复杂地质条件下高架桥梁超长桩基础选型

赖长婷，李景龙，何荣海，卢建宏，黄发云

（中国建筑第四工程局有限公司，浙江省宁波市，315000）

[摘要] 宁波至慈溪市域（郊）铁路工程SGCX05标段含高架桥梁区间总长10.343km，车站1座，地处慈溪市域（郊）农田地区，地质条件复杂，多在路中、河流、沟渠、水塘、绿化带及地质条件差的地段。项目基础采用直径达1.5m，桩长达96m的超大超长灌注桩，因此，合理选择灌注桩的成孔方式是确保工程质量的前提。本文通过统计分析地质勘察报告，完成试桩试验，结合本工程实际特点，对正循环钻成孔、反循环钻成孔及旋挖钻成孔工艺进行分析对比，选用适合本项目复杂地质条件下超长桩钻孔技术。

[关键词] 高架桥梁；超长桩；正循钻孔桩；反循钻孔桩；旋挖钻孔桩；

0   引言

宁波至慈溪市域（郊）铁路SGCX05标段施工线路为高架桥构成，跨多个河道及市政道路，工程意义和社会影响重大，工程重要性等级为一级。场地岩土种类较多，很不均一，性质变化较大，且广泛分布有淤泥质土和软弱黏性土、风化岩等特殊性土，确定场地地基复杂程度等级为二级。主要穿越农田区，线路局部跨中横线及河道，破坏后果严重，环境风险等级一般为二级。

综合建（构）筑物工程重要性等级、场地复杂程度等级、地基复杂程度等级和工程周边环境风险等级，线路采用大直径超长灌注桩基础，超长桩基础拥有结构承载力较高、沉降量小、稳定性好、抗震性能好以及可以提高地基刚度、改变地基基础自振频率等优点。本文将从施工工艺、桩身完整性、桩基承载力及沉降、经济指标等方面进行正循环钻机钻孔、反循环钻钻孔、旋挖钻钻孔灌注桩的对比，选用适合本项目特点的钻孔技术。

1   工程概况

宁波至慈溪市域（郊）铁路SGCX05标段施工线路起点为沈海高速节点桥南侧（不含分界墩），终点为龙山站（不含），并包含正线区间用地红线范围内的龙山车辆基地出入段线（含分界墩）。含桥梁区间总长10.343km，车站1座。

2地形地貌及周边环境

表1：场地工程地质概况表

层号	土层名称	柱状图	层厚
①1b	素填土	桩	0.5~2.5
①2	粉质黏土		2.3~2.8
②2	淤泥质粉质黏土		11.6~14.3
②2T	黏质粉土		0.9
④1	淤泥质粉质黏土		13.0~23.0
④2	粉质黏土		3.5~10.4
⑥2	粉质黏土夹粉土		10.5~13.6
⑥2T	黏质粉土		1.6~1.7
⑦1	粉质黏土		0.2~8.9
⑫2a	全风化泥质粉砂岩		3.2~13.1
⑫2c	中风化泥质粉砂岩		最大揭露厚度1.4
⑫3b-1	强风化上段砂砾岩		6.0~8.1
⑫3b-2	强风化下段砂砾岩		1.8~8.5
⑫3c	中风化砂砾岩		最大揭露厚度10.71

拟建场地平原区属典型的软土地区，广泛分布厚层状软土，具有“天然含水量高、压缩性高、灵敏度高、触变性高、流变性高、强度低，透水性弱”等特点。根据钻探揭示及土工试验结果，场地软土均为正常固结土，一般为鳞片状、厚层状，地基稳定性差；由于局部夹粉土粉砂团块或者薄层粉土、粉砂，且各土层分布也有一定的起伏变化，本场地软土均匀性较差。

