软土地区桥梁桩基方案经济性比较研究侯杰

侯杰

摘要：桩基础是桥梁与地基直接接触的极为重要部位，承受了下部结构及上部结构的全部荷载，并把它们传递给地基。目前软土地区常规桩基处理方案不能完全解决工后沉降变形大等问题，本文提出了几种处理方案，从工程实例出发，对各方案进行方案比选，为同类工程提供设计参考。

关键词：挤扩支盘桩；摩擦桩；经济性比较；软土地区

引言

随着近年来跨越软土地区高速公路桥梁项日逐渐增多，软土地区摩擦桩存在设计桩长较长、施工质量控制困难、工后沉降变形大等弊端日益显现出来。本文提出了三种软土地区桥梁桩基方案，并简要介绍各种方案的优缺点，以包茂（G65）高速昭君黄河特大桥工程实例，从技术上、经济上分别对摩擦桩方案、桩端后压浆灌注桩方案、挤扩支盘桩方案进行对比，最终总结出既能节约造价又能节约工期同时还能保持工程质量的挤扩支盘桩方案。

1摩擦桩简述

1.1摩擦桩的定义

摩擦桩指的是桩底位于较软的土层内，其轴向荷载由桩体与桩身侧围土体的摩擦阻力和桩端土反力来支承，而通过桩侧摩擦阻力起着主要支承作用的桩。

1.2摩擦桩的分类

摩擦桩可分为端承摩擦桩和摩擦端承桩。桩端阻力非常小时称为摩擦端承桩。桩端阻力较大时称为端承摩擦桩。

1.3软土地区摩擦桩的缺点

在软土地区施工摩擦桩，施工中存在泥皮过厚、孔底沉渣较大、孔壁受水浸泡后桩周土抗剪强度降低等诸多的不利于桩基承载特性的因素，而这些不利因素具有非常大的随机性，导致钻孔灌注桩的承载能力差异很大，据相关试验试验数据显示，相同的地质及施工条件下、同种桩径及结构的桩基础承载力可相差2倍以上，这种现象不仅造成资源浪费，还使钻孔灌注桩的施工质量不可控。

2桩端后压浆灌注桩简述

2.1桩端后压浆灌注桩定义

桩端后压浆灌注桩是通过预先设置在桩体内的导管，在钻孔灌注桩成桩的后一定时间，向桩基端部、桩基侧周压注水泥浆液，使得桩体端部、桩体周围土体得到加固，从而提高单桩的承载力，减小工后不均匀沉降与变形。

2.2桩端后压浆灌注桩优点

桩端后压浆能够通过改变土体力学性能及桩体周边土体的边界条件，进而消除常规灌注桩施工中不可避免的缺陷，从而以达到提高单桩承载力，减少工后沉降。

依据《公路桥涵地基与基础设计规范》的计算规定，通过桩端后压浆使得桩端以上8～12m范围内灌注桩单桩的轴向受压承载力容许值较传统的摩擦桩侧阻力与端阻力都有很大提高。其中粉砂土层中侧阻力提高系数为1.5～1.6，端阻力提高系数为1.8～2。

3挤扩支盘桩简述

3.1挤扩支盘桩的定义

挤扩支盘桩是在普通灌注桩基础上增加设置“盘”或“支”而成，桩身由主桩、底盘、中盘、顶盘及数个分支所组成。挤扩支盘桩采用根基原理，由于挤扩机的挤扩作用，支盘上下端土体得到了压密，减少了压缩性，提高了内摩擦角和压缩模量，其物理力学性质高于原状土，提高支盘承载力，达到提高单桩承载力的目的从而节省设计桩长、节约材料以及节省工期。

3.2挤扩支盘桩的施工控制

挤扩支盘桩施工方法：①采用常规钻孔灌注桩施工设备及施工方法，进行桩基钻孔施工；②桩基钻孔成孔后放入挤扩器，按设计要求对土体进行侧向挤压，通过挤压使桩体挤成盘桩或者支状③提升并撤离挤扩器，进行清孔、支与盘的检测，下钢筋笼，水下灌注混凝土。

挤扩支盘桩在施工挤扩过程中，通过挤扩压力可反映出当前位置土质的性状，这从侧面又检验了地勘资料的准确性，在桩基施工的过程中可以及时修正设计参数。支盘的施工质量直接影响到挤扩支盘桩的最终受力性能，因此一定要保证支盘的施工质量，同时要及时进行记录检查，通过数字扫描仪检测盘腔质量，保证灌注桩质量。

