太原地區(qū)后注漿灌注樁承載力估算分析

王敏澤

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

灌注樁后注漿是一項(xiàng)保證灌注樁成樁質(zhì)量的輔助技術(shù)。注漿技術(shù)始于19世紀(jì)初，有文獻(xiàn)記載1961年在委內(nèi)瑞拉修建大橋時(shí)首次運(yùn)用了鉆孔灌注樁的底部灌漿技術(shù)。國內(nèi)1974年在天津塘沽新港進(jìn)行了氰凝固結(jié)樁間土的灌漿試驗(yàn)，灌漿后樁的載荷試驗(yàn)表明，單樁豎向極限承載力提高了50%。此后經(jīng)過多年的潛心研究和推廣，灌注樁后注漿技術(shù)于20世紀(jì)90年代后期得到蓬勃發(fā)展，目前此項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于全國20多個(gè)省市的數(shù)以千計(jì)的樁基工程中。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件:JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［1］、JTG D63-2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］、《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》［3］等均將后注漿技術(shù)列入其中。眾多工程技術(shù)人員對(duì)不同地區(qū)灌注樁后注漿應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié):胡春林、李向東、吳朝暉［4］分析了漢口地區(qū)72個(gè)工程項(xiàng)目的186根靜載荷試驗(yàn)試樁數(shù)據(jù)，根據(jù)試樁結(jié)果統(tǒng)計(jì)出漢口地區(qū)后注漿灌注樁極限承載力的增幅值及承載力提高系數(shù)分布規(guī)律，并提出相應(yīng)計(jì)算公式。溫濟(jì)明［5］通過總結(jié)惠州市135根后注漿灌注樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，提出了后注漿灌注樁的樁側(cè)及樁端承載力提高系數(shù)，并提出相應(yīng)計(jì)算公式。王衛(wèi)東、吳江斌、李進(jìn)軍等［6］通過對(duì)上海地區(qū)樁端后注漿灌注樁的樁端承載特性進(jìn)行研究，得出樁端后注漿技術(shù)改善了灌注樁的樁端承載特性，大幅度提高了樁端土體的承載能力和變形特性的結(jié)論。費(fèi)鴻慶［7］根據(jù)大量后注漿鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了西安地區(qū)后注漿鉆孔灌注樁施工質(zhì)量影響因素及對(duì)策。這些標(biāo)準(zhǔn)文件和地區(qū)研究成果為灌注樁后注漿技術(shù)的廣泛適用提供了可參考依據(jù)。但由于巖土體本身所特有的多相性，變異性和不連續(xù)性，在不同地區(qū)應(yīng)用效果亦具有明顯差異，故此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果尚應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貛r土工程條件和施工工藝加以研究總結(jié)。本文結(jié)合太原地區(qū)數(shù)十項(xiàng)后注漿灌注樁工程的基樁測試資料，研究總結(jié)了后注漿技術(shù)在本地區(qū)的應(yīng)用效果。

1 太原地區(qū)后注漿應(yīng)用簡介

太原地區(qū)地處晉中平原汾河流域，受其影響，大多為沖積和洪積地層，地貌單元為從汾河Ⅰ級(jí)階地、Ⅱ級(jí)階地到階地與洪積扇的過渡區(qū)。汾河?xùn)|岸Ⅰ級(jí)階地靠近河床一帶，地層以砂層為主，夾黏土、粉質(zhì)黏土，砂土厚度大。Ⅰ級(jí)階地的外側(cè)到Ⅱ級(jí)階地，地層多為粉質(zhì)黏土、粉土與細(xì)中砂互層。Ⅱ級(jí)階地外緣，地層上部多為黃土，下部多為粉土和粗礫砂等。汾河西岸Ⅰ級(jí)階地，上部一般為粉土和粉質(zhì)黏土夾砂土層，下部為中粗砂層。已有勘察資料顯示，太原地區(qū)在地表下30 m，45 m，60 m左右普遍存在一層厚3 m～10 m的砂層，為后注漿技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的地層條件。太原地區(qū)自1999年年底和2000年年初分別引進(jìn)了中國建科院地基所樁側(cè)、樁端后注漿技術(shù)和西南交通大學(xué)巖土所樁端后注漿技術(shù)，十多年來已在上百項(xiàng)工程中得到推廣應(yīng)用，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，目前已成為本地區(qū)高層、超高層建筑的主要基礎(chǔ)形式。

