大直徑后壓漿灌注樁豎向承載力試驗對比研究

于建海，張穎輝，王洋，陳亮

（1.神華黃驊港務有限責任公司，河北 滄州 061113；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

鉆孔灌注樁憑借其適應性強、施工機械化程度高、抗震性能好等特點越來越多的應用于各類土建結構的基礎施工中。但是其施工質量受施工工藝所限常會出現由于孔徑較大、成孔時間長，土層自由面破壞導致土層應力的釋放現象嚴重，改變了地層的初始應力狀態(tài)，引起地層側壓力的降低，使樁側摩阻力減小，并且泥漿過長時間的浸泡會使成樁后樁側泥皮厚度過大等現象，從而大大降低了承載力的發(fā)揮。后壓漿技術是針對鉆孔灌注樁的上述缺點而發(fā)展起來，其對提高鉆孔灌注樁的承載力、減小沉降、改善樁身荷載傳遞性狀具有顯著效果，目前已廣泛應用于各類土建施工中。

神華黃驊港三期工程包含新建24座儲煤筒倉，單個筒倉直徑40 m，高度43 m，容量3萬t，總重量約5.2萬t。筒倉位于港口軟土地基上，基礎形式采用后壓漿灌注樁，共計2860根。為保證項目實施安全、可靠，并且為驗證后壓漿技術對樁基礎承載力的提高效果以便進一步優(yōu)化設計，前期施工了6根試驗樁，通過對比普通灌注樁（2根）和樁端后壓漿灌注樁（2根）、樁端樁側復式壓漿灌注樁（2根）的靜載荷試驗結果，分析論證了后壓漿對樁基承載力的提高效果。

1 灌注樁后壓漿技術的發(fā)展及工作機理

1.1 后壓漿技術的發(fā)展

目前的后壓漿技術是從原有的灌漿法發(fā)展而來的，早在19世紀中期英國的W.R.Kiippe發(fā)明了用水泥漿進行灌漿，其實質是用氣壓、液壓或電化學原理，把水泥漿液注入各種介質的裂縫或孔隙，以改善地基的物理力學性質[1]。直到20世紀中期首先在委內瑞拉的橋梁建設中對樁基礎進行后壓漿處理，取得成功后逐步在各國推廣開來，逐步改進形成了現有的后壓漿技術。后壓漿技術在我國的應用始于1983年,北京市建筑工程研究所在國內首先研究開發(fā)出預留壓漿空腔方式的樁端壓力注漿樁，試驗結果表明該方法效果顯著，在北京崇文門7號樓項目首次應用。之后后壓漿技術在國內蓬勃發(fā)展，目前已有16種樁端壓力注漿裝置，并且“鉆孔灌注樁后壓漿技術”被建設部定為“九五”科技成果推廣項目[2]。

近年來，鉆孔灌注樁樁端后注漿技術廣泛應用于像東海大橋、蘇通大橋、杭州灣跨海大橋等諸多有影響力的大型工程，不僅提高了灌注樁的承載能力，減少了沉降量，而且取得了顯著的經濟效益。

1.2 后壓漿工作機理

后壓漿技術是指在鉆孔灌注樁成樁后對樁底、樁側實施壓力灌漿，其加固效應包含兩方面：一是加固樁底沉渣和樁身泥皮；二是對樁底和樁側一定范圍內的土體通過滲入（粗粒土）、劈裂（細粒土）和壓密（松軟土）灌漿起到加固作用，從而增強了樁側阻力和樁端阻力，提高單樁承載力。后壓漿加固過程具體包括[3]：

1）在向樁端壓注水泥漿時，水泥漿液是由下而上滲透的，漿液首先滲透到樁底疏松的沉渣間隙中，從而降低了樁底沉渣對單樁承載力的不利影響。

2）水泥注漿液在高壓下不斷地向受泥漿浸泡而疏軟的持力層中劈裂、滲透和擠密，使持力層的強度和變形模量得到大幅度的提高。

3）隨著樁側壓漿的逐步進行，樁身周圍包裹的泥皮將被固化，從而提高樁側摩阻力的發(fā)揮。

2 試樁情況

2.1 工程概況

本次試樁選擇在正式工程樁附近，共計6根試驗樁，樁徑均為1 m，樁長52 m，其中7號和14號試樁為普通灌注樁，5號和12號試樁為樁端壓漿灌注樁，6號和13號為樁端樁側復式壓漿灌注樁。試驗樁間距8 m，由于樁數少、樁距大，相鄰樁之間的注漿相互影響很小，可以認為是單樁注漿。靜載試驗采用慢速維持荷載法，錨樁聯合堆載法提供反力。

地質條件見表1。

表1 地質條件

2.2 試驗過程

2.2.1 注漿施工順序

后壓漿總體施工順序與樁基施工順序相同，單個筒倉先進行外圈樁基注漿，即倉壁下部樁基，再進行內部樁基注漿。復式壓漿灌注樁單樁壓漿順序為先對樁側進行壓漿，然后進行樁端壓漿。

