樁端后注漿灌注樁承載能力增強機理試驗研究

張 恒, 劉干斌*, 周 曄, 韓 仲

樁端后注漿灌注樁承載能力增強機理試驗研究

張 恒1, 劉干斌1*, 周 曄1, 韓 仲2

（1.寧波大學 巖土工程研究所, 浙江 寧波 315211; 2.中鐵上海工程局集團有限公司, 上海 200436）

為進一步研究灌注樁樁端后注漿承載機理, 對寧波某施工場地的4根灌注樁開展了現場試驗研究. 4根灌注樁均采用自平衡方式加載, 以加載方式獲得每根樁的曲線, 并通過樁身內部埋設的傳感器得到加載期間樁身及樁底的應力數據, 根據應力分析研究樁身彎矩及樁側摩阻力的變化. 測試結果表明: 樁端后注漿能提高鉆孔樁豎向極限承載力約20%; 注漿期間, 樁側摩阻力的重新分布使樁身軸力發生較大變化, 且樁端承受彎矩會對樁體結構造成一定破壞; 加載期間, 注漿樁的樁端部分承載力主要由樁側摩阻力提供, 而非注漿樁的樁端部分承載力主要由端阻力提供; 在透水地層中, 樁承載力的提高依賴于樁側摩阻力的影響, 而在不透水地層中擴大頭的產生也會成為影響因素.

樁端后注漿; 灌注樁; 自平衡加載

鉆孔灌注樁由于其施工工藝簡單、承載力高等優點, 在寧波地區的建筑、道路、橋梁和廠房等基礎建設中被廣泛地應用. 由于施工過程中, 其泥漿護壁會降低側阻, 且孔底殘渣會降低樁端阻力, 致使鉆孔灌注樁承載力不足. 樁端后注漿技術的出現能有效改善以上問題. 通過向樁底注入水泥漿, 加固樁端部分的殘渣, 達到提高樁端承載力的效果. 現已有不少學者對該工藝進行過研究[1-4].

1958年馬拉開波湖大橋工程首次將后注漿法用于預制樁的底部注漿, 此后該技術通過不斷研究創新得到了越來越廣的應用[5]. 張忠苗等[6]通過現場的靜載試驗, 對比了注漿樁與非注漿樁的承載力和變形量, 結果表明注漿能提高單樁承載力20%～40%, 并且能保證群樁沉降均勻. 黃生根等[7]根據自平衡靜載試驗得到的數據, 研究了后注漿對超大直徑樁樁端阻力與側阻力的影響, 結果表明端阻增量遠大于側阻. 何劍[8]基于現場靜載試驗, 研究了2根注漿樁與非注漿樁的荷載傳遞機理, 并分析了樁側阻力與端阻力的發揮情況, 發現樁端后注漿使樁-土能更緊密地形成一個整體, 有效地改善了樁的承載性能. 王忠福等[9]對比分析了后注漿樁、三岔雙向擠擴樁、擠擴支盤樁的現場靜載試驗, 發現后注漿工藝樁的承載力大于另外2種類型樁. 張忠苗等[10]通過注漿樁與非注漿樁的靜載荷試驗, 分析了樁在不同持力層的曲線與承載力變化, 發現土層顆粒的大小明顯影響注漿效果.

當前, 國內對于鉆孔灌注樁樁端后注漿承載特性機理研究較多, 其方法多為理論計算, 基于現場試驗研究較少. 因此, 本文通過對1000mm直徑的注漿與非注漿鉆孔灌注樁的自平衡加載試驗, 研究樁端后注漿對樁極限承載力、樁身內力、樁側摩阻力的影響, 并分析注漿提高承載力的機理, 為軟土地區樁端后注漿施工提供有效參考.

1 樁端后注漿試驗方案

1.1 試驗概況

本次試驗對象為4根鉆孔灌注樁, 編號分別為1#樁(不注漿)、2#樁(不注漿)、3#樁(注漿)、4#樁(注漿). 其中, 1#樁、4#樁的樁底持力層為⑨1a粉質黏土圓礫, 2#樁、3#樁的樁底持力層為⑨2b圓礫. 4根樁樁長均為70m, 樁身直徑1m.

