泥漿護(hù)壁灌注樁后注漿靜載對比試驗研究

王佐，楊海龍，謝云龍，白聯(lián)杰

（1.重慶新和建筑工程有限公司，重慶 401120；2.中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司，重慶 400050；3.華誠博遠(yuǎn)工程技術(shù)集團(tuán)有限公司重慶分公司，重慶 401120）

1 引言

鉆孔灌注樁因其施工方便、能適應(yīng)不同巖土持力層，是基礎(chǔ)工程中廣泛應(yīng)用的一種樁型。為防止塌孔，鉆孔時一般采用泥漿進(jìn)行護(hù)壁。灌注樁澆筑后，在樁身與巖土層之間就夾著一層泥皮，對樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響。由于清孔不干凈，樁端存在沉渣，也影響樁端承載能力的發(fā)揮。后注漿通過對樁側(cè)和樁端土的加固能顯著提高基樁承載力和減小基樁沉降，因此，在實際工程中得到越來越多的應(yīng)用。JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]（以下簡稱《規(guī)范》）根據(jù)幾十根不同土層中的未注漿和后注漿灌注樁的對比靜載試驗，提供了一種后注漿灌注樁承載力的估算方法。后注漿技術(shù)受成樁工藝、巖土條件、樁徑樁長、注漿方式、受荷載方式等因素的影響很大[2-8]，加固機(jī)理理論方面的研究還不深入。雖然有研究者進(jìn)行了一些實驗室模擬試驗研究[9-10]，但是后注漿技術(shù)是一種基于大量工程實踐的工藝，因此，有必要積累工程實踐經(jīng)驗，特別是靜載試驗，以進(jìn)一步對后注漿樁的加固特性進(jìn)行研究。本文結(jié)合實際工程，基于4根未注漿灌注樁抗壓、4根樁端后注漿抗壓、4根樁端后注漿抗拔的靜載試驗，對樁端后注漿的加固效果及豎向影響高度等進(jìn)行了研究。

2 后注漿加固機(jī)理

灌注樁樁端后注漿是在灌注樁澆灌完混凝土并達(dá)到一定強(qiáng)度之后,通過預(yù)埋的注漿管向樁底壓入一定配比的水泥漿，對樁底的沉渣和和土層進(jìn)行加固。后注漿對樁端的加固作用機(jī)理，根據(jù)注漿的階段和漿液壓力大小的不同，大致分為3種作用。（1）滲透作用：在注漿的初期，注漿壓力較小，漿液向樁端土層滲透，對土層的孔隙和間隙進(jìn)行填充。（2）壓密作用：隨著土層空隙被填充，漿液壓力增大，在土層中形成漿泡，對土層產(chǎn)生壓密作用并增大其應(yīng)力。（3）劈裂作用：漿液對土層的擠壓占位空間有限，漿液壓力不斷增大，克服了土體的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，對土體產(chǎn)生劈裂破壞，漿液隨著土體的劈裂裂隙向遠(yuǎn)處延伸。

不同的土層特性、不同的漿液濃度、不同的注漿壓力、不同的注漿方式，上述3種注漿作用發(fā)揮的效果不同。注漿后，在樁端形成殘余壓應(yīng)力，通過對樁端土的預(yù)加載作用，提高了樁端阻力的發(fā)揮比例[11]。注漿通過上述對樁底沉渣及樁底附近土體的滲透、壓密、劈裂和預(yù)壓作用，加固了樁底土層，提高了樁底土層的強(qiáng)度和剛度，從而提高樁端承載力和減小了基樁的沉降。樁端注漿漿液在壓力的作用下，還會沿樁身外側(cè)上返，填充樁土接觸面的孔隙，對樁周泥皮及土體產(chǎn)生滲透、壓密和劈裂作用，漿液固結(jié)后形成強(qiáng)度較高的水泥結(jié)石體，加固了樁周泥皮和土體，增大了樁側(cè)剪切界面的阻力和粗糙度，改善了樁側(cè)與土體的邊界條件，提高了樁側(cè)土的強(qiáng)度與剛度，從而對基樁承載力的提高和沉降的減小發(fā)揮了重要作用[12]。

3 試樁概況

天津武清某大型商業(yè)，建筑面積19.8萬m2，地上4層地下2層。項目地質(zhì)勘察鉆探揭露地層主要是粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂層，地下水埋深約2 m。根據(jù)勘察報告，擬采用樁端后注漿鉆孔灌注樁。為了獲得樁基的實際承載力，優(yōu)化樁基設(shè)計，進(jìn)行了4根未注漿灌注樁、4根樁端后注漿抗壓樁、4根樁端后注漿抗拔樁的靜載試驗。試樁為泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁徑均為600 mm，混凝土強(qiáng)度等級C40。