3.3挤扩支盘桩的优点

挤扩支盘桩有如下优点：①挤扩支盘桩通过对土体的挤压，使原状土更加密实，改善了原来较松散的地基土性状，能进一步减少沉降变形。②挤扩支盘桩承载力高、变形小且可靠，地基土在小的压缩变形情况下，是以弹性变形为主，工后的残余变形能大幅度降低。③挤扩支盘桩在下部受力较小段可以变径，下部桩径变小，支盘的承压盘环的面积会变大，在减少了部分摩擦力的同时加大了盘的端承力，总承载力反而会提高。④挤扩支盘桩提高了桩基承载能力，桩基长度可以大幅度优化，桩基施工质量更容易受到控制，桩身变形也会减小。

4工程实例

4.1工程概况

包茂（G65）高速昭君黄河特大桥，全长5.0公里。主桥、跨堤桥上部结构均采用波形钢腹板预应力混凝土连续梁，主桥下部结构桥墩采用空心墩。跨堤桥下部结构桥墩采用实心矩形墩，灌注桩基础。滩地引桥上部结构采用装配式预应力混凝土小箱梁，下部结构为柱式墩、钻孔灌注桩基础。桥台为肋板式桥台。

4.2桩基设计方案

4.2.1摩擦桩方案

主桥主墩墩身为空心墩，主墩每个承台下设22根直径2m钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。桩基础采用C30水下混凝土。

跨堤桥主墩墩身为矩形墩，主墩承台采用分离式结构，每个承台下设6根直径1.8m钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。桩基础采用C30水下混凝土。

滩桥下部桥墩采用双柱式墩，桩基采用4根D150桩。

由于本项目抗震设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度较大，故下部结构及桩长设计由地震力控制。

根据本项目地质情况并参考相关规范，结合以往特殊桥梁设计经验，确定本桥地震作用下单桩抗震承载力提高系数为1.5，钻孔灌注摩擦桩主桥计算桩长90~100m，跨堤桥桩长85~95m，滩桥桩长75m。

4.2.2桩端后压浆灌注桩方案

后压浆关键技术参数参考《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)附录N选取，计算得主桥桩长75m~85m,跨堤桥桩长70~80m，滩桥桩长60m。

4.2.3桩端后压浆灌注桩方案

黄河特大桥桥位处地质条件较差，土层以粉砂、细砂、粉质粘土为主，桥梁桩长较长，其中主桥计算桩长需100m，40m小箱梁滩桥桩长需75m。黄河特大桥桩基础工程规模大，百米级桩长对施工要求较高，且超长桩桩身变形较大，软土地区的摩擦桩利用的是地基土的抗弯、抗剪能力，承载力低，且地基土以塑性变形为主，变形量及残余变形量均较大，桩基总造价较高。采用挤扩支盘桩方案后，桩长可优化减少25～40m，大幅节约工程量，并节省约30%施工工期，经过计算挤扩支盘桩计算主桥、跨堤桥桩长60m，滩桥桩长50m。

4.3桩基方案技术对比

4.3.1受力模式：

钻孔灌注摩擦桩：桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，并考虑一部分桩端阻力。设计一般取桩端阻力占比不大于15%总承载力进行桩长计算。

桩端后压浆灌注桩：对传统摩擦桩进行改进，注浆改变土体的物理力学性能及桩土间边界条件，桩端以上8～12m范围内，侧阻力与端阻力乘以提高系数，受力模式仍属于摩擦桩。

挤扩支盘桩：通过在摩擦桩桩体周边增加支和盘，支和盘与桩体共同受力。

4.3.2施工控制：

钻孔灌注摩擦桩：存在泥皮过厚、孔底沉渣较大、孔壁受水浸泡后桩周土抗剪强度降低等诸多不利因素，且超长桩桩身变形较大，百米级桩长对施工要求较高。

桩端后压浆灌注桩：需在成桩一定时间进行桩端注浆，注浆关键参数为浆液水灰比、注浆压力、持荷时间、压浆流量、注浆总量。桥址区砂层注浆易出现漏浆、跑浆现象，需进行专题试验确定注浆参数，注浆工序施工控制较复杂，注浆效果存在不确定性。

挤扩支盘桩：施工采用正循环工法，采用全液压挤扩支盘机，对各支、盘端部土体进行静力挤压，提高盘端土承载力。施工过程中挤扩器可以间接验证土体力学性能，能够及时调整设计及施工参数。需要专用液压挤扩设备，设备投入较高，需有挤扩支盘桩施工经验的单位进行挤扩施工，施工质量较易控制。