1.2 測點埋設

考慮到注漿期間樁底漿液壓力分布的不均勻, 本次試驗選2個土壓力計作為一組樁端壓力測試傳感器, 一個放置在樁底的正中心, 一個放置在樁底的側邊(圖1). 樁身內力通過鋼筋應力計進行測試, 沿樁深方向設置了12個測試斷面, 深度分別為2.0、6.0、14.7、21.4、30.1、40.8、49.5、56.2, 60.2、64.9、68.9、70.0m. 為了測取樁身彎矩, 每個測試斷面埋設2個鋼筋應力計.

圖1 土壓力計安裝

1.3 自平衡加載

加載采用基樁自平衡法, 每根試樁通過一個環形荷載箱進行加載, 荷載箱安裝在距離樁端6.5 m處(圖2). 加載共分為9級, 分級加載量為預估極限承載力的1/10(即900kN), 第1級按2倍分級加載量加載(即1800kN), 第2級加載值為2700kN, 第3級加載為3600kN, 以此類推, 直到第9級加載值為9000kN. 通過以上加載可得到每級加載值與樁身向上、樁身向下位移的分段關系曲線, 運用簡化轉換方法[11], 將分段曲線轉換為受壓樁的一條等效樁頂曲線. 樁頂等效荷載和樁頂位移由式(1)、(2)確定:

式中: K為上段與下段樁向靜載受壓的轉化系數; Qu、Qd分別為平衡點向上及向下的荷載; Gp為上段樁的自重.

2 自平衡加載結果

將自平衡加載試驗的數據進行轉換, 發現4根樁的最終沉降量均未超過30mm, 根據文獻[12]的要求, 對樁端直徑為1000mm的樁, 單樁豎向抗壓極限承載力可取等于50mm對應的荷載, 因此為確定4根樁的極限承載力, 本文運用灰色理論來預測樁基極限承載力. 灰色理論是一種對含有不確定因素系統進行預測的方法[13], 該方法通過分析系統因素發展趨勢的差異程度, 對一系列的原始數據進行生成處理, 并建立相應的微分方程, 從而預測事物的全貌, 基于該理論建立—曲線的GM(1,1)微分方程模型能有效地預測單樁未達到破壞的極限承載力, 且已有不少學者通過工程實例驗證了該方法預測的精確性[14-17].

通過該理論得到的預測值如圖3所示. 從圖中可以看出, 樁端后注漿可提高樁基承載力約20%. 未注漿的1#樁及2#樁的承載力較為接近, 注漿后3#樁和4#樁的承載力較為接近, 1#樁與4#樁的地層較為接近, 2#樁與3#樁的地層較為接近, 由于4根樁的施工工藝都是相同的, 因此可以認為2種不同樁端地層注漿所提高的承載力是接近的.

圖3 樁極限承載力預測

3 樁身軸力及樁底壓力測試成果

3.1 成樁期間數據分析

從圖4和圖5可以看出澆筑后, 初期樁身軸力自上向下呈現先增大后減小的規律. 樁端部分的樁身軸力均較小, 且成樁期間樁端的土壓力變化很小, 其數值遠小于樁端地層反力. 由此可見, 本次試驗的4根樁均為摩擦樁, 且樁端因沉渣造成孔隙較多. 測試得到的樁身最大軸力主要集中在40～ 60m深度范圍內. 隨著水化熱的散去及樁體在自重作用下的下沉, 樁身的軸力逐漸減小, 并在樁的下沉過程中, 樁側土體的摩阻力會使樁身局部出現拉應力.

圖4 成樁期間的樁身軸力曲線

3.2 注漿期間數據分析

從圖6可以看出在注漿初期, 樁底注漿對樁身軸力的深度影響范圍為40～70m. 注漿引起樁身下半部分軸力增大, 其原因是漿液充滿樁底周邊空隙后, 漿液會對樁底面產生向上的頂力, 該頂力會顯著降低樁側原有的摩阻力, 致使樁身軸力增大. 由于漿液充滿樁端空隙后, 會沿樁體的側壁繼續向上流動, 這種漿液填充樁端側壁空隙的過程會顯著增強樁端上部區域原有的樁側摩阻力, 且漿液作用在側壁上的向上頂力也會增加樁身的軸力, 所以注漿完成且穩定后, 樁身增加的軸力主要位于樁端上部15～30m范圍內, 注漿引起的最大軸力為1332kN.

