樁端后壓漿鉆孔灌注樁提高樁基承載力的應用研究

焦清杰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102060)

1 引言

隨著我國城市化進程和大交通的迅速發展，高層建筑和大型構筑物遍地開花，而其基礎多采用樁基礎，鉆孔灌注樁是樁基礎中的主要樁型。影響鉆孔灌注樁單樁豎向承載力的因素很多，如樁端孔底沉渣厚度、樁孔側壁泥皮厚度、樁側土層分布及其力學性質、樁端持力層的強度和力學性質等[1]。研究提高鉆孔灌注樁單樁豎向承載力，不僅可以提高單位體積混凝土的承載力，降低工程造價，還能縮短工期[2－3]。

灌注樁的承載性能與樁的幾何尺寸、樁身強度、樁土間的相互作用效應有關，作用在樁頂的荷載應由樁側阻力和樁端阻力共同承擔，故提高樁側和樁端單位面積阻力，或增加樁側面積和樁端面積，均能夠提高樁的承載力。為達到提高樁基承載力的目標，往往通過增加樁長以增加樁側面積、通過增大樁徑或在樁端局部加大樁徑來增加樁端阻力[4]。

樁端后壓漿技術就是通過增加樁端面積及提高樁端面上的單位面積阻力以提高樁基承載力的方法，是利用壓漿設備將改性漿液通過樁身預埋的壓漿管壓入到樁端(樁側)巖土體的一種施工技術，具有適應性廣、施工靈活、可靠度高、技術經濟效果顯著等優點。經過60多年發展，國內外科研人員、工程師圍繞該技術已研發出不同注漿裝置及相應注漿工藝，并對不同地層的樁端(樁側)后注漿灌注樁的承載性能及加固機理進行了大量研究，取得了豐富成果[5]。

2 項目簡介與樁基試驗設計及施工

2.1 工程概況

溫州市域鐵路S1線靈昆車輛段上蓋開發工程地層巖性主要由沖、湖海積的淤泥質土、砂卵石、砂及黏性土組成，60 m以內地層主要為淤泥類土、黏性土，60 m以下主要為砂卵石地層(見圖1)。

圖1 場地地層與后壓漿樁基(單位:m)

該工程擬采用樁端后壓漿鉆孔灌注樁來提高單樁承載力，設計樁徑1 000 mm，以④4卵石層作為樁端持力層，設計單樁承載力15 870 kN。

2.2 試驗設計與施工

本次試驗在現場施作3根樁端后壓漿灌注樁，同時施作3根非后注漿灌注樁做對比分析。試樁樁身混凝土強度均為C40。各試樁設計、施工參數見表1。

表1 試樁設計及施工參數

采用正循環回旋鉆機成孔，采用氣舉反循環進行二次清孔，清孔完成后混凝土采用導管水下澆筑。

注漿作業于成樁后7 d進行，注漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。為改善漿液的流動性與穩定性，在漿液中加入管道壓漿專用添加劑，水泥漿液的配比為水泥∶水∶添加劑 ＝1∶(0.4 ～0.5)∶(0.05～0.1)。

注漿參數主要包括漿液濃度、漿液配比、注漿速率、注漿壓力和注漿量等[6]，其中注漿壓力和注漿量為主要控制因素，合理確定注漿參數、控制注漿壓力對提高單樁承載力效果十分重要[7]。本次試樁開始注漿壓力控制在1～2 MPa，最大穩定注漿壓力控制在5～6 MPa，注漿速率控制在10～15 L/min，各試樁注漿量(以干粉質量計)分別為 4.2 t、4.3 t、4.7 t。

3 豎向載荷試驗與結果分析

通過單樁豎向靜載試驗獲取荷載－沉降曲線(Q-S曲線)，在進行單樁豎向承載力試驗時，根據安裝于樁身側面、樁底的鋼筋計及土壓力盒獲取樁身內力與變形數據，以測定樁的分層極限摩阻力和極限端阻力值[8－9]。

3.1 樁基檢測

樁身混凝土強度達到設計強度等級的70%時進行聲波透射法檢測。結果表明，所檢測范圍內的聲學參數均無異常、波形正常，說明試樁均為Ⅰ類樁，樁身完整。

本次試樁載荷試驗由主、次梁搭成堆載平臺，混凝土塊配重構成加載反力系統，加載采用2臺10 000 kN油壓千斤頂，通過電動油泵驅動加載，千斤頂的中心與試樁中心重合。試樁的沉降變形，通過4只對稱布置于樁頂的位移傳感器測量。同時通過在鋼筋籠主筋上布設振弦式鋼筋應力計來測試整個樁長范圍內不同深度處的樁身軸力、側摩阻力分布規律以及樁端阻力。

