高強灌漿料加固灌注樁樁頭研究

鄭 賀，鮑 宇，姚春磊

（1.徐州市城市建設工程管理中心，江蘇 徐州 221018；2.徐州市建筑工程質量安全監督站，江蘇 徐州 221116；3.徐州市建設工程檢測中心有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著設計能力和施工水平的提高，單樁豎向抗壓承載力呈現越來越高的趨勢，數千噸、上萬噸的單樁設計承載力已屢見不鮮［1，2］。越來越高的單樁承載力，對檢測的要求也越來越高，對試驗準備工作的要求也越細致。靜載試驗中，樁破壞形式主要有兩種：樁體材料破壞和樁側、樁端巖土體無法繼續承載而產生的破壞。在樁體材料破壞模式中，多見樁上部被壓壞，但如果樁身存在缺陷或負摩阻力，破壞可能發生在樁身缺陷截面或中性點附近，本文對此不做討論，僅討論樁頭被壓爆的現象。對于灌注樁，在靜載試驗之前往往需要對灌注樁樁頭單獨加固，即便如此，試驗過程中仍經常出現樁頭壓爆現象，此時往往需要重新或擴大檢測，造成工期拖延和成本的提高。

表1 表示的是某地區某檢測機構統計的 2018 年和 2019 年灌注樁靜載試樁檢測數量。從表1 可知，爆樁率約占試樁總數的 3.5 %，在被壓壞的試樁中，樁頭破壞的比例占 15 %～20 %，該比例還是比較大，不容忽視的。所以有必要針對試樁樁頭加固材料進行相關研究，尋求一種加固效果更好的材料替代混凝土材料。

表1 試樁樁頭破壞數量情況統計

灌注樁樁頭處理一般按照 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》［3］進行制作，1 倍樁徑范圍內用 3～5 mm 鋼板圍裹或在樁頂 1.5 倍樁徑范圍內設置箍筋，并在樁頂附近設置 1～2 層鋼筋網片，混凝土一般提高一至兩個標號。目前有的地區建設主管部門要求靜載驗收試驗樁要隨機選取，試驗在基坑標高上進行，原來的檢測樁位在設計圖紙中直接選定好，施工時將試驗樁直接灌至地面標高，提前進行樁頭加固處理的做法就無法實行了。樁頭加固只能在基坑開挖后才能進行，此時如采用常規混凝土，其強度發揮需要一周甚至更長時間，會造成檢測周期的延長，所以也需要尋求一種性質和混凝土相當，短期強度更高的材料代替混凝土進行樁頭處理。

灌漿料具有短期強度高、穩定性好、性價比高等特點，廣泛應用于各行各業［4］。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 類水泥基灌漿材料 1 d 強度≥20MPa，3 d 強度≥40 MPa［5］。加固的樁頭由于被鋼護筒包裹，可以將其視為鋼管混凝土短柱進行研究。閆志剛等［6］基于極限平衡理論提出了鋼管 RPC 短柱的極限承載力計算經驗公式，但其計算精度依賴于 RPC 常規三軸強度屈服準則［7］。張嘯馳等［8］以圓鋼管約束高強灌漿料局部承壓性能試驗為基礎，建立圓鋼管約束高強灌漿料局部承壓性能的分段模型，指出增大試件高徑比、鋼管壁厚和高強灌漿料強度均可提高其極限承載力。武立偉等［9］基于鋼管灌漿套筒連接軸向受壓性能靜載試驗，指出隨著連接長度和灌漿料強度的增大，試件抗壓極限荷載提高。加固灌漿料脆性大，與高強混凝土相比尺寸效應更顯著［10］。前期研究中針對大直徑鋼護筒約束灌漿料抗壓性能關注較少，本文擬針對鋼護筒約束灌漿料樁頭加固開展室內試驗和實際應用效果研究。

1 灌漿料材料配比及室內試驗結果

經過反復適配，水泥基灌漿料最后采用的配合比如表2 所示（每 100 kg 清水）。

表2 材料配比表

按照表2 配比經膠砂攪拌機充分攪拌并經振實臺振實好樣品后，在實驗室制作 3 組芯樣，芯樣尺寸 40 mm×40 mm×160 mm，1 d 后脫模，如圖1 所示。脫模后立即進行一組抗壓試驗，其余芯樣放入 20±3 ℃ 恒溫養護水箱養護，待達到齡期后分別進行 3 d、7 d 單軸抗壓強度試驗。試驗設備采用 ACE-201 水泥強度試驗機，如圖2 所示。