從圖7可以看出, 樁端極限壓力處于790～939 kPa范圍內. 本試驗樁端埋深為70m, 樁端地層為圓礫層, 該地層為承壓含水層, 承壓水頭距離地表7m, 即樁端承壓水的壓力約為630kPa, 其壓力略小于樁端極限壓力. 根據以上數據分析可推測樁端地層注漿的極限壓力由兩部分組成, 一是承壓水的壓力, 二是樁端沉渣的劈開荷載. 所以樁端壓力不會隨著持續注漿而無限增大, 當樁端壓力超過極限壓力時, 漿液會劈開地層, 釋放多余應力.

從圖8可以看出, 注漿樁與非注漿樁在注漿后15d的樁身軸力變化差異較為明顯, 注漿樁的樁身軸力增量普遍大于非注漿樁的樁身軸力增量. 該軸力增量的產生主要有兩個原因, 一是注漿改變了樁側摩阻力, 使得原有樁側摩阻力重新進行分布; 二是注漿產生了樁端殘余應力, 此殘余應力減小了總樁側摩阻力, 并增大了樁端部分的軸力.

圖8 1#～4#樁注漿后15d樁身軸力變化

樁端注漿期間, 由于注漿管位于鋼筋籠一側, 注漿時漿液集中在樁體一側, 在漿液壓力的作用下, 樁端部分將承受較大的彎矩. 從圖9可以看出, 注漿產生的最大彎矩達到1688kN·m, 主要位于樁端上部10～20m, 最大彎矩出現的時間約在注漿開始1h后. 本試驗鉆孔樁樁徑1m, 混凝土強度C30, 其理論極限抗彎彎矩為2945kN·m. 當樁體承受的彎矩超過該數值時, 樁體會產生強度破壞. 而本次注漿產生的彎矩超過了極限彎矩的一半, 會對樁體結構安全造成一定的影響.

3.3 加載期間數據分析

在加載過程中, 注漿樁下部樁身軸力增量普遍大于未注漿樁, 而非注漿樁的樁端壓力增量要遠大于注漿樁, 造成以上現象的原因是樁端注漿期間, 漿液只會沿著地層軟弱面擴散. 因為樁端中心區域的地層抗力比樁周的地層抗力要大, 漿液從樁側噴出時, 僅有少量漿液向樁端中心區域流動, 而大部分擴散到樁側的地層, 這會使得注漿后樁端部分的承載力主要由強化的樁土界面摩阻力提供, 樁端底部的承載力還不能得到有效發揮, 而未注漿的樁端部分承載力則主要由樁端底部的端阻力提供(圖10).

對比3#樁及4#樁的樁端部分樁身軸力(圖11), 可以發現3#樁的樁身軸力沒有隨著加載的增大而迅速增大, 4#樁的樁身軸力從第3級加載開始, 隨著加載的增大而迅速增大. 其原因主要是4#樁處于粉質黏土層, 該地層的透水性差, 漿液遇到的阻力主要是土壓力, 而側面的土壓力要小于頂面土壓力, 所以當漿液注入這種地層時, 漿液不會直接沿著側壁向上流動, 而是先對周邊的不透水地層產生擠密及劈裂作用, 產生一個較大的漿包[18](圖12(a)), 然后再沿著側壁向上流動, 會在樁端形成了一個擴大頭. 擴大頭進而改變了樁身的軸力分布, 且比樁身承擔了更多的承載力. 3#樁處于圓礫層, 漿液注入此地層時, 漿液會直接沿側壁向上流動(圖12(b)). 因為在透水性好的地層中, 漿液遇到的阻力主要是靜水壓力, 而頂面的靜水壓力要小于側面及底面. 以上2種樁端在不同地層中的注漿均能有效提高樁的承載力, 但提高承載力的機理略有不同. 在透水地層中進行樁端注漿, 其承載力的提高依賴于漿液對樁土接觸面的摩阻力影響; 而在不透水地層中進行樁端注漿, 其承載力的提高除了漿液對樁側摩阻力的影響外, 樁端的擴大頭類似于擴徑樁的擴徑支盤部分, 也能有效提高承載力, 但擴大頭上部的側摩阻力會出現弱化[19].

