深厚軟土地區長鉆孔灌注樁后注漿試驗研究

鄒金鋒 ，安愛軍，鄧宗偉，肖華溪

(1. 中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規劃勘察設計院，湖南 長沙，410008)

目前廣泛使用的樁基后注漿技術可以固化樁底沉渣，改善樁側泥皮性能，提高樁的極限承載力，減小樁基工后沉降。國內外學者[1-2]對注漿樁的受力性及其與注漿量的關系進行了研究，并給出了不同的計算分析方法，但是，關于后注漿對樁基工后沉降影響的研究較少。張忠苗等[3]通過試樁獲得后注漿樁的承載力比注漿前的承載力提高20%～30%，對礫石持力層，可提高 40%以上，且沉降量明顯減少。程曄等[4]采用自平衡試樁法獲得了幾個重大工程的超長大直徑鉆孔灌注樁樁端承載力實測值。王陶等[5]對超長樁的承載性能和荷載傳遞機理的研究表明：超長樁的荷載-沉降曲線沒有明顯破壞點，其豎向荷載主要依靠樁側摩阻力進行傳遞，樁側摩阻力的發揮存在最佳深度。黃生根等[6]通過實驗獲得樁基總側阻提高幅度為 12%以上，端阻提高1.4倍以上。側阻力增量對樁極限承載力的貢獻可達到1.5倍以上。吳鵬等[10]提出考慮樁側摩阻力的深度效應的單樁及群樁的荷載傳遞函數，并獲得了較可靠的預測結果。黃敏等[11]分析了后注漿樁的荷載與位移特性的計算方法。周波等[14]通過彈性理論和 Mindlin位移解推導出樁頂和樁間土的沉降量計算公式。但是，上述研究并未涉及后注漿樁技術減小樁基工后沉降。在京滬高速鐵路的建設中，為控制地基沉降對工程的影響，大量采用橋梁，因此，掌握深厚軟土地區中控制長鉆孔灌注樁的工后沉降技術非常重要。在此，本文作者在京滬高速鐵路的長鉆孔灌注樁的后注漿現場實測數據的基礎上，對豎向荷載下深厚軟土地區長鉆孔灌注樁后注漿加固前、后的荷載傳遞特性、荷載沉降特性等進行研究，揭示深厚軟土地區長鉆孔灌注樁注漿加固前、后的承載性狀和沉降特性等。

1 工程地質與實驗概況

根據現場地質勘查資料可知：0～-10 m的土為淤泥質黏土；-10～-17 m的土為粉質黏土；-17～-52.29 m為粉土，且隨深度增加，其承載力略有增加；-52.29～-61 m的土為粉砂土。各土層中，地下水豐富，基本處于飽和狀態。

注漿樁的具體情況為：503～508號樁基加3根試驗樁S1，S2和S3。其中，505號和506號樁為未注漿樁，S3為樁端樁側同時注漿，其余為注漿樁。樁側注漿點的位置為樁長的2/3處，樁端和樁側注漿均用預埋管。各試驗樁注漿參數如表1所示。

圖1 樁荷載-沉降曲線Fig.1 Curves of load and settlement for pile

表1 試驗樁注漿參數Table1 Grouting parameters of pile

2 荷載沉降關系結果

2.1 荷載沉降關系

采用慢速維持荷載堆載法，荷載分9級加載。試驗中，儀器可以自動補載，從而保證每級荷載的穩定。加載方法、加載穩定判定標準和終止加載條件嚴格按照《鐵路基樁檢測技術規范》執行。樁荷載-沉降曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：4.6 MN荷載作用下，注漿和未注漿樁均未達到破壞。在荷載水平較低時，注漿與否對荷載-沉降曲線的影響不大。與未注漿柱相比，注漿柱的樁頂沉降減少量如表2所示。從表2可見，在4.6 MN荷載作用下，樁端注漿的樁頂沉降比未注漿樁的減少30%以上，樁側注漿的樁頂沉降比未注漿的小20%以上。后注漿技術能較好地改善了樁的工程特性。

從圖1和表2可以看出：在荷載水平較低時，與未注漿樁相比，樁側注漿樁的沉降速率較快。對未注漿樁而言，在樁頂施加荷載初期，由于荷載不夠大，淺層土體的摩阻力全部承擔了樁頂荷載，樁頂位移主要為樁側土體與樁體之間的相對位移；當樁側土體注漿之后，樁側土體被加固，強度顯著提高，樁頂位移主要為樁身壓縮，而樁側土體與樁體之間的相對位移所占比例較小。

2.2 持荷時間曲線

由于高速鐵路對工后沉降要求極其嚴格，樁基后注漿加固是減小樁基工后沉降的有效方法之一。本試驗主要通過模擬工作荷載作用下樁基持荷時間與沉降的關系，獲得了9根典型樁基在不同荷載作用下的荷載-時間曲線，如圖2所示。

