灌注樁后注漿工藝承載性能試驗(yàn)研究

李席盈 張?jiān)骑w

（廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)）

0 引言

隨著特大城市的快速發(fā)展，國(guó)土資源利用率得到了前所未有的提高，同時(shí)建筑業(yè)處于蓬勃發(fā)展階段，高層以及超高層地標(biāo)建筑不斷涌現(xiàn)。灌注樁樁基礎(chǔ)理論上具有承載力高、沉降量小、整體性能好、對(duì)環(huán)境影響小、適應(yīng)性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為開(kāi)發(fā)商選擇的主要基礎(chǔ)形式。與此同時(shí)，施工過(guò)程中泥漿護(hù)壁技術(shù)的使用會(huì)降低樁側(cè)阻力，樁身質(zhì)量、樁端沉渣、持力層的擾動(dòng)以及鉆孔應(yīng)力松弛等同樣導(dǎo)致鉆孔灌注樁的承載力不足。面對(duì)這些問(wèn)題，人們有針對(duì)性地開(kāi)展了灌注樁后注漿技術(shù)的研究。李永輝[1]開(kāi)展的聯(lián)合注漿與樁端后注漿樁的研究表明：聯(lián)合注漿樁更能穩(wěn)定地發(fā)揮承載力性能；豎向和水平向承載性能明顯高于樁端后注漿樁，且在深層土體中其樁側(cè)摩阻力極限值高于樁端后注漿樁。李洪江[2]研究影響大直徑超長(zhǎng)灌注樁的因素表明：影響因素的重要程度由大到小依次為：樁頂嵌固形式、樁徑尺寸效應(yīng)、豎向荷載、樁身傾斜度。鐘杰[3]研究濱海地區(qū)軟土超長(zhǎng)后注漿樁表明：樁在加載下的Q-S 曲線(xiàn)呈現(xiàn)緩變漸進(jìn)型，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較為顯著，樁頂荷載主要由其來(lái)承擔(dān)，樁端只承擔(dān)很小一部分，實(shí)際工作狀態(tài)下為摩擦樁。張恒[4]研究了寧波某項(xiàng)目的4 根灌注樁后注漿，結(jié)果表明:樁端后注漿的承載力是未注漿的1.2 倍，樁側(cè)摩阻力重新分布對(duì)軸力變化有較大的影響，偏心下樁端產(chǎn)生的彎矩對(duì)樁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；不透水地層中，樁端形成的擴(kuò)大頭可以有效提高樁承載力，在透水地層中，樁承載力受到樁側(cè)摩阻力的影響較大。安康[5]開(kāi)展了嵌巖鉆孔灌注樁聯(lián)合后注漿靜載荷試驗(yàn)，表明：嵌巖段的端阻力發(fā)揮有限，端阻比只有6%～7%，側(cè)摩阻力承受了絕大部分上部荷載，樁基類(lèi)型表現(xiàn)為摩擦樁；樁頂沉降量很小，控制沉降能力較為有效，并且樁頂沉降主要產(chǎn)生于非嵌巖段樁身的壓縮，占樁頂沉降量的88%～92%。

國(guó)內(nèi)外對(duì)灌注樁后注漿的承載性能有了一定的研究，后注漿技術(shù)可以有效改善樁側(cè)樁端受力性能，很大程度上改良樁基承載力性狀，顯著降低沉降。

1 灌注樁后注漿工藝及機(jī)理

后注漿的工藝及流程見(jiàn)圖1 所示。下放鋼筋籠后要進(jìn)行徹底清孔，減少樁底沉渣對(duì)樁基的影響，適當(dāng)提高注漿壓力，擴(kuò)大影響范圍，調(diào)配好注漿濃度以及注漿量，控制好注漿節(jié)奏，同時(shí)注漿后的齡期保養(yǎng)要達(dá)到一定要求。

