礫砂層樁端后注漿灌注樁承載性能試驗研究

陳翠麗，殷開成，宋偉偉，王 旭

（1.東南大學 建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210096；2.南京賽寶液壓設備有限公司，江蘇 南京 211164；3.江蘇京滬高速公路有限公司，江蘇 淮安 223005）

引言

灌注樁具有地層適應性好、承載力高等特點，目前已作為橋梁、建筑物的基礎，得到廣泛的應用。當采用泥漿護壁工藝時，灌注樁將不可避免的在樁端產生沉渣、在樁側產生泥皮，一定程度上會削弱樁基承載力；當沉渣和泥皮較厚時，樁基承載力將有明顯下降。

近年來，針對泥漿護壁灌注樁的固有缺陷，專門開發了后注漿工藝，即在成樁后一定時間內，通過樁身預留的注漿管，向樁端注入水泥漿加固樁端沉渣、向樁側注入水泥漿加固樁側泥皮，從而起到增大承載力、減小沉降的作用，顯著改善樁基承載性能［1-5］。

灌注樁后注漿效果因采用的施工工藝、注漿方式、地層的不同而有所變化，宜通過現場試驗確定注漿參數和樁基承載力［6-8］。

1 試樁條件

根據地質勘察報告，TP1 試驗樁所在處的地層分布情況見圖1，從上到下依次為：②粉質黏土：褐黃～黃褐色，硬塑、稍濕，以粉質黏土為主，極限側阻力標準值qsik=50 kPa。③礫砂：黃褐色，中密，濕～飽和，以中粗砂為主，混約30%的圓礫或卵石顆粒，局部含量較高，圓礫顆粒粒徑2～30 mm，少量直徑可達70 mm，qsik=60 kPa。④粉質黏土：褐灰色，呈飽和、可塑狀態，主要由黏土礦物組成，qsik=60 kPa。⑤礫砂：黃褐色，呈飽和、密實狀態，以中粗砂為主，混約40%的圓礫或卵石顆粒，顆粒粒徑2～30 mm，少量直徑可達70 mm，qsik=70 kPa，極限端阻力標準值qpk=2 000 kPa。

圖1 TP1 試驗樁處地層

TP1 試驗樁的基本參數見表1，其中，試驗樁有效樁長20.0 m，絕大部分處于礫砂層。采用樁端后注漿工藝，共設置2 根注漿管，長度超出鋼筋籠，使其注漿段位于樁端以下礫砂層中，見圖2。

表1 TP1 試驗樁參數

圖2 樁底注漿管

我國建筑、公路行業設計規范均有樁基后注漿的內容，注漿量：

式中：Gc—注漿量，以水泥質量計，t ；ap—樁端注漿系數；as—樁側注漿系數；d—樁徑，m ；n—樁側注漿斷面數［7］。

試驗樁所處的礫砂層，建筑、公路規范給出的樁端注漿系數分別為1.5～1.8、2.7～3.0。本項目樁徑800 mm，建筑行業使用較多，故按建筑規范進行注漿設計。取αp=1.8，可得樁端注漿量Gc=1.44 t，設計注漿量按1.5 t 計。

2 試驗方法

TP1 的設計樁頂標高位于自然地面以下約15 m處，施工順序為先開挖、后打樁、再注漿和測試。因開挖后的施工場地受限，加之工期較為緊張，故本次靜載試驗采用場地條件要求低、試驗周期短的自平衡法進行［9-10］。

自平衡法是在樁身中預埋特制加載裝置—荷載箱，將樁身分成上下兩段，分別測試樁側阻力與樁端阻力的試驗方法，原理見圖3［9-11］。

圖3 自平衡法試驗原理

TP1 荷載箱的加載能力為2×6 450 kN，埋設于樁底向上2.5 m 處，見圖1、圖4。在樁底及荷載箱上部1 d 處、④、⑤土層分界面處、以及⑤土層中間部位埋設了應變計，進行樁身軸力測試。

圖4 荷載箱及鋼筋籠下放

3 現場測試

TP1 試驗樁的現場測試，按《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》（JGJ/T 403—2017）進行。試驗分級荷載為2×645 kN，第一級按分級荷載的2倍施加。當加載至2×6 450 kN 時，荷載箱處向上位移增量大于前一級位移增量的5 倍，且位移總量超過40 mm，上段樁發生陡變破壞，故終止加載，卸載至零。試驗測得的荷載-位移曲線見圖5，各級荷載作用下的樁身軸力分布曲線見圖6（后兩級測試應變計有損壞）。

