鉆孔灌注樁后壓漿的作用機(jī)理及承載特性分析

安 靜

隨著高層建筑和橋梁工程建設(shè)的發(fā)展,樁基礎(chǔ)的用量日益劇增。建筑荷載的增加和橋梁跨度的不斷超越給基礎(chǔ)的承載力提出了更高要求,各種超長大直徑灌注樁隨之大量涌現(xiàn)。鉆孔灌注樁具有對地層適應(yīng)性強(qiáng)、側(cè)向擠土效應(yīng)極小、施工簡單便捷和造價經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1]。灌注樁的承載力主要來源于樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。而樁側(cè)摩阻力和樁端阻力除與土層條件有關(guān)外,還受施工工藝的影響。試驗研究和眾多的工程實踐均證明,樁端后壓漿技術(shù)可以有效降低上述影響,提高樁基承載力。新版的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》均吸收了這種先進(jìn)的工藝,并給出了評價方法和技術(shù)要求[4]。

1 后壓漿的作用機(jī)理

1.1 力學(xué)機(jī)理

力學(xué)機(jī)理一般可歸納為滲透固結(jié)效應(yīng)、擠密充填效應(yīng)、劈裂加筋效應(yīng)和壓密效應(yīng)[3,4]。1)滲透固結(jié)效應(yīng)是指漿液可以滲透到樁端土體的一定范圍內(nèi),形成結(jié)石體,一定程度上增加樁端的承載面積和樁基的有效樁長。2)擠密充填效應(yīng)是指通過提高持力層的強(qiáng)度來提高樁端阻力。樁端后壓漿可以壓密樁端周圍存在的松散虛土。漿液在樁端膠結(jié)形成擴(kuò)大的樁端固結(jié)體,上竄過程中擠壓樁側(cè)土形成樁側(cè)固結(jié)體,從而提高樁端和樁側(cè)的阻力。3)加筋效應(yīng)是指通過改善樁端以上一定范圍內(nèi)樁土相互作用來提高側(cè)壁摩阻力[2,3]。注漿壓力增大到一定程度會致使樁端土層劈裂。漿液充填裂隙,呈脈狀網(wǎng)絡(luò)分布,對持力層起加筋作用。4)預(yù)壓效應(yīng)是指注入漿液可使樁端一定范圍內(nèi)的土層受到預(yù)壓作用,從而提高基礎(chǔ)的整體性,有利于控制基礎(chǔ)沉降。

1.2 化學(xué)機(jī)理

后壓漿的漿液可以加固土體,產(chǎn)生一定的化學(xué)效應(yīng),如化學(xué)膠凝作用、充填膠結(jié)作用、離子交換作用和固化效應(yīng)[2,3]。硅酸鹽水泥發(fā)生水化反應(yīng)會減少土層中的含水量,增加土顆粒間的粘結(jié)。水化反應(yīng)生成的各種礦物質(zhì)填充于土體顆粒間的空隙,改善了土體的物理力學(xué)性能。

2 后壓漿工藝流程

注漿伊始,漿液對樁端沉渣和土體起到壓密和滲透作用。隨著注漿量和注漿壓力的增加,樁底擴(kuò)大頭逐漸形成,也逐漸改變了樁底土層的應(yīng)力路徑和固結(jié)狀態(tài)[1]。對滲透性差的土層,注漿壓力增大會在后期形成劈裂注漿。對滲透性好的土層,注漿量的增加會進(jìn)一步擴(kuò)散注漿半徑,形成壓密注漿狀態(tài)。在注漿過程中,根據(jù)持力層滲透性的不同和注漿壓力的變化,會出現(xiàn)注漿壓力泵壓力下降和回升的反復(fù)波動現(xiàn)象,但總的趨勢是隨著注漿量的增加和注漿半徑的擴(kuò)大,注漿壓力不斷升高。樁端注漿流程見圖1。

3 后壓漿工藝關(guān)鍵技術(shù)

1)注漿裝置。注漿裝置包括注漿導(dǎo)管和注漿閥,也可以利用聲測管作為注漿導(dǎo)管。樁基施工時將注漿管與鋼筋籠一起埋置,注意管底預(yù)留注漿孔并臨時封閉以防混凝土堵塞。2)漿液濃度。漿液水灰比過大容易造成漿液流失,降低后壓漿的有效性。水灰比過小會增大注漿阻力,降低可注性。因此漿液濃度的控制應(yīng)根據(jù)土層類別、土的密實度、土是否飽和諸因素確定。對于飽和土宜為 0.45～0.65,對于非飽和土宜為 0.7～0.9,對于松散碎石土、砂礫宜為0.5～0.6。3)注漿量與注漿壓力。壓漿控制原則:以壓漿量控制為主,注漿壓力為重要參數(shù),并嚴(yán)格控制樁頂上抬量。壓漿量為第一指標(biāo),注漿壓力為第二指標(biāo),樁頂上抬量為第三指標(biāo)。合理的注漿量由土層性質(zhì)、滲透性能、樁徑樁長、沉渣量等因素決定。注漿量可以根據(jù)正式注漿前的試驗數(shù)據(jù)、以往的工程經(jīng)驗和已有的經(jīng)驗公式估算得出(見表1)。在注漿實施過程中,需根據(jù)壓水試驗情況及注漿過程的反應(yīng)適當(dāng)調(diào)整注入量。也可以參考下述公式計算:Gc=αpd。其中,Gc為壓漿量;d為樁基直徑;αp為壓漿系數(shù),取值參考文獻(xiàn)[9]。

