后注漿鉆孔灌注樁在杭州站高架候車室的應(yīng)用

姜利華

(杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江杭州 310016)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為節(jié)省基礎(chǔ)投資，降低工程造價(jià)，通過提高同直徑鉆孔灌注樁單樁豎向極限承載力，減少樁的數(shù)量是行之有效的措施，在此大背景下，后注漿技術(shù)得到了運(yùn)用、發(fā)展。鉆孔灌注樁后注漿技術(shù):成樁時(shí)在樁底或樁側(cè)預(yù)置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，利用高壓注漿泵壓注以水泥為主劑的漿液，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的缺陷，達(dá)到提高樁的承載力，減少沉降量的目的［1］。

1 工程概述

為配合杭州東站樞紐擴(kuò)建，在杭州城站既有候車室的南側(cè)，鐵路8、9股道的上方須新建一座高架候車室。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，新建候車室的13軸、14軸基礎(chǔ)外側(cè)考慮預(yù)留城市地鐵2號(hào)線盾構(gòu)位。地鐵2號(hào)線自北向南穿過整個(gè)候車室，其中，在里程K10+848附近，地鐵隧道左線中心高程為－1.537m;在里程K10+819.5附近，地鐵隧道右線左線中心高程:－2.250m。為最大限度地減少高架候車室施工對(duì)車站既有鐵路線路運(yùn)營的影響，新建的高架候車室采用樁基礎(chǔ)，關(guān)鍵的控制節(jié)點(diǎn)為13、14軸。候車室13(14)軸分別有4根柱子，其中13軸柱子左外側(cè)、14軸柱子右外側(cè)分別為2號(hào)地鐵盾構(gòu)線，盾構(gòu)線位距離13軸左側(cè)樁凈尺寸為706 mm，距離14軸右側(cè)樁凈尺寸為1 025 mm。

灌注樁貼著地鐵盾構(gòu)線、旅客地道邊線之間的有限空間向下成孔，為保證灌注樁不侵入地鐵盾構(gòu)線，灌注樁的最大允許直徑為1000 mm。

高架候車室13(14)軸柱底最大豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5 500 kN，最大水平彎矩為917 kN·m。地質(zhì)勘察資料顯示，高架候車室的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，其中⑧－3圓礫層厚度在22m以上，鉆孔灌注樁穿越圓礫層施工難度大，同時(shí)考慮到施工工期的影響，最終選擇以⑧－3圓礫層為樁基礎(chǔ)的持力層。經(jīng)計(jì)算，1000 mm鉆孔灌注樁單樁極限抗壓承載力約為8 465.1 kN，單樁承載力不能滿足候車室樁基礎(chǔ)承載力的要求。經(jīng)反復(fù)對(duì)比，決定在本工程中引入后注漿技術(shù)以提高單樁承載能力。設(shè)計(jì)擬采用直徑為1000 mm的后注漿鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)39.5m，有效樁長(zhǎng)39m。根據(jù)規(guī)范［2］計(jì)算，后注漿鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力可達(dá)到12 650 kN，能滿足本工程柱底最大豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值5 500 kN的承載力要求。

為檢驗(yàn)后注漿技術(shù)提高單樁承載力方面的實(shí)際效果，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)打普通鉆孔灌注樁、樁端后注漿鉆孔灌注樁的試驗(yàn)樁，每種類型樁各2根，采用相同樁長(zhǎng)、樁徑及等強(qiáng)度混凝土，并通過自平衡法試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，為樁端后注漿鉆孔灌注樁的實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 場(chǎng)地巖土層的構(gòu)成和特征

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)地地層在勘探深度46.10m范圍內(nèi)可分為6大層，共13亞層，自上而下描述如下。