采用慢速維持荷載法進行試驗，其中加載過程采用逐級等量加載，卸載過程采用逐級等量卸載，見表2。

表2 試樁加載及卸載分級情況

3.2 荷載－沉降(Q-S)試驗結果

本次試樁的單樁豎向抗壓極限承載力檢測結果見表3，載荷－沉降(Q-S)曲線對比見圖2(限于篇幅，下文針對后壓漿灌注樁中編號為SZ1002的一根試樁、非后壓漿灌注樁中編號為SZ1002a的一根試樁測試成果進行對比分析)。

表3 單樁豎向抗壓極限承載力檢測結果

圖2 樁端后壓漿試樁與未壓漿試樁載荷－沉降(Q-S)曲線

通過載荷－沉降(Q-S)曲線圖，結合表3中測試成果可以看出:

(1)對于成樁條件相同的單樁，未壓漿灌注樁的Q-S曲線呈陡降型，極限承載力特征值明顯；而后壓漿灌注樁的Q-S曲線呈緩變型，極限特征點不明顯。

(2)樁頂荷載小于10 000 kN時，同一樁頂荷載作用下，未壓漿樁與壓漿樁的沉降變形大致相同。根據樁頂荷載的傳遞機理，荷載較小時樁頂荷載主要有淺部地層側摩阻力承擔，樁端后壓漿施工的灌注樁上部土層力學性質未得到改善(根據《建筑樁基技術規范》，單一樁端后注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m)，故樁頂荷載較小時兩種樁型的沉降大致相同。

(3)樁頂荷載大于10 000 kN時，同一樁頂荷載作用下，未壓漿樁的沉降變形大于壓漿樁的沉降變形。據樁頂荷載的傳遞機理，隨著荷載的增加，樁土相對位移增大，樁側摩阻力發揮到極限后荷載一部分由樁端阻力承擔，后壓漿灌注樁的樁端在注漿的作用下樁端土層得到加固，力學性質有所改善，沉降量得以明顯減小。

(4)從表3測試結果可知，后壓漿灌注樁的承載力比未注漿樁的承載力有很大提高，提高比例約30%[10－11]。

3.3 樁端內力測試

試驗過程中記錄每級荷載作用下樁頂豎向位移、不同深度處樁身應變，據此可進一步確定單樁豎向抗壓承載力極限值與每級荷載作用下樁身內力分布。各級荷載作用下兩種樁型樁端阻力測試結果見圖3。

圖3 各級荷載作用下樁端承擔荷載對比

(1)相同樁頂荷載作用下，未注漿樁端承擔荷載比注漿樁端承擔荷載大，這與注漿樁樁側阻力增強(相同樁頂荷載下，注漿樁樁側阻力承擔荷載比例較大)有關。

(2)未注漿的灌注樁在破壞荷載14 040 kN作用下端阻力達到最大值，但此時樁頂沉降量已達77.8 mm。極限荷載12 960 kN作用下端阻承擔荷載2 927 kN，相應的樁端持力層極限端阻力標準值為3 729 kPa。

(3)后注漿樁在極限荷載16 370 kN作用下端阻力達到最大值，端阻達到荷載4 183 N，相應的樁端持力層極限端阻力標準值為5 328 kPa，比未注漿樁極限端阻力標準值提高43%(即端阻力增強系數為1.43)[12]。

(4)隨荷載增大，樁端阻力呈明顯增大趨勢，因此選擇合適的樁基持力層和保障樁身下部的施工質量非常重要。

4 討論

樁底后壓漿在注漿過程中膠結固化樁端土，對樁端底部地層進行壓密，同時漿液沿樁側上返加固樁側土，形成樁底“復合地基”持力層。其提高單樁承載力的機理可概括為以下兩個方面:

(1)后壓漿對樁底周圍地層進行滲透、壓密、劈裂和膠結鈣化，改善了樁底土層(包括擾動土、沉淀土、孔口與孔壁回落土等)的組成結構，增大了樁端的承載面積，提高了樁端持力層極限端阻力。

(2)后壓漿漿液沿樁壁泥皮向上滲透使部分樁側土得到加固，改善了樁側泥皮與樁側土體的應力松弛，使得樁側阻力得到提高。

5 結論

本文從樁底后壓漿加固機理出發，從樁基承載力理論分析入手，通過工程實例，從靜載荷試驗曲線、樁身軸力傳遞等方面對樁底后壓漿的荷載傳遞性狀進行分析，旨在對比分析樁底后壓漿工藝在力學性能方面的優勢。通過研究得到如下主要結論:

(1)采用后壓漿工藝可顯著提高以砂卵石層作為持力層的鉆孔灌注樁承載力，在本工程場地條件下可提高承載力約30%。

(2)采用樁底后壓漿技術可減少樁基沉降，減少群樁基礎的不均勻變形。

(3)實施樁端注漿后，樁端土層得到注漿加固，樁端阻力得以提高，在本工程場地條件下樁端極限端阻力提高43%。