圖5 TP1 荷載-位移測試曲線

圖6 TP1 樁身軸力分布曲線

4 結果分析與討論

4.1 極限承載力

由圖5 測試曲線可見，上段樁呈陡變型破壞，故其極限加載值取拐點處對應的荷載值5 805 kN。下段樁的荷載-位移曲線呈緩變型，當加載至2×5 160 kN時，荷載箱處向下位移42.46 mm，滿足40 mm（0.05 d）的位移標準［10-12］，認為已達到極限承載力。按JGJ/T 403—2017，下段樁的極限加載值取對應位移為40 mm（0.05 d）時的荷載值，為5 050 kN［10］。

按《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》（JGJ/T 403—2017），TP1 單樁豎向抗壓極限承載力：

式中：Qu—抗壓承載力極限值，kN；Quu—上段樁的極限加載值，kN；W—荷載箱上段樁的自重與附加重量之和，kN；γ1—抗壓摩阻力轉換系數；Qud—下段樁的極限加載值，kN［10］。

現取浮重度計算自重W，抗壓摩阻力轉換系數取0.8，可得TP1 單樁豎向抗壓極限承載力為12 141 kN。

4.2 樁側阻力、樁端阻力與注漿增強系數

根據樁身軸力測試結果，上、下兩測試斷面間的側阻及端阻：

式中：qsi—樁側阻力，kPa；Qi—樁身軸力，kN；u—樁身周長，m；li—測試斷面間樁長，m；qp—樁端阻力，kPa；Qb—樁端軸力，m；A0—樁端面積，m2。

由式（3）求得側阻為負向側阻，在扣除自重并除以抗壓摩阻力轉換系數后，可得與傳統靜載試驗相一致的正向側阻。現取上段樁極限加載值5 805 kN 作用下的軸力，可得⑤礫砂的平均側阻為186 kPa。

式（4）中Qb為樁端軸力，但試驗樁在樁端以上0.8 m 處布設應變計，故測得的是該位置軸力。現將該段長度的側阻按⑤礫砂的平均側阻扣除，從而得到下段樁的端阻。下段樁荷載-位移曲線為緩變型，內力測試只在分級荷載作用下進行，故只能取向下位移超過40 mm 時的荷載（5 160 kN，42.46 mm）對應的端阻為極限承載力，為7 789 kPa。

按側阻、端阻測試結果與地勘報告提供的承載力對比，得到⑤礫砂層的注漿增強系數見表2。

表2 側阻增強系數實測值

目前，我國建筑、公路行業設計規范均提供了注漿增強系數。本項目礫砂增強系數實測值與各規范推薦值的比較見表3。

表3 側阻增強系數與規范比較

由表3 可見，側阻、端阻增強系數的實測值，均大于建筑和公路行業規范的上限值，并且與建筑行業規范的上限值較接近，說明按《建筑樁基技術規范（JGJ 94—2008）》進行樁基注漿設計，計算得到的承載力偏保守、偏安全。

4.3 等效轉換曲線

按《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》（JGJ/T 403-2017）附錄E，將TP1 測得的上、下兩段樁的荷載-位移曲線，見圖5 等效轉換為傳統靜載試驗樁頂加載時的荷載-位移曲線，其中，荷載按式（5）計算，沉降按式（6）計算，等效轉換結果見圖7。

式中：Quj—上段樁荷載，kN；Qdj—下段樁荷載，kN；Lu—上段樁樁長，m；Ep—樁身彈性模量，kPa；Ap—樁身橫截面面積，m2；sdj—荷載箱向下位移，m［10］。

圖7 TP1 等效轉換荷載-位移曲線

按《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106—2014），可取樁頂沉降為40 mm（0.05 d）時的荷載為豎向抗壓極限承載力［12］，得到TP1 單樁豎向抗壓極限承載力為11 717 kN；此結果與式（2）計算結果12 141 kN 的比值為96.5%，二者基本一致。

5 結語

（1）自平衡法靜載試驗，可用于場地條件受限、工期緊張的基樁承載力測試。（2）對礫砂層中樁端后注漿灌注樁承載性能進行了現場試驗研究。試驗樁上段樁產生了陡變破壞，極限承載力對應的礫砂層平均側阻為186 kPa，相應的注漿增強系數為2.66，大于《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）的上限值但較接近。（3）下段樁荷載-位移曲線為緩變型，取向下位移超過40 mm（0.05 d）對應的端阻7 789 kPa 為極限承載力，其注漿增強系數為3.89，大于《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）的上限值但較接近。（4）本項目按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）進行樁基注漿設計，得到的承載力是偏保守、偏安全的。