2 加固機(jī)理簡述

后注漿的直接效果體現(xiàn)在單樁承載力的提高和沉降的減小上。其加固機(jī)理是成樁時(shí)在樁底或樁側(cè)預(yù)制注漿管路和注漿裝置，待樁身達(dá)到一定強(qiáng)度后，通過注漿管路，利用高壓壓漿泵注以水泥為主劑的漿液，根據(jù)漿液性狀、土層特性和注漿參數(shù)的不同，壓力漿液對(duì)樁端沉渣、樁側(cè)泥皮及樁周土體分別起到滲透、充填、劈裂、壓密擴(kuò)容及固結(jié)等不同作用，對(duì)孔底沉渣和樁側(cè)泥皮進(jìn)行固化，從而消除傳統(tǒng)灌注樁施工工藝固有缺陷，通過改善樁側(cè)、樁端土體的物理力學(xué)性質(zhì)及樁土間界面的幾何和力學(xué)條件，達(dá)到提高樁的承載力，減少沉降的目的。

3 后注漿灌注樁側(cè)阻、端阻及承載力提高分析

3.1 樁側(cè)阻力、端阻力提高系數(shù)分析

本文統(tǒng)計(jì)了13根能獲得較準(zhǔn)確的極限側(cè)阻力和極限端阻力的試樁資料，結(jié)合勘察報(bào)告對(duì)樁側(cè)阻力、端阻力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

3.1.1 樁側(cè)阻提高分析

從表1可看出，13根樁側(cè)阻提高系數(shù)范圍為1.44～2.81，將其分成15個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間長度為0.1，畫出13根樁側(cè)阻力提高系數(shù)的頻數(shù)分布圖，如圖1所示。

圖1 側(cè)阻力提高系數(shù)

從圖1可看出，13根樁的側(cè)阻提高系數(shù)分布較分散，這是由于所測試灌注樁地下水位差異較大，樁穿越土層不盡相同，樁側(cè)注漿施工有所差別所致;13根樁的側(cè)阻提高系數(shù)分布范圍為1.44～2.81;太原地區(qū)樁身主要穿越粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、粗礫砂、卵礫石等其中的一種或幾種，其中卵礫石較少，本次統(tǒng)計(jì)未涉及。

根據(jù)本次統(tǒng)計(jì)結(jié)果，參考本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，建議在估算后注漿樁側(cè)阻力時(shí)，根據(jù)樁身穿越的土層特性，側(cè)阻力提高系數(shù)可按 表2取值。

表1 13根試樁側(cè)阻、端阻提高系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 側(cè)阻力提高系數(shù)建議值

3.1.2 樁端阻力提高分析

從表1可看出，端阻力提高系數(shù)范圍為1.70～6.67，將其分成7個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間長度為1.00，畫出13根樁承載力提高系數(shù)的頻數(shù)分布圖，如圖2所示。

圖2 樁端阻力提高系數(shù)直方圖

由圖2可看出，13根樁端阻力提高系數(shù)變化范圍較大，其最小值為1.70，最大值為 6.67，主要集中在 1.70 ～5.00 范圍內(nèi);由于工程實(shí)例中破壞性試驗(yàn)較少，在樁基承載力未達(dá)極限時(shí)，樁端阻力達(dá)不到很好發(fā)揮，不同的土層發(fā)揮程度有差異;根據(jù)本次統(tǒng)計(jì)結(jié)果，端阻力提高系數(shù)大致范圍為1.70～5.00;一般粗粒土顯著大于細(xì)粒土。建議進(jìn)行后注漿承載力估算時(shí)，樁端阻力提高系數(shù)可參考表3取值。