第1組試樁（SZ1-1～SZ1-4）以9-3黏土層為樁端持力層，樁長24 m，未注漿，抗壓靜載試驗；第2組試樁（SZ2-1～SZ2-4）以11-4粉砂層為樁端持力層，樁長39 m，樁端后注漿，抗壓靜載試驗；第3組試樁（SZ3-1～SZ3-4）以11-4粉砂層為樁端持力層，樁長39m，樁端后注漿，抗拔靜載試驗。第2組、第3組每根試樁對稱布置2根φ25 mm注漿管，注漿管等效替代樁縱向主筋。注漿管固定于鋼筋籠內(nèi)側(cè)，頂部高出樁頂200 mm，下部超出鋼筋籠底部300 mm，出漿口采用單向截流閥并伸入樁底土中。灌注樁混凝土澆筑后24 h內(nèi)進(jìn)行壓水試驗，清除單向閥周圍沉渣中的混凝土和泥漿。3 d后進(jìn)行注漿，樁端后注漿采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比0.55，最大注漿壓力4 MPa，注漿水泥用量1.3～1.6 t。第2組和第3組各選1根樁（SZ2-3、SZ3-2）做應(yīng)力測試，以測試和分析樁側(cè)阻力分布規(guī)律。樁身每隔2 m布設(shè)1層應(yīng)力計測試截面，每層截面對稱布置2個振弦式應(yīng)力傳感器，共19層。在SZ2-3的樁底部截面對稱布置2個壓力盒，用來測量樁端阻力。注漿25 d后進(jìn)行靜載試驗。靜載試驗荷載采用慢速維持荷載法，荷載的加卸載方式按JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[13]進(jìn)行。

4 試樁極限承載力

各組試樁基本參數(shù)、靜載試驗極限承載力及對應(yīng)樁頂沉降數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)地勘報告提供的未注漿樁基設(shè)計參數(shù)和試樁附近鉆探孔揭示的各地層巖性及厚度，按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.5式計算了各組試樁未注漿時的極限承載力（見表1）。

表1 試樁靜載結(jié)果

第1組試樁靜載試驗抗壓極限承載力平均值為2 134 kN，與按地勘報告參數(shù)計算的抗壓極限承載力2 02 9kN很接近，相差約5%。4根試樁的靜載極限承載力數(shù)據(jù)離散性很大，極差與平均值的比達(dá)到了44%。這4根試樁位置相差不太遠(yuǎn)，地勘報告揭示該區(qū)域各地層土的分布和厚度均比較穩(wěn)定，巖土條件不存在大的差別。該組樁靜載承載力離散性很大，說明在該地層條件下，樁長較長時，泥漿護(hù)壁鉆孔樁質(zhì)量受施工影響很大，成樁質(zhì)量不穩(wěn)定，承載力不可靠。

第2組試樁按未注漿的樁基設(shè)計參數(shù)計算的抗壓極限承載力為3 953 kN，樁端注漿后靜載試驗抗壓極限承載力平均值為5 846 kN，提高了48%，離散性很小，極差與平均值的百分比為10%，其中3根試樁的極限承載力相同。顯示后注漿對樁端沉渣和樁側(cè)泥皮等薄弱部位加固效果良好，加固后承載力提高明顯。而且由于對可能存在的缺陷進(jìn)行了加固，試樁質(zhì)量穩(wěn)定，承載力穩(wěn)定可靠。

第3組試樁按未注漿的樁基設(shè)計參數(shù)計算的抗拔極限承載力為2 511 kN，樁端注漿后靜載試驗抗拔極限承載力平均值為3 484 kN，提高了39%，離散性比較小，極差與平均值的百分比為17%。顯示樁端注漿對樁側(cè)的加固效果明顯，質(zhì)量比較穩(wěn)定，抗拔承載力可靠。第3組抗拔承載力提高的比例略小于第2組抗壓承載力提高的比例，推測是注漿對樁端阻力的提高比例大于對樁側(cè)阻力的提高比例所致。

5 試樁端阻力及側(cè)阻力

5.1 抗壓試樁端阻力

第2組抗壓試樁SZ2-3樁底埋設(shè)的壓力盒，注漿后靜載試驗在極限荷載時檢測得樁端極限端阻力qp為2 958 kPa，地勘報告提供的未注漿時極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=1 100 kPa，注漿后提高了169%，相當(dāng)于注漿后樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp為2.69。樁端持力層為粉砂時規(guī)范對樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp的取值范圍是2.4～2.8，試驗值與規(guī)范值吻合好。