圖1 加工后芯樣

圖2 ACE-201 水泥強度試驗機

圖3 表示的是灌漿料單軸抗壓強度變形曲線。由圖3 可得，同一齡期的三個灌漿料試塊抗壓強度接近，離散性小；水泥基灌漿料短期強度發揮較快，1 d 的平均抗壓強度可以達到 35.3 MPa，3 d 和 7 d 的可以分別達到 51.5 MPa、68.5 MPa。峰值應力對應的應變隨強度增加略有增長，均在 0.9～1.2×10-3。灌漿料峰值應力的發揮較混凝土快，應力應變加卸載曲線較陡，說明該材料彈性模量較大。

圖3 灌漿料單軸壓縮曲線

圖4 表示的是水泥基灌漿料、混凝土彈性（割線）模量與強度關系曲線，圖中混凝土彈性模量通過 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）［11］表4.1.5 差值得到。由圖4 可知灌漿料的彈性模量和峰值割線模量均隨強度略有增長，峰值割線模量的增長速率小于彈性模量的增長速度，但二者均高于混凝土彈性模量增長速率。同等強度的灌漿料的彈性模量約為混凝土彈性模量的 1.9～2.6 倍；而對于峰值割線模量，這一比例是混凝土的 1.2～1.5 倍，這說明水泥基灌漿料比混凝土的塑性更小，更容易發生脆性破壞。

圖4 灌漿料、混凝土彈性（割線）模量與強度關系曲線

結合圖3、圖4 可以得出，本文配比的灌漿料 1 d 強度接近或超過一般灌注樁混凝土設計強度，3 d、7 d 強度超過灌注樁混凝土設計強度，也就是說對于樁身混凝土設計強度為 C35 左右時，本文配合比下灌漿料加固的樁頭最快僅需 1 d 后即可進行靜載試驗，與用混凝土加固樁頭相比，更利于縮短檢測工期。

2 工程應用

表3 表示的是某檢測機構 2021 年采用水泥基高強灌漿料加固的灌注樁樁頭的檢測情況。該機構全年共檢測了 72 根灌注樁，全部用本文配合比的水泥基灌漿料加固樁頭，檢測的單樁設計極限承載力從 4 950～29 600 kN 不等，其中對于承載力為 29 600 kN 的樁，為驗證樁頭強度多特意加了 10 % 的荷載，仍未再出現爆樁頭現象，這說明本文配合比的水泥基灌漿料在縮短檢測周期的同時，在材料強度方面也是可以保證的。

表3 2021年高強灌漿料加固試樁樁頭情況

基于以上分析，結合工程經驗，建議針對小噸位的（<8 000 kN）試樁，按照規范［3］附錄 B 的做法，采用本文配合比下的水泥基灌漿材料，休止期 1～2 d 即可進行靜載試驗；針對中噸位樁（8 000～20 000 kN），按照規范［3］附錄 B 要求配備護筒鋼板和鋼筋網片，2～3 d 后可進行靜載試驗；大噸位樁（＞20 000 kN），應慎重對待，鑒于高強灌漿料的脆性，建議采取比規范［3］附錄 B 稍嚴格的做法配備護筒鋼板和鋼筋網片，3～5 d 后進行靜載試驗，以保證靜載檢測過程中試樁樁頭不先破壞。

3 結語

試樁樁頭的承載力對靜載試驗至關重要，檢測前首先要把樁頭加固好，通過以上分析得到如下結論。

1）本文配比的水泥基灌漿料抗壓強度離散性較小，1、3、7 d 的平均強度可達到 35.3、51.5、68.5 MPa，高于同齡期混凝土的強度。

2）本文配合比下的水泥基灌漿料的彈性模量和峰值割線模量與強度正相關，但有別于混凝土的隨強度線性增長，其彈性模量約為同等強度混凝土的 1.9～2.6 倍，表現出更明顯的脆性。

3）結合工程經驗，采用本文配比的水泥基灌漿料加固的試驗樁：建議小噸位試樁樁頭 1 d 后即可靜載試驗；中等噸位樁，按構造配備護筒鋼板和鋼筋網片，2～3 d 后進行靜載試驗；大噸位樁應慎重對待，稍高配鋼護筒和鋼筋網片，3～5 d 后進行靜載試驗，以保證靜載檢測過程中試樁樁頭不先破壞。

4）由于條件有限，本文采用的試驗機剛度較小，材料制備稍顯粗糙，且試驗過程中加載速度較快，對數據的精度會產生一定影響，抗壓強度會稍高估，豎向變形會低估，計算的彈性模量和割線模量會被高估，但數據的總體趨勢是符合該材料承載規律的。今后需要進一步提高試驗數據的精度，擴大水泥基灌漿料在實際工程中的應用范圍，以更精確的室內試驗數據和更廣泛的足尺試驗應用效果來驗證其在縮短工期，保證樁頭強度方面的優勢。Q