研究了岩溶地区地基加固前后桩基承载特性的差异。张荣等通过室内模型试验和现场试验等手段对珊瑚礁地层中大直径桩基的侧摩阻力进行了分析。薛鹏等通过数值模拟方法，对比研究了桩基支承梁与弹性地基梁的承载性能和变形规律的差异，结果表明弹性地基梁的承载能力更为优异。马骁等通过现场监测手段，对桩基施工诱发岩溶塌陷事故的机理模式进行了分析，并提出了一系列的针对性防控措施。

本文通过有限元方法，建立了复杂地质条件下的桩-土数值模型，研究了不同灌注桩长度和岩面倾角工况下桩基沉降和极限承载力的差异。最后，对复杂地质条件下冲孔灌注桩的施工要点进行了总结。

一、工程概况

本文依托随州市·华悦城项目，该项目地下1 层，地上20 层，为剪力墙结构。建筑场地类别为乙类，地震基本烈度为6 度，设计基本地震加速度为0.05g，地面粗糙度为B 类，基本风压取0.35kN/m2。

建筑场地地层主要以粉土和淤泥为主，由上到下依次为素填土、粉土、淤泥质粉土、粉砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩和微风化泥质粉砂岩等。地勘结果表明，该建筑场地存在岩溶发育现象，钻孔见洞隙率为12.8%，为岩溶中等发育地段。基础类型为冲孔灌注桩，基础持力层拟选用微风化灰岩。表1 展示了各层土体的物理力学参数。

表1 土层物理力学参数

此外，勘测结果显示，中风化灰岩层存在斜岩，对斜岩角度进行了预估判断，预估斜岩倾斜角度在27°～32°区间范围内。

二、数值模型

为研究冲孔灌注桩的承载特性和受斜岩角度的影响，本文通过有限元软件建立了冲孔灌注桩单桩数值静载模型，图1 展示了该桩-土数值模型的网格划分情况。建模过程具体如下：

图1 桩-土有限元数值模型

(1) 依据工程现场实际尺寸，建立桩-土模型，冲孔灌注桩直径设为1.2m，单桩承载力特征值设为1×104kN。

(2) 模型土层划分和参数输入，根据表1 列出的各土层物理力学参数进行各土层的设定。

(3) 对模型进行网格划分，将桩周土体和斜岩区域进行局部网格加密处理。

(4) 设定模型边界条件，将模型底部设为固定约束，四周设为法相约束，顶部设为自由约束。

(5) 于桩顶进行分级加载，第一级设为4000kN，第二级设为8000kN，之后每级增加2000kN，直至加载到20000kN。

三、结果分析与讨论

设置了4 种斜岩倾角和5 种桩长进行数值计算，图2 展示了不同工况下的单桩荷载-沉降曲线。

图2 单桩荷载-沉降曲线

从图2(a)和图2(b)中可以看出，随着荷载的持续增加，桩体沉降呈现线性增大趋势，说明冲孔灌注桩发生弹性变形，没有塑性变形出现。这是由于岩面的倾角较小，导致桩端能够与灰岩接触，使得桩底不会出现滑动。此外，由于在荷载作用下灌注桩发生压缩变形，沉降大小与桩长成正比，随着桩长的逐步增加，沉降呈现阶梯增大的变化规律。当荷载达到20000kN 后，桩顶最大沉降为6.3mm，远小于规范规定的40mm 限值，因此，此时的灌注桩单桩承载力满足设计要求。

从图2(c)中可以看出，在岩面倾角为45°时，随着荷载的逐步增加，不同桩长工况下桩体沉降呈现出指数曲线增加的规律，荷载-沉降曲线斜率随着荷载的增加而增大，出现了明显的塑性变形，且此现象桩长越短越为明显。各工况相比，在加载中期出现了较为明显的沉降差异，而在加载前期和后期不同桩长工况下桩体沉降差异并不显著。

从图2(d)中可以看出，倾斜岩面对桩体沉降的影响更为显著。在加载前期，各桩长工况下桩体沉降基本一致。随着荷载的持续增加，各工况下桩体沉降差异开始显现，但与上述规律不同的是，沉降与桩长呈负相关关系，即桩长越长，沉降越小。此外，从数值而言，岩面倾角为15°和30°时桩体沉降基本一致，而45°倾角工况沉降明显增加，60°倾角工况下沉降达到了14.4mm，约为前两种工况的两倍。

综上所述，当岩面倾角为45°和60°时，灌注桩已经发生了相对滑动，虽然单桩的极限承载力仍能满足设计要求，但在设计与施工时应考虑到5m 超短桩不利受力的情况，及时采取有效措施，避免发生过大沉降。

四、复杂地段冲孔灌注桩施工要点

在冲孔灌注桩施工前，应对施工场地进行平整处理，并于孔口埋设护筒。与正常条件下的泥浆体积相比，配置的泥浆体积应为3 倍以上。而在岩溶地质条件下，应考虑到覆盖层及基岩情况的差异采取合理的成孔工艺。具体施工要点如下：

(1)在覆盖土层不存在土洞条件下，可通过冲击成孔或回旋钻进成孔。在覆盖层存在体积较大的土洞并且其埋深不小于3m 条件下，应通过预注浆充填或混凝土回填的方式对土洞进行处理，再进行冲孔操作。

(2)当施工至溶洞顶板附近时，应采用小冲程、低频率的冲击钻成孔工艺。

(3)存在倾斜岩面条件下，可回填混凝土或小片石于桩孔内，再通过钻头进行反复冲击，使全断面进入岩层。

(4)在成孔过程中，若遭遇漏浆情况，应及时进行补浆处理，并进行混凝土、片石的回填。在桩身混凝土灌注过程中，应对混凝土顶面标高进行实时监测，以便及时补灌混凝土。

(5)若溶洞中存在大量的地下水，宜采用单层或多层的长护筒跟进措施，且护筒的直径差应大于15mm。

五、结论

本文通过有限元方法，建立了复杂地质条件下的桩-土数值模型，研究了不同灌注桩长度和岩面倾角工况下桩基沉降和极限承载力的差异。最后，对复杂地质条件下冲孔灌注桩的施工要点进行了总结。得出主要结论如下：

(1)岩面倾角为15°和30°工况下，随着荷载的持续增加，桩体沉降呈现线性增大趋势，冲孔灌注桩发生弹性变形，未有塑性变形出现。由于在荷载作用下灌注桩发生压缩变形，沉降大小与桩长成正比，随着桩长的逐步增加，沉降呈现阶梯增大的变化规律。

(2)岩面倾角为45°和60°工况下，随着荷载的逐步增加，不同桩长工况下桩体沉降呈现出指数曲线增加的规律，荷载-沉降曲线斜率随着荷载的增加而增大，出现了明显的塑性变形，且此现象桩长越短越为明显。

(3)岩面倾角为15°和30°时桩体沉降基本一致，而45°倾角工况沉降明显增加，60°倾角工况下沉降达到了14.4mm，约为前两种工况的两倍。

(4)岩面倾角为45°和60°时，灌注桩已经发生了相对滑动，虽然单桩的极限承载力仍能满足设计要求，但在设计与施工时应考虑到5m 超短桩不利受力的情况，及时采取有效措施，避免发生过大沉降。