3钻机选型

为了检验钻孔灌注桩施工的合理性以及对设计资料的复核，确保钻孔灌注桩能够大面积展开施工，在现场实际桩位进行桩基的试验施工，用以确定桩基的施工工艺是否合理，设计资料与实际地质是否相符等。本工程试桩施工为3根，桩径1m，有效桩长SZH1#66.0m、SZH#265.0m、SZH3#66.1m，拟分别采用正循环钻机、采用旋挖钻机、反循环钻机进行试桩成孔施工。试桩基桩持力层为（12）3b-2层强风化下段砂砾岩。

4正循环、反循环、旋挖钻工艺比较

正循环钻孔灌注桩适用于黏性土、粉性土、砂性土以及卵砾石粒径小于10mm、含量不大于15%的土层和软质岩层，主要用于桩径小于1.5m、桩长不超过50m的桩基工程。

正循环回转钻钻孔原理：钻孔是利用钻头旋转切削岩土，钻头连接在钻杆上，钻机的旋转动力通过钻杆传递给钻头。在钻头下沉旋转过程中，用泥浆泵把混合好的浆液抽到钻杆内腔，通过钻杆流入孔底，然后从钻杆周围向上回流，一方面泥浆护壁，再一方面使钻渣浮起，从钢护筒上部流进沉淀池，较大的渣块在沉淀池中沉淀，上部较稀的浆液又进入了循环池，进行重复利用[1]。

反循环钻孔灌注桩适用于填土、黏土、淤泥、粉土、砂类土、含少量砾石、卵石（含量少于20%，粒径小于钻杆内径2/3）的土。反循环回转钻钻孔原理：砂石泵在抽吸作用下，钻杆内孔产生负压，在大气压作用下，冲洗液经过桩孔流向孔底，并将钻机钻头切削出的碎渣带进钻杆内孔，形成混合液经砂石泵排至地面沉淀池内，钻渣迅速沉淀，冲洗液流入桩孔内，形成反循环。反循环的护壁泥浆是由具有均匀粘聚力的黏土颗粒组成，流动性、稳定性良好，形成的护壁泥浆比较均匀、密实，因此有较好的护壁性能。

旋挖钻孔灌注桩适用于黏性土、粉土、砂土、填土、碎石土及风化岩层。反循环回转钻钻孔原理：旋挖钻成孔施工技术就是依靠小钻头先行掘进，小筒钻取芯破坏岩层的初始应力状态，大筒钻进行扩孔后钻进成孔。采用大钻头以慢速钻进方式直接进行钻孔作业，先钻进砂砾层、软岩层等覆盖层，旋挖钻钻至硬岩层时，很难控制桩基垂直度以及桩位，所以采用小钻取芯后将孔中间硬岩层应力状态破坏后再用大钻扩孔进尺，确保进尺速度、垂直入岩。小筒钻与大筒钻每 0.7~1m循环进尺，交替钻进，最大化地减少桩基偏位严重、成孔速度慢、稳定性较差等问题的出现，且在钻进过程中无需造浆，从而使桩基在满足安全、环保条件下实施钻进，并保证桩基质量与进度满足施工需求

[2]。

5成桩质量比较

5.1 桩身完整性分析

钻孔灌注桩成孔质量的关键环节，在于对泥浆循环系统和对孔底沉渣厚度的控制，而正循环的护壁泥浆是经钻头搅碎后的土渣形成，包含大小不同的粗颗粒和各类杂质，因此泥浆性能较差，形成的护壁泥皮质量差，局部泥皮可能很厚，造成孔壁的稳定性差。反循环的护壁泥浆是由具有均匀粘聚力的黏土颗粒组成，流动性、稳定性良好，形成的护壁泥浆比较均匀、密实，因此有较好的护壁性能。反循环施工中，砂石泵随主机一起潜入孔内，直接将切削后的碎渣随泥浆排出孔外，孔底碎渣较少，灌注桩底部与持力层之间无其他杂质，桩端承载力能有效发挥，并且不会增加建筑沉降量[3]。