表3 端阻力提高系數(shù)建議值

3.2 承載力提高分析

單樁極限承載力提高系數(shù)共統(tǒng)計(jì)了154根樁，提高系數(shù)范圍為1.00 ～3.20，將其分成32 個(gè)小區(qū)間，每個(gè)區(qū)間長度為 0.1，畫出154根樁承載力提高系數(shù)的頻數(shù)分布圖，如圖3所示。

圖3 承載力提高系數(shù)直方圖

從圖3中可以看出承載力提高系數(shù)最大值為3.20，最小值為1.00，數(shù)值離散性較大。但大部分?jǐn)?shù)據(jù)在1.70～2.80范圍內(nèi)，共有113根，占到統(tǒng)計(jì)總數(shù)的73.38%;小于1.70的共22根，占總數(shù)的14.29%;大于2.80的共19根，占總數(shù)的12.33%。

考慮本地區(qū)普遍施工水平及地層情況，建議后注漿承載力提高系數(shù)可取1.50 ～2.50。

4 太原地區(qū)后注漿灌注樁承載力估算公式

4.1 估算公式

1)Quk'= βQuk。

其中，Quk'為后注漿灌注樁極限承載力值，kN;Quk為普通灌注樁的極限承載力，kN;β為注漿后極限承載力提高系數(shù)，建議取1.5～2.5，根據(jù)成孔工藝、注漿方式、樁長、地層等因素選用。

其中，u為樁身周長，m;qi為第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;li為樁穿越第i層土的厚度，m;qp為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;Ap為樁端面積，m2;βsi為后注漿樁側(cè)阻力提高系數(shù)，與注漿方式、土層結(jié)構(gòu)、樁長、樁徑、注漿質(zhì)量等因素有關(guān)，根據(jù)樁身穿越土層地質(zhì)情況，按表2選用;βp為后注漿樁端阻力提高系數(shù)，與注漿方式、土層結(jié)構(gòu)、樁長、樁徑、注漿質(zhì)量等因素有關(guān)，根據(jù)樁端持力層土性的不同，按表3選用。

4.2 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本研究所提參數(shù)及計(jì)算公式的合理性，選取太原地區(qū)3個(gè)不同工程進(jìn)行分析、計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 實(shí)例驗(yàn)證表

從表4可看出:

1)工程實(shí)例所提供灌注樁側(cè)阻、端阻增強(qiáng)系數(shù)均在研究成果范圍內(nèi);2)后注漿灌注樁極限承載力提高系數(shù)介于1.59～2.01之間，在本文研究成果范圍之內(nèi);3)當(dāng)采用勘察報(bào)告所提后注漿樁側(cè)阻及端阻提高系數(shù)，按照本文所提公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所得計(jì)算結(jié)果均小于實(shí)際靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，誤差為0.80%～15.2%之間，這既體現(xiàn)了本文所提計(jì)算公式的安全合理，又滿足工程要求。

5 結(jié)語

1)本文根據(jù)太原地區(qū)數(shù)十項(xiàng)工程試樁數(shù)據(jù)，提出了后注漿灌注樁樁側(cè)、樁端阻力提高系數(shù)和承載力提高系數(shù)。2)根據(jù)試驗(yàn)研究，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，提出了合理、實(shí)用的后注漿灌注樁承載力估算公式，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(地基與基礎(chǔ))［M］.北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

［4］胡春林，李向東，吳朝暉.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(bào)，2001，20(4):546-550.

［5］溫濟(jì)明.后壓漿鉆孔灌注樁單樁極限承載力研究［J］.湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，13(4):5-7.

［6］王衛(wèi)東，吳江斌，李進(jìn)軍，等.樁端后注漿灌注樁的樁端承載特性研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007(40):75-80.

［7］費(fèi)鴻慶.西安地區(qū)后注漿鉆孔灌注樁施工質(zhì)量影響因素及對(duì)策［J］.樁基工程技術(shù)進(jìn)展，2005(15):264-267.