4.3.3施工工期：

钻孔灌注摩擦桩：桩基规模大，存在超长桩，桩基施工工期最长。

桩端后压浆灌注桩：与方案一相比，桩长优化15m左右，桩基规模有所减小，成桩后需进行桩端注浆，工期节省约10%～15%。

挤扩支盘桩：与方案一相比，桩长优化25m～40m，桩基规模大幅减小，桩基施工仅增加一道挤扩支盘工序，工期节省约30%。

4.4桩基方案经济比选

钻孔灌注摩擦桩：2m直径桩基总长34600m，1.8m直径桩基总长15320m；桩基混凝土共147684m3，钢筋13655t，造价最高。

桩端后压浆灌注桩：2m直径桩基总长28780m，1.8m直径桩基总长12620m；桩基混凝土共122602m3，钢筋13006t，造价居中。

挤扩支盘桩：2m直径桩基总长11640m，1.8m直径桩基总长5400m，1.6m直径桩基总长9960m，1.4m直径桩基总长4760m；桩基混凝土共79032m3，钢筋11262t，造价最低。三方案造价对比见表4。

表4造价对比表

4.5挤扩支盘桩方案单价分析

通过造价对比表我们可知挤扩支盘桩方案桩基混凝土工程量比摩擦桩方案混凝土工程量优化减少了46.49%左右，钢筋工程量优化减少了17.52%,桩基础造价由25313万元优化为22318万元，优化比例约11.7%。原设计桩长优化后减少接近50%，而造价只减少10%。通过分析预算数据文件可知，减少这40%的造价被挤扩支盘桩的“盘”和“支”消耗掉了。据测算盘和支综合单价为20000元/个（包含专利费），滩桥设计696个支盘，跨堤桥设计184个支盘，主桥设计1244个支盘，粗略按照20000元/个计算，支盘建安费4248万元，事实上每个盘和支的混凝土方量非常少，如果单独从材料费上计算一个盘也就1000元左右，大部分费用是挤扩器的机械租赁费以及挤扩支盘装的专利费用，经调查询价，挤扩器设备原值560万元，设备按6年折旧并考虑残值，折算台班单价为15000元左右，并且该设备只提供给施工单位租赁，不对外出售。除此之外挤扩支盘桩厂家还要按照设计方案优化收取一定比例专利费。设备租赁费、设计专利费这两项垄断性费用直接导致了桩基长度优化的费用被大打折扣。

目前挤扩支盘桩方案在技术上可行，在实际应用中在宁波绕城项目匝道桥上使用了近600根挤扩支盘桩，2011年该项目建成通车，至今使用良好，经过长期观察并没用发现沉降位移。浙江潮汕环线项目中完成了6组试验段，并最终应用到了整个潮汕环线项目上，并取得了很好的效果。但是，从实施的角度来看，施工单位是抗拒的，传统桥梁项目的桩基础是施工单位的大肥肉，是项目的盈利点，通常上部结构的利润较薄，上部结构赔钱从基础工程上找补回来，上下中和算下来还能盈利。现在挤扩支盘桩厂家的杀入，施工单位拿到项目后建设单位通过变更把一半般桩长砍掉了，可能会引起施工单位为了保证合理利润从工程项目别的地方偷工减料，进而给工程质量埋下隐患。桩长减少了一半，业主也没少花钱，最终暂时的赢家是挤扩支盘桩厂家。挤扩支盘桩技术未来想要大规模推广，必须考虑到以上的社会性，厂家、设计、施工、业主几方博弈达到平衡，新技术才能被大众所接受。新技术才能有生命力，挤扩支盘桩生产厂家未来不妨通过降低技术壁垒，让利于大家，方能长久走下去。

5结论

传统摩擦桩方案，存在超长桩，施工质量不易保证，工程造价高，施工工期长；桩端后压浆灌注桩方案改善摩擦桩受力，工程造价及施工工期略有降低，但桩端后注浆施工控制较复杂，注浆效果存在不确定性；挤扩支盘桩受力模式接近于端承型桩，发挥砂土层桩端承载力，采用液压挤扩设备进行支盘挤扩，施工质量较易控制，工程造价最低，节约30%桩基施工工期。综合受力模式、施工难度、工程造价、施工工期等因素，挤扩支盘桩做为桩基设计推荐方案从技术及经济上更可行。

挤扩支盘桩方案通过优化桩身结构，在软土地区实现了变摩擦桩为端承型桩，消除了摩擦桩在各种荷载作用下的不利因素，可显著节省桩基工程数量、降低工程造价、缩短工期、提高施工质量，在工程建设中实现了节能降耗、减排环保等显著的社会效益。挤扩支盘桩在宁波、唐山、北京、天津等诸多基岩很深的软土地区桥梁中的应用效果非常良好。

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