表2 沉降減少量Table2 Decreasement of displacement %

圖2 樁基的荷載-時間曲線Fig.2 Curves of load and time for pile

從圖2可以看出：在6.0 MN恒定荷載作用下(遠大于工作荷載4.6 MN)，隨著持荷時間的延長，總體沉降趨勢不變。在持荷荷載為4.6 MN時，隨著持荷時間的延長，其沉降有微量回彈趨勢。因此，后注漿技術是減小樁基工后沉降的有效方法之一。

3 應力試驗結果

3.1 各級荷載下的樁身軸力

試樁在各級荷載作用下的樁身軸力分布可以通過埋設在樁身 14個斷面處的鋼筋應力計所采集的數據換算得到。鋼筋應力計實測為鋼弦振動頻率，由下式計算得到某一級荷載作用下i斷面鋼筋軸力pi：

式中：K為標定系數；Fi為某一級荷載作用下 i斷面鋼弦振動頻率, Hz；F0為鋼弦初始振動頻率, Hz；B為計算修正值, kN，由儀器標定書提供。得到i斷面鋼筋軸力后，可以由下式計算該斷面鋼筋應變εi：

式中：Ag為鋼筋面積，m2；Eg為鋼筋彈性模量，kPa。鋼筋和混凝土澆灌在一起，假設二者變形一致，即任一斷面鋼筋與混凝土具有相同的應變。故樁身軸力為

式中：Ec為混凝土彈性模量，MPa；Ac為混凝土面積，m2。

3.2 樁側阻力隨深度變化關系

根據靜力平衡原理，不考慮樁身自重影響，相鄰2個測試斷面間的軸力變化值等于兩斷面間的側阻發揮值，由此可算出該段樁樁側平均側阻力qsi：

式中：U為樁身周長，m；li為第i層土厚度，m；i-1和 i分別為土層的上、下界面；Qi-1和 Qi分別為第 i個土層上、下分界面處實測軸力，kN。

各級荷載下軸力和摩阻力沿樁身深度變化如圖 3和4所示。從圖3和4可以看出：

(1) 503～508號樁樁側阻力的最大值分別出現在樁頂以下位置：26，18，20，20，18和20 m；對應的最大摩阻力分別為：44.60，44.60，42.20，41.40，48.56和55.73 kPa。而最大摩阻力對應的土層為粉質土，其對樁基的摩阻力發揮比黏土、淤泥質黏土和粉質黏土的好。

(2) 503～508號樁樁端阻力分別占總荷載的6.96%，6.09%，8.70%，8.26%，5.43%和 4.35%。說明樁在傳遞豎向荷載的過程中，大部分荷載轉由樁側土體以摩阻力的形式承擔。樁頂荷載在傳遞過程中，上部土層側阻力先于下部發揮，隨荷載增加，下部土層的側阻力逐步被激發，同時還可看出各土層側阻力的增速不同，其峰值有逐漸下移的趨勢。503～508號樁樁側摩阻力占總荷載的93.04%，93.91%，91.3%，91.74%，94.57%和95.65%，說明軟土地區超長樁受力以樁側摩阻力為主。

(3) 在豎向荷載下，樁身軸力曲線大致呈線性分布，且隨樁體深度的增加而逐漸減小。軸力曲線上某段區間的斜率則反映了該段土層的側阻力：斜率越大，則側阻力越小；反之，則側阻力越大。

圖3 樁軸力沿樁身深度變化曲線圖Fig.3 Distribution of axis force along length of pile

(4) 加載初期，由于樁側阻力較小，曲線較陡，隨荷載增加，曲線逐步變緩，說明樁側阻力在逐漸發揮，樁端阻力也隨之不斷增大，也說明各測試截面軸力隨加載的增加逐漸增加，而增幅則與樁側各土層阻力的發揮程度有關。

(5) 樁側注漿樁的摩阻力顯著提高且軸力傳遞隨深度衰減得更快，層面間軸力曲線的斜率也較大。隨著荷載的增加，這種趨勢更加顯著。

(6) 樁端荷載與未注漿樁相比有所減小。原因是漿液的上升對樁側泥皮起到固化作用，使樁-土形成一個更加緊密的共同作用系統，改善了基樁的力學性狀。而且由于鉆孔灌注樁泥漿護壁的存在，阻礙了樁身與樁周土的黏結咬合，降低了樁側摩阻力。因此，泥漿護壁的存在成為泥漿護壁法鉆孔灌注樁的一大癥結，而通過樁基后注漿技術可有效解決，使樁側摩阻力得到顯著提高。

圖4 摩阻力沿樁身深度變化曲線圖Fig.4 Distribution of frictional resistance along length of pile

4 結論

(1) 確定了總荷載為4.6 MN時各級荷載作用下的樁身軸力和樁側摩阻力隨樁身深度的變化規律。樁側摩阻力占總荷載的93%左右，樁端軸力只占樁頂荷載的5%左右。

(2) 當注漿量為3 t且注漿壓力為1～3 MPa時，在4.6 MN荷載作用下，樁側注漿可減小樁頂位移23%左右，樁端注漿可減小樁頂位移32%左右。

(3) 通過樁基后注漿技術，在一定程度上增大了樁徑，改善了樁側土體受力特性，顯著提高了樁側摩阻力。因此，后注漿技術是減小工后沉降的有效方法之一。

[1] Eriksson M, Stille H, Andersson J. Numerical calculations for prediction of grout spread with account of filtration and varying aperture[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2000,15(4): 353-364.