5.2 抗壓試樁側(cè)阻力

在試樁加載的過程中，樁身埋設(shè)的19組振弦式應(yīng)變計量測樁身對應(yīng)截面的軸向應(yīng)變，通過計算得到對應(yīng)樁身截面的軸力，由相鄰截面的軸力差，可以計算出該段樁身外側(cè)的摩阻力。由樁頂在極限荷載作用下的樁身各截面軸力計算出樁身的分段極限側(cè)阻力，再根據(jù)應(yīng)力計與樁周各土層的位置關(guān)系，計算出各土層的極限側(cè)阻力。第2組抗壓試樁SZ2-3樁側(cè)各土層的名稱及厚度、地勘報告建議的未注漿時極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik、注漿后靜載檢測計算所得極限側(cè)阻力qsi及提高百分比見表2。從表2中可見，8-2粉土層（層底距樁底18.4 m）以上各土層注漿與未注漿側(cè)阻力幾乎一致，顯示未受注漿影響。9-1粉質(zhì)黏土層（層頂距樁底18.4 m）以下各土層注漿后側(cè)阻力明顯提高，說明樁端注漿漿液沿樁身外側(cè)上返，對樁側(cè)泥皮和土層的加固實際高度為18.4 m，超出規(guī)范取值12 m約50%。各土層側(cè)阻的提高比例為30%～69%，比規(guī)范取值（40%～100%）略偏小。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以計算得，樁端以上12 m高度范圍未注漿時按地勘報告提供參數(shù)計算的側(cè)阻力為1 468 kN，樁端以上18.4 m高度范圍樁的注漿后側(cè)阻力比未注漿時提高了1 208 k N。用18.4 m樁長提高的側(cè)阻力1 208 kN除以未注漿時12 m樁長的側(cè)阻力1 468 kN，得到0.82，即等效到12 m樁長的注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs為1.82，在規(guī)范的增強(qiáng)系數(shù)取值范圍內(nèi)（βsi=1.4～2.0）且略大于其中值。越往下土層的側(cè)阻力提高比例越大，顯示越靠近樁端注漿口，由于漿液壓力大，對樁側(cè)泥皮和土層的填充、滲透、壓密和劈裂作用越強(qiáng)，加固效果越好。

表2 抗壓樁SZ2-3樁身極限側(cè)阻力

5.3 抗拔試樁側(cè)阻力

第3組抗拔試樁SZ3-2樁周各土層的名稱及厚度、地勘報告建議的未注漿時抗拔極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q′sik、注漿后靜載檢測結(jié)果計算所得抗拔極限側(cè)阻力q′si及提高百分比見表3。從表3中可見，8-1粉質(zhì)黏土層（層底距樁底18.4 m）以上各土層注漿與未注漿側(cè)阻力相比比較接近，相差百分比在11%以內(nèi)，可以認(rèn)為未受注漿影響。9-1粉質(zhì)黏土層（層頂距樁底18.4 m）以下各土層注漿后側(cè)阻力明顯提高，說明樁端注漿漿液沿樁身外側(cè)上返加固實際高度為18.4 m。樁端注漿加固高度18.4 m范圍內(nèi)整體趨勢是越往下土層側(cè)阻力提高比例越大，提高比例為19%～74%，比規(guī)范取值范圍（40%～100%）偏小。根據(jù)表3數(shù)據(jù)計算得樁端以上12 m高度范圍未注漿時按地勘報告提供參數(shù)計算的側(cè)阻力為978 kN，樁端以上18.4 m高度范圍樁的注漿后側(cè)阻力比未注漿時提高了650kN。用18.4 m樁長提高的側(cè)阻力650 kN除以未注漿時12 m樁長的側(cè)阻力978 k N，得到0.66，即等效到樁端12 m長的注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs為1.66，在規(guī)范增強(qiáng)系數(shù)的取值范圍內(nèi)（βsi=1.4～2.0）但略偏小。在第3組的4根試樁里，SZ3-2的抗拔極限承載力是最低的，比平均值低10%。用第3組試樁承載力平均值推算得抗拔側(cè)阻力提高比例為83%，在規(guī)范的增強(qiáng)系數(shù)取值范圍內(nèi)且略大于其中值。

表3 抗拔樁SZ3-2樁身極限側(cè)阻力

6 結(jié)論

通過實際工程3組共12根泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁的靜載試驗及應(yīng)力檢測結(jié)果分析，顯示樁的成樁質(zhì)量及后注漿加固效果如下，可供類似巖土條件的樁基設(shè)計和研究參考。

1）該場地地層未注漿泥漿護(hù)壁灌注樁承載力平均值與按地勘報告參數(shù)計算值接近，但離散性很大，顯示其受施工影響很大，成樁質(zhì)量不穩(wěn)定。

2）采用文中的工藝及參數(shù)進(jìn)行樁端注漿后，抗壓樁和抗拔樁靜載試驗極限承載力比未注漿計算值有明顯提高，且離散性較小，承載力穩(wěn)定可靠，顯示樁端后注漿對樁的加固效果良好。

3）樁端注漿后對樁底沉渣和土層的滲透、壓密、劈裂加固作用明顯，樁端阻力提高顯著，提高比例與規(guī)范取值吻合。

4）樁端后注漿漿液沿樁側(cè)上返加固樁側(cè)泥皮和土體的實際高度達(dá)18.4 m，大于規(guī)范的豎向增強(qiáng)段高度取值12 m。

5）不論是抗壓樁還是抗拔樁，在樁端注漿實際豎向增強(qiáng)段高度范圍內(nèi)，樁周土層的側(cè)阻力提高比例在規(guī)范取值范圍內(nèi)但略偏小。等效到規(guī)范的12 m豎向增強(qiáng)段高度后，樁周土層側(cè)阻力提高比例比規(guī)范取值范圍的中值略大。