综合分析三根试桩桩身混凝土各声学参数临界值、PSD判据、混凝土各声学参数低限值，受检桩声波透射法检测结果及评价如下表所示：

表2：受检桩声波透射法检测结果及评价

序号	桩号	成孔方式	桩身完整性评价	桩身完整性类别
1	SZH1	正循环钻孔	距桩顶1.5m左右轻微缺陷	Ⅱ
2	SZH2	旋挖钻孔	距桩顶1.5m左右轻微缺陷	Ⅱ
3	SZH3	反循环钻孔	完整桩	Ⅰ

5.2 桩基承载力及沉降分析

根据《建筑基桩检测技术规范》要求，对3根试桩进行单桩抗压静载试验。本项目设计单桩抗压承载力特征值为4900KN，设计极限承载力加载值为10700KN。试验采用慢速维持荷载法，荷载由上面堆载架提供反力，并用千斤顶、油压传感器与控载箱控制加载。试验产生的沉降是通过对称布置于桩头以下200mm左右处的观测平台上的4个位移计进行观测记录。

经现场试验，室内数据处理分析，其详细结果如下表：

表3：基桩静力载荷试验结果表

序号	桩号	桩身完整性评价		最大回弹量（mm）	回弹率（%）	单桩竖向抗压承载力极限值（kN）
		最大荷载	对应沉降量（mm）
1	SZH1	10700	24.38	10.22	41.92	10700
2	SZH2	10700	20.91	10.80	51.65	10700
3	SZH3	10700	22.00	17.59	79.95	10700

基桩抗压静载试验的对比结果如图所示：

图１ SZH1#、SZH2#、SZH3#抗压静载Ｑ-ｓ曲线

由图可知，桩基静载抗压Ｑ－ｓ曲线均近似呈线性，曲线未出现突变，表明桩在最大试验荷载下未达到极限承载力状态，故试验桩的竖向抗压极限承载力可取107200kＮ。根据三根试验桩的试验结果，在各级荷载下，采用反循环钻机成孔的SHZ3#桩变形量最小，采用正循环钻孔SHZ1#变形量次之，旋挖钻孔SHZ2#桩变形量最大。

6经济指标分析

对比分析各类施工技术定额水平，从总体价格水平来看，正反循环灌注桩的费用水平较低，而旋挖钻孔灌注桩的费用水平较高。从各项费用情况来看，三种施工方式的材料费差异较小，其中，旋挖钻孔的材料消耗最低，说明该方式资源消耗较小；而人工费和机械费的差异较大，旋挖钻孔的人工费和机械费最低，正反钻孔工艺复杂，需要人工和机械的有力配合，因此人工费最高，旋挖钻孔由于设备昂贵，台班单价较高，因此机械费最高。从人工费和机械费占比情况来看，旋挖钻孔灌注桩的人工费比机械费占比低，正反循环钻孔灌注桩的人工费比机械费占比较高，说明冲击钻孔施工方式需要耗费较多的人力。

7结语

本文基于宁波至慈溪市域（郊）铁路工程SGCX05标段施工现场地质情况，根据地勘报告勘察结果，从技术可行、经济合理等方面分析工程桩基选型的合理性，对比三根试桩的施工工艺、桩身完整性、桩基承载力及沉降，得到如下结论：在广泛分布厚层状软土，地基稳定性差，含有风化沙砾的复杂地质里，大直径超长灌注桩应优先采用反循环钻孔灌注桩、正循环钻孔灌注桩，预算较充裕情况下，可选用旋挖钻成孔。

[1]丁武保.滨海地区正反循环钻孔灌注桩的工程实践[J].价值工程，2011（16）：84-85.

[2] 魏明礼,赵牛牛,王能忠,等.一种桥梁工程钻孔灌注桩钢筋笼机械连接辅助装置: CN219240520U[P].2023-06-23.

[3] 崔宏柏.钻孔灌注桩正循环与反循环实例分析比较[J].中国标准化,2018,(08):137-139.