圖1 后注漿工藝流程

1.1 后注漿的作用

灌注樁后注漿是一項(xiàng)土體加固技術(shù)與樁工技術(shù)相結(jié)合的樁基輔助工法，分為樁側(cè)后注漿與樁端后注漿兩種。通過(guò)把一定量的水泥漿液輸送到特定深度，利用高壓水泥漿對(duì)周邊巖土的滲透、劈裂、凝固等作用來(lái)固化沉渣和泥皮，借此大幅提高樁基承載力，改善其沉降及受力特性。然而，注漿施工屬隱蔽工程，目前的檢測(cè)及監(jiān)測(cè)手段十分有限，加之樁周及樁端對(duì)水泥漿體而言是相對(duì)開(kāi)放空間，要實(shí)現(xiàn)樁承載力的提高主要依靠良好的的注漿工藝。優(yōu)秀的注漿工藝要求對(duì)樁底注漿機(jī)理有正確的認(rèn)識(shí)，同時(shí)根據(jù)不同場(chǎng)地的土層情況，因地制宜、嚴(yán)格設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)施工、適時(shí)調(diào)控。

1.2 灌注樁后注漿注漿機(jī)理

注漿效應(yīng)隨被注漿土層物理化學(xué)性質(zhì)及漿液性質(zhì)和注漿壓力的不同而變化，可分為滲入性注漿、壓密注漿和劈裂注漿三種類(lèi)型見(jiàn)圖2。在灌注樁后注漿的注漿性態(tài)中，上述三種注漿性態(tài)大多同時(shí)存在，它們相互交織，沒(méi)有明顯的界限區(qū)分。注漿開(kāi)始漿液總是先充填較大的空隙，然后在一定壓力下滲入土體孔隙，通常認(rèn)為劈裂注漿機(jī)理是高壓漿液克服土體最小主應(yīng)力面或軟弱結(jié)構(gòu)面上的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其劈裂，漿液沿劈裂面進(jìn)入土體。一般說(shuō)來(lái)，以滲入注漿和劈裂注漿為主導(dǎo)，當(dāng)在非飽和土中以稠漿液實(shí)施注漿時(shí)，壓密注漿則成為主導(dǎo)。

圖2 注漿類(lèi)型示意圖

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程概況

本試驗(yàn)選取廣東某地區(qū)超高層的樁基礎(chǔ)作為研究對(duì)象。工程總占地面積約10 萬(wàn)m2。其中2 號(hào)樓總建筑面積為20 萬(wàn)m2，建筑總高度達(dá)423.0m，地上85 層，地下4層，采用“巨型鋼管混凝土框架+核心筒體”結(jié)構(gòu)，用鋼量近4 萬(wàn)噸。

項(xiàng)目基礎(chǔ)所受荷載較大，灌注樁樁徑為1.0m、樁長(zhǎng)為64.0m，樁身采用C50 混凝土，采用后注漿工藝。場(chǎng)地內(nèi)土層厚度較大，廣泛分布有粘性土和砂土，場(chǎng)地土質(zhì)條件一般，樁入巖深度為1.5m，以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為樁端持力層。場(chǎng)地代表性土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地段土層的參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置的布置

試驗(yàn)選擇有代表性的場(chǎng)地進(jìn)行，采用壓重平臺(tái)提供反力，用慢速堆載試驗(yàn)法，試樁選取3 根編號(hào)分別為T(mén)P1、TP2、TP3，具體參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)采用振炫式傳感器計(jì)量測(cè)樁身內(nèi)力，沿著每個(gè)土層交界面處埋設(shè)4 根，互相垂直；利用布置在樁頂、樁端以及巖土交界面3 個(gè)部位的位移傳感器來(lái)量測(cè)樁基的沉降變化。

表2 試樁參數(shù)

2.3 試驗(yàn)應(yīng)注意的問(wèn)題

靜載試驗(yàn)前應(yīng)嚴(yán)格管控灌注樁施工過(guò)程，到達(dá)一定齡期后，應(yīng)進(jìn)行成孔質(zhì)量、聲波以及低應(yīng)變的檢測(cè)。3 根試樁經(jīng)檢測(cè)均合格，成孔指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范[6]要求。