表1 壓漿量與最大壓漿壓力統(tǒng)計一覽表[9]

4 后壓漿的承載特性分析

4.1 樁基承載力的測試

現(xiàn)階段對后壓漿承載力特性的研究主要依靠大量的試驗數(shù)據(jù)分析,因此有必要對壓漿后的樁端阻力和樁側(cè)阻力進(jìn)行檢測。自平衡測試法[6]是樁基承載力測試的常用靜載荷試驗方法之一。該法用預(yù)埋在樁身的荷載箱進(jìn)行靜載荷試驗。試驗從樁頂通過高壓油管對荷載箱內(nèi)腔施加壓力,箱頂與箱底被推開,產(chǎn)生向上與向下的推力,從而調(diào)動樁周土的側(cè)阻力與端阻力,直至破壞。

4.2 荷載傳遞機(jī)理

考慮土體的連續(xù)性引起的變形,對各樁段實測的摩阻力與位移關(guān)系進(jìn)行修正,可真實反映出壓漿后摩阻力沿樁身的分布規(guī)律。采用傳遞函數(shù)對摩阻力與位移關(guān)系進(jìn)行擬合,從而得出各樁段的摩阻力極限值,有利于對后壓漿的加固效果進(jìn)行客觀分析。

4.3 樁側(cè)阻力的影響

影響灌注樁側(cè)摩阻力的主要因素是護(hù)壁泥皮的影響及樁身混凝土固時縮徑。樁端壓漿的漿液一部分作用于樁端土體,另一部分作用于樁端以上一定范圍內(nèi)的樁側(cè)土體。早期的研究認(rèn)為樁端后壓漿主要提高樁端的承載能力。近期通過對新鄭黃河二橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋和東海大橋等超長樁的實測資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)樁端后壓漿不僅可以提高樁端阻力,還可大幅提高樁側(cè)阻力[5]。在部分超長大直徑樁基工程實踐中,樁側(cè)摩阻力的增量成了樁基極限承載力提高的主要原因[6]。

4.4 壓漿后承載力計算方法

東南大學(xué)龔維明等人在統(tǒng)計大量實測資料的基礎(chǔ)上,總結(jié)出了符合一定條件[9]的大直徑鉆孔灌注樁后壓漿單樁承載力容許值計算公式:

式中各參數(shù)的取值詳見文獻(xiàn)[9]。其中,[Ra]為壓漿后單樁承載力容許值;βsi為第i層土的側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù);βp為端阻力增強(qiáng)系數(shù);qsi為與li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qp為樁端處土的極限承載力;li為各土層厚度;μ為樁身周長;Ap為樁端截面;n為土的層數(shù)。此外,文獻(xiàn)[8]和[12]也總結(jié)了后壓漿單樁極限承載力的計算公式。

表2 后壓漿樁基承載力增幅一覽表[9]

4.5 注漿效果分析

表2為部分特大橋梁后壓漿樁基承載力增幅情況。從表中可以看出,后壓漿對提高大直徑超長樁基承載力具有明顯的效果。

5 結(jié)語

1)本文總結(jié)了灌注樁后壓漿技術(shù)的物理化學(xué)機(jī)理,鉆孔灌注樁后壓漿可以同時提高樁端阻力和樁側(cè)摩阻力。2)介紹了后注漿的工藝流程及其影響注漿效果的關(guān)鍵技術(shù)。漿液配置主要根據(jù)土層類別、密實度和是否飽和等因素確定。壓漿量為注漿工藝的第一控制指標(biāo),注漿壓力次之。3)后壓漿技術(shù)是一項理論落后于實踐的工藝。目前對壓漿后樁基承載力的研究主要停留在對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析上,尚無普遍適用的承載力計算公式。

[1]黃生根,張曉煒,曹 輝.后壓漿鉆孔灌注樁的荷載傳遞機(jī)理研究[J].巖土力學(xué),2004,25(2):251-254.

[2]張忠苗,吳世明,包 風(fēng).鉆孔灌注樁樁底后注漿機(jī)理與應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報,1999,21(6):681-686.

[3]陳志堅,韓學(xué)偉,白炳東.大直徑超長鉆孔灌注樁樁端后壓漿機(jī)理探討[J].海河大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35(4):409-412.

[4]吳春秋,肖大平,吳 俊.灌注樁后壓漿技術(shù)的工程實踐及理論研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2008,41(sup):117-122.

[5]黃生根,龔維民.大直徑超長樁壓漿后承載性能的試驗研究及有限元分析[J].巖土力學(xué),2007,28(2):197-201.

[6]黃生根,龔維民.樁端壓漿對超長大直徑樁側(cè)阻力的影響研究[J].巖土力學(xué),2006,27(5):711-716.

[7]張陽明,管典志.鉆孔灌注樁后壓漿作用機(jī)理[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,35(7):890-892.

[8]胡春林,李向東,吳朝輝.后壓漿鉆孔灌注樁單樁豎向承載力特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(4):546-550.

[9]龔維明,戴國亮,張浩文.樁端后壓漿技術(shù)在特大橋梁樁基中的試驗與研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,37(6):1066-1070.

[10]黃生根,龔維民.蘇通大橋一期超長大直徑試樁承載特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(19):3370-3375.

[11]黃生根,龔維民,張曉煒,等.鉆孔灌注樁后壓漿的承載性能研究[J].巖土力學(xué),2004,28(8):1315-1319.

[12]管義軍.樁端后壓漿在蘇通大橋基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用與研究[J].公路交通科技,2006,23(7):100-103.