2.2.2 注漿設備

復式壓漿灌注樁有3根注漿管，樁側注漿管1根，選用DN20，壁厚2.75 mm；樁端注漿管2根，選用DN25，壁厚3.25 mm。注漿設備見表2。

表2 注漿設備

2.2.3 注漿量及注漿壓力

本次試樁后壓漿水泥采用P.S.A32.5，水灰比0.6～0.7。注漿過程采取注漿量和注漿壓力雙控方法，以水泥注入量控制為主，泵送終止壓力控制為輔。注漿設計水泥用量：樁端2.4～2.8 t/根，樁側0.8～1.2 t/根。注漿設計壓力：樁端2～4 MPa，樁側1～2 MPa。注漿點距離施工樁大于15 m，壓漿流量控制在30～50 L/min，樁端注漿控制在1 h左右，實際壓漿量2.5 t，樁側注漿控制在40 min左右，實際壓漿量1.5 t。復式注漿樁端和樁側注漿時間間隔24 h以上。

2.2.4 靜載試驗

普通灌注樁預估承載力為7600 kN，樁端后壓漿灌注樁預估承載力為10000 kN，復式后壓漿灌注樁預估承載力為11000 kN，加載采取按其預估承載力的10%為一級，直至達到破壞條件終止試驗。

試驗過程中，7號，12號，13號，14號試樁過程較為順利，5號和6號試樁分別在加載至14000 kN和14300 kN時，錨樁最大上拔量達到18.01mm和17.85 mm，并且呈現加速上拔趨勢，無法維持荷載。經多方討論研究后，決定實施錨樁聯合堆載法提供反力，重新進行了第二次試驗。因此本次試驗的6根試樁共得出8組數據，見圖1[4]。

圖1 Q-S曲線

根據單樁靜載試驗結果，普通灌注樁單樁豎向承載力特征值為4180 kN；樁端壓漿灌注樁單樁豎向承載力特征值如7000 kN；樁端樁側復式壓漿灌注樁單樁豎向承載力特征值為7700 kN。根據以上數據計算，樁端壓漿灌注樁極限承載力提高67.5%，復式壓漿灌注樁承載力提高84.2%。

3 分析與結論

1）從已有的研究結果來看，樁端后注漿提高承載力的比例總體規(guī)律是粗粒土的效果好于細粒土，以粉土和細砂為持力層的長樁和超長樁，文獻 [3]認為樁端后注漿樁承載力的比例提高30%～100%，甚至更高。由于后注漿樁載荷試驗到達極限的資料較少，所以實際的提高比例應該還要高。根據本次試驗研究的結果來看，樁側土與樁端持力層均為黏土或者粉土，靜載試驗均已達到極限荷載，由此可以得出在地質條件更好的地區(qū)后壓漿灌注樁承載力提高幅度將更大。

2）本次試驗均為單樁壓漿（樁距8 d），在正式工程中，承臺下一般為群樁（樁距（3～6）d），群樁注漿時由于漿液的擴散對相鄰樁的加固作用亦相當可觀，樁數越多，樁距越小，這種相互幫助的作用越明顯，將大幅提高注漿效果。同時群樁注漿會在樁端形成加固層，對控制沉降極為有利。因此在正式工程中，在相同工藝下，注漿效果將優(yōu)于本次試樁。

3）目前后壓漿工藝主要還是以單一的樁端注漿為主，施工較為簡便，而樁側注漿施工工藝相對復雜，在樁端注漿能滿足承載力要求的情況下一般不采取復式注漿。不過從本次試驗結果來看，復式注漿對承載力的提高效果還是顯著高于樁端注漿的。

4）JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》[5]中對后壓漿灌注樁承載力計算給出了詳細的計算方法，結合本工程，注漿側阻力增強系數取1.7，注漿端阻力增強系數取2.4，根據其公式計算得出本工程后壓漿灌注樁極限承載力為14591 kN，與實測值相比十分接近，可見規(guī)范中計算方法科學可靠。

5）關于注漿量，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》認為樁端樁側復式壓漿漿液影響區(qū)域為壓漿面以上12 m?？紤]孔隙率取40%，充填率取30%，水泥漿厚度樁端上返部分取0.015 m，樁側上返部分取0.01 m。由此計算出壓漿量為：樁端水泥用量2.826 t，樁側水泥用量1.13 t，總注漿量為3.856 t。

而根據該規(guī)范中給出的注漿量的經驗公式6.7.4計算得出的注漿量為3～3.84 t，對黏性土層取低值，對卵石、礫石及中砂層取高值。實際試驗中總注漿量控制在4.0 t左右（其中樁端注漿2.5 t，樁側注漿1.5 t），從靜載試驗結果來看經驗公式的注漿量取值偏小。

6）后壓漿技術不僅彌補了鉆孔灌注樁施工過程中的各類工藝缺陷，大大提高了樁基承載力，而且有效縮短了樁長、樁徑，從經濟方面考慮大大節(jié)約了工程成本，值得在今后的工程實踐中大力推廣應用。

[1]劉金礪.樁基綜合報告[C]//第6屆全國土力學及基礎工程學術會議論文集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

[2]沈保漢.后注漿技術（1）[J].工業(yè)建筑，2001（5）：64-66，72.

[3]時倉艷.鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性分析及后壓漿應用研究[D].南京：東南大學土木工程學院，2006.

[4]黃驊港儲煤筒倉靜載試驗樁后壓漿技術報告[R].北京：建研院地基基礎工程公司，2008.

[5]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規(guī)范[S].