[2] Almer E C. Grouting for pile foundation improvement[D]. Dleft,Netherlands: Dleft University. School of Civil Engineering, 2001:101-123.

[3] 張忠苗, 辛公鋒. 不同持力層鉆孔樁樁底后注漿應用效果分析[J]. 建筑結構學報, 2003, 23(6): 85-90, 94.

ZHANG Zhong-miao, XIN Gong-feng. The application effect analysis of post-grouting under bored piles with different bearing strata[J]. Journal of Building Structures, 2003, 23(6): 85-90, 94.

[4] 程曄, 龔維明, 戴國亮, 等. 超長大直徑鉆孔灌注樁樁端承載力研究[J]. 南京航天航空大學學報, 2007, 39(3): 407-411.

CHENG Ye, GONG Wei-ming, DAI Guo-liang, et al. Bearing capacity of super-long and large-diameter bored pile tip[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2007, 39(3): 407-411.

[5] 王陶, 馬曄. 超長鉆孔樁豎向承載性狀的試驗研究[J]. 巖土力學, 2005, 26(7): 1053-1057

WANG Tao, MA Ye. Study on over-length drilled pile bearing behavior under vertical load[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005,26(7): 1053-1057.

[6] 黃生根, 龔維明. 超長大直徑樁壓漿后的承載性能研究[J].巖土工程學報, 2006, 28(1): 113-117.

HUANG Sheng-gen, GONG Wei-ming. Study on bearing behavior of super long-large diameter piles after grouting[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(1):113-117.

[7] 肖華溪. 深厚軟土樁基后注漿技術試驗與研究[D]. 長沙: 中南大學土木建筑學院, 2009: 10-15.

XIAO Hua-xi. Test study on post-grouting technical of piles in depth and soften soil[D]. Changsha: Central South University.School of Civil Engineering & Architecture, 2009: 10-15.

[8] 蔣建平. 大直徑超長樁的承載潛力問題探討[J]. 西安建筑科技大學學報: 自然科學版, 2006, 38(3): 333-338.

JING Jian-ping. Study on the potential bearing capacity of long diameter and super-long pile[J]. Journal of Xi’an University of Architecture and Technology: Natural Science, 2006, 38(3):333-338.

[9] 費鴻慶, 王燕. 黃土地基超長灌注樁工程性狀研究[J]. 巖土工程學報, 2000, 22(5): 576-580.

FEI Hong-qing, WANG Yan. Research of super-long hole bored pile in loess subsoil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 22(5): 576-580.

[10] 吳鵬, 龔維明, 梁書亭. 考慮深度效應的超長單樁荷載傳遞性狀的研究[J]. 巖土力學, 2007, 28(6): 1265-1268.

WU Peng, GONG Wei-ming, LIANG Shu-ting. Study on load transfer law of over length piles considering depth effect[J].Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(6): 1265-1268.

[11] 黃敏, 張克緒, 張爾齊. 樁底灌漿在樁端周圍土體中引起的應力分析[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2002, 34(3): 433-435, 439.

HUANG Min, ZHANG Ke-xu, ZHANG Er-qi. Analysis of stress in soil mass around pile bottom induced by grouting[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2002, 34(3): 433-435, 439.

[12] 胡慶立, 張克緒. 樁底壓漿樁在軸向荷載作用下的有限元分析[J]. 哈爾濱建筑大學學報, 2002, 35(1): 48-52.

HU Qing-li, ZHANG Ke-xu. Finite element analysis of base-grouted pile under axial load[J]. Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture, 2002, 35(1):48-52.

[13] 劉金礪, 邱明兵. 單樁、單排樁、疏樁基礎及其復合樁基的沉降計算[J]. 土木工程學報, 2007, 40(增刊): 152-158.

LIU Jin-li, QIU Ming-bing. Settlement calculation for pile foundation and composite pile foundation with single pile and sparse piles[J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 40(S):152-158.

[14] 周波, 楊慶光, 張可能. 剛性基礎下柔性樁復合地基有效樁長的計算方法[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2007, 38(1):175-179.

ZHOU Bo, YANG Qing-guang, ZHANG Ke-neng. Calculation method for effective length of flexible piles for composite foundation with rigid foundation[J]. Journal of Central South University, 2007, 38(1): 175-179.