3 試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析樁基承載力、單樁沉降、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力以及注漿的影響半徑分析。

3.1 單樁沉降及承載力分析

3 根試樁均加載到設(shè)計(jì)荷載，其Q-S 曲線(xiàn)如圖3 所示。樁的沉降隨著荷載的增大，逐漸增大，TP1 的最大沉降量為30.8mm，TP2 的最大沉降為24.2mm，TP3 的最大沉降為22.0mm，大致呈漸變型。TP1 樁為未進(jìn)行后注漿的樁，其曲線(xiàn)變化較快，沉降隨著荷載增大比較敏感；TP2 為進(jìn)行樁端注漿的樁，沉降較未注漿的樁有所減少，TP3 為進(jìn)行樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿的樁，沉降最小。樁頂沉降、埋深為30m、巖土分界面以及樁端的沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3 可知，加載至最大試驗(yàn)荷載3 根樁的樁頂沉降量為22.0～30.8mm，埋深30m 的沉降為11.2～15.8mm，巖土分界面的沉降為7.4～11.5mm，樁端沉降為0.9～3.1mm。通過(guò)樁身沉降和樁端沉降，可求得樁身壓縮量以及巖石沉降占總樁基沉降的比例，見(jiàn)圖4。從圖4 可知，樁身的沉降占總的樁身沉降的比例為90%～96%，巖石占總的樁身沉降比例較小，為30%～36%。各根樁均未達(dá)到樁的極限承載能力，TP1 最大荷載為24MN，TP2 和TP3 的最大荷載為36MN，但均超過(guò)設(shè)計(jì)荷載，同時(shí)也說(shuō)明后注漿樁在正常使用極限狀態(tài)下，相同沉降時(shí)可以承受更高的荷載，大約增大了1.2～1.8 倍。

圖3 樁頂實(shí)測(cè)Q-S 曲線(xiàn)

表3 樁不同部位的沉降

圖4 不同部位沉降比例

3.2 試樁軸力分析

圖5 為T(mén)P1、TP2、TP3 在各級(jí)荷載下的樁身軸力?？梢钥闯鲭S著荷載的增加，3 根樁的軸力分布隨著深度向下擴(kuò)展，在小荷載狀態(tài)下樁身下部未出現(xiàn)軸力，在較大荷載情況下，下部樁體才出現(xiàn)軸力，同時(shí)在樁端處也才量測(cè)到軸力。比較TP1 和TP2 可知，樁端注漿只有在較大荷載作用下，樁端注漿的效果才發(fā)揮出來(lái)；比較TP2和TP3 可以看到，樁側(cè)注漿對(duì)后注漿的樁段的軸力影響較為明顯，柱端注漿對(duì)樁端軸力影響較大。由于樁側(cè)注漿的作用，首先對(duì)樁周泥皮有一定的固化作用，同時(shí)對(duì)粗顆粒的砂土開(kāi)始有滲透膠結(jié)作用，隨著注漿壓力的升高對(duì)周?chē)廉a(chǎn)生擠密作用，使得周?chē)恋玫揭欢ǔ潭鹊挠不?，進(jìn)而使得樁側(cè)摩阻力提高；而樁端注漿對(duì)樁底的沉渣有固化作用，同時(shí)可以和基巖產(chǎn)生凝結(jié)，漿液在樁周擴(kuò)大成半球體，相當(dāng)于增大了樁徑。