圖11 3#樁及4#樁的樁端部分樁身軸力曲線

圖12 樁端注漿漿液分布示意圖

我們可以根據樁身軸力計算得到樁側摩阻力.當漿液對側摩阻力的影響在56.2～68.9m范圍內, 即漿液上涌距離為13.8m, 與國標中的影響距離12m較接近[20]; 樁端注漿對樁側56.2～60.2m范圍內(主要是礫砂), 側阻力提高值約為2.5倍(國標2.0～2.5); 注漿對60.2～68.9m范圍內(主要是粉質黏土), 側阻力提高值約為1.9倍(國標1.4～ 1.8). 可見試驗結果與規范取值較為一致, 國標中的后注漿單樁極限承載力計算公式中的側阻力增強系數在寧波地區是適用的.

4 結語

本文通過現場試驗研究了鉆孔樁樁端后注漿對樁基承載力的影響. 根據對試驗結果的分析, 得到如下幾點結論:

(1)樁端后, 注漿施工工藝能提高鉆孔樁的豎向極限承載力約20%.

(2)樁端注漿期間的樁側摩阻力會被重新分布, 使得樁端上部15～30m的范圍內樁身軸力變化強烈; 其次樁端在漿液的壓力下會承受較大的彎矩, 對樁體結構安全會造成一定的危害.

(3)注漿后, 樁端部分承載力主要由樁的側摩阻力提供, 而未注漿的樁端部分承載力主要由樁端底部的端阻力提供.

(4)在透水地層中進行樁端注漿, 其承載力的提高依賴于漿液對樁土接觸面的摩阻力影響; 而在不透水地層中進行樁端注漿, 其承載力的提高一部分來自漿液對樁側摩阻力的影響, 一部分來自于擴大頭, 但擴大頭上部的側摩阻力會出現弱化.

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Experimental study on enhancement mechanism of bearing capacity of base post-grouting cast-in-situ pile

ZHANG Heng1, LIU Ganbin1*, ZHOU Ye1, HAN Zhong2

( 1.Institution of Geotechnical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Shanghai Civil Engineering Group Co., Ltd. of CREC, Shanghai 200436, China )

Field tests were performed on 4 cast-in-situ piles at a construction site in Ningbo in order to further study the bearing mechanism of post-grouting cast-in-situ pile. The four piles were all loaded by self-balanced method.curve of each pile was obtained by loading, and the stress of pile body and pile base during loading was measured by embedded sensors. According to stress analysis, the changes of bending moment and skin frictional resistance of pile were studied. The results show that the base post-grouting technique can increase the vertical ultimate bearing capacity by about 20%. During grouting, the redistribution of skin frictional resistance causes the axial force changing drastically, and the bending moment may lead to certain damage to the structure. During loading, the bearing capacity of the grouting pile base is mainly provided by the skin frictional resistance, while that of the non-grouting pile base is mainly provided by the base resistance. In permeable strata, the enhancement of pile bearing capacity depends on the influence of skin frictional resistance, and the generation of enlarged heads may turn to be an influencing factor as well.

pile base post-grouting; cast-in-situ pile; self-balanced loading

TU473

A

1001-5132（2021）04-0072-07

2020?06?04.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

浙江省基礎公益研究計劃項目(LGF20E080012）.

張恒（1996－）, 男, 浙江寧波人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 軟土地下結構. E-mail: 1123377498@qq.com

劉干斌（1976－）, 男, 江西吉安人, 教授, 主要研究方向: 土結構動力相互作用. E-mail: liuganbin@nbu.edu.cn

（責任編輯 章踐立）