圖5 各個(gè)試樁軸力分布

3.3 樁側(cè)摩阻力分析

由各個(gè)斷面的樁身軸力差可以間接計(jì)算樁側(cè)壁摩阻力的數(shù)值，見(jiàn)圖6。在荷載水平較小的情況下，荷載主要有樁周摩阻力來(lái)承擔(dān)，雖然樁為嵌巖樁，但是樁端阻力的發(fā)揮需要更大的荷載。比較TP1 和TP2 可以看到，在較大荷載情況下，樁端后注漿可以發(fā)揮樁側(cè)阻力，同時(shí)可以調(diào)整整個(gè)樁身的應(yīng)力分布；比較TP2 和TP3 可以看到，樁側(cè)注漿可以使得樁周摩阻力顯著提高，但嵌巖部位的摩阻力只有較小部分發(fā)揮作用，同時(shí)在樁身上部分的摩阻力隨著荷載的增大有降低的趨勢(shì)，即有軟化的情況，這和樁周土的相對(duì)沉降有一定關(guān)系，樁周土沉降變大時(shí)，土體趨于極限狀態(tài)，使得土體受到一定擾動(dòng)，進(jìn)而摩阻力會(huì)相應(yīng)降低。

3.4 樁端阻力分析

由圖5、圖6 可知，在樁端部位，軸力較小，TP1 樁在荷載加載到12MN 時(shí)，樁端阻力才開(kāi)始出現(xiàn)；TP2 在加載到21.6MN 時(shí)，樁端開(kāi)始承擔(dān)荷載；TP3 在加載到32.4MN時(shí)才開(kāi)始發(fā)揮端阻作用。最大加載下樁端阻力占最大荷載的比例如表4 所示。從表4 可知，樁端阻力在現(xiàn)有加載情況下，發(fā)揮的比例很小，在15%左右，同時(shí)，超長(zhǎng)嵌巖灌注樁在正常使用極限狀態(tài)下，均表現(xiàn)為摩擦樁。

表4 端阻力發(fā)揮比例

圖6 樁側(cè)摩阻力分布

3.5 注漿影響半徑分析

試驗(yàn)對(duì)灌注后的土層采用標(biāo)貫試驗(yàn)分析樁側(cè)注漿加固的影響范圍。對(duì)聯(lián)合注漿的TP3 試樁在注漿深度30m、26m 及34m 處位置進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，橫向距離樁邊0.8m 處開(kāi)始，間隔1 米布置4 個(gè)標(biāo)貫位置，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到圖7?？梢钥吹皆跇秱?cè)后注漿后，砂土的標(biāo)貫擊數(shù)有大幅度提升，在樁周0.8m 處的實(shí)測(cè)擊數(shù)由14 擊提高到平均35 擊，1.8m 處提高到22 擊，2.8m 處的平均實(shí)測(cè)擊數(shù)為16 擊，3.8m 處為15 擊，可以看到此次注漿的影響范圍大約為2.8 米。當(dāng)然后注漿的影響半徑受注漿液濃度、注漿壓力、注漿量的影響，其影響范圍有所不同。

圖7 注漿后標(biāo)貫擊數(shù)分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

以廣東某地的超高層建筑的樁基為研究對(duì)象，采用灌注樁后注漿工藝，得到以下結(jié)論：

⑴后注漿可以顯著提高嵌巖灌注樁的承載力，提高1.2～1.8 倍，同時(shí)可以有效降低樁頂沉降，樁身壓縮量占樁頂沉降的90%～96%以上，構(gòu)成了樁頂沉降的主要組成部分，灌注樁的優(yōu)化可以考慮提高樁身的強(qiáng)度和剛度；

⑵超長(zhǎng)嵌巖樁在正常使用極限狀態(tài)下表現(xiàn)為摩擦樁，在試驗(yàn)荷載下樁端阻力占荷載的比例很小，不超過(guò)15.6%；

⑶樁側(cè)注漿可以顯著提高砂土的摩阻力。在加載初期，樁側(cè)摩阻力從樁頂向下逐步發(fā)揮出來(lái)，隨著荷載的增大，樁端開(kāi)始發(fā)揮端阻作用，但是發(fā)揮比例較小。在較大荷載作用下，樁周上部土層摩阻力有一定降低，表現(xiàn)為軟化現(xiàn)象；

⑷采用標(biāo)貫試驗(yàn)對(duì)本次注漿影響半徑進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，影響半徑約2.8m。