①－1碎石填土:主要由碎石道碴組成，含量約65%～85%，層厚0.60～0.70m。

①－2填土:黃灰色、灰褐色，稍濕，稍密，全場(chǎng)分布，層厚0.20～2.60m。

②砂質(zhì)粉土:灰黃色，濕，稍密—中密，層頂高程為3.29～5.56m，層厚3.50～5.70m。

④－1砂質(zhì)粉土:灰色，濕，中密—密實(shí)，全場(chǎng)分布，層頂高程為－0.35～0.62m，層厚3.60～6.00m。

④－2粉砂:綠灰色、灰色，濕，稍密—中密，層頂高程為－5.89～－3.18m，層厚1.40～3.50m。

④－3砂質(zhì)粉土夾粉砂:灰色，濕，中密，層頂高程為 －8.21～ －5.16m，層厚3.70～7.40m。

⑤－1粉質(zhì)黏土:黃灰色、灰色，飽和，軟塑—可塑，層頂高程為－12.62～－10.78m，層厚2.20～6.30m。

⑦－1黏土:褐灰色、灰色，飽和，軟塑、局部流塑，層頂高程為－18.45～－13.32m，層厚3.70～9.40m。

⑦－2粉質(zhì)黏土:灰色、灰綠色，飽和，軟塑，全場(chǎng)分布，層頂高程為－25.45～－21.09m，層厚1.70～7.50m。

⑧－1粉砂:灰色、黃褐色，濕，中密，全場(chǎng)分布，層頂高程為－30.36～－27.15m，層0.80～5.00m。

⑧－2含礫細(xì)中砂:褐黃色，濕，中密。局部缺失，層頂高程為－32.22～－29.65m，層厚0.00～3.70m。

⑧－3圓礫:灰黃、褐黃色，濕，中密—密實(shí)，粒徑2～20 mm者約30%～45%，粒徑20～50 mm者約20%～35%。成分以中風(fēng)化砂巖、石英砂巖為主，少量為凝灰?guī)r、中粗砂及少量黏性土充填，全場(chǎng)分布，層頂高程為－34.49～－29.84m，揭示最大厚度5.70m，未揭穿。根據(jù)區(qū)域資料，該層厚度在22m以上，下伏即為風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖，地基承載力特征值均大于250 kPa，壓縮模量均大于20 MPa，另外無其他軟弱土層分布。

根據(jù)地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，建議以第⑧－3圓礫層粉土作為樁端持力層，樁端入土深度約39.5m，依據(jù)規(guī)范，提出鉆孔灌注樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik及樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk(表1)。

表1 鉆孔灌注樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q sik及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值q pk

3 后注漿鉆孔灌注樁的工作機(jī)理

3.1 工藝簡(jiǎn)介

在鋼筋籠內(nèi)預(yù)設(shè)3根后注漿導(dǎo)管，導(dǎo)管采用DN32.0(內(nèi)徑)×3.5 mm鍍鋅鋼管，鍍鋅鋼管與鋼筋籠加勁鋼筋焊接，樁底注漿鋼管較鋼筋籠長(zhǎng)出500 mm，并在鋼管底部設(shè)注漿閥(樁側(cè)未設(shè)注漿閥)。成樁后5 d內(nèi)，采用高壓泵將漿液通過注漿管和單向閥壓入樁底、樁側(cè)。

后注漿的加固效應(yīng)包含2個(gè)方面［1，3］:

(1)加固樁底沉渣和樁身泥皮;

(2)對(duì)樁底和樁側(cè)一定范圍的土體通過滲入(粗粒土)、劈裂(細(xì)粒土)和壓密(松軟土)注漿起到加固作用，從而增強(qiáng)樁側(cè)阻力和樁端阻力，提高單樁承載力，減小沉降。

3.2 承載力增強(qiáng)原理［3］

(1)固化效應(yīng):沉渣和泥皮被固化，伴隨擴(kuò)底和擴(kuò)徑效應(yīng)。

(2)充填膠結(jié)效應(yīng):粗粒土(卵礫、粗中砂)因滲入注漿被膠結(jié)。

(3)加筋效應(yīng):細(xì)粒土(黏性土、粉土、粉細(xì)砂)因劈裂注漿形成加筋復(fù)合土。

3.3 注漿實(shí)施情況

(1)水泥采用 P．S．A 32.5，水灰比 0.6～0.7。

(2)注漿量和注漿壓力見表2。

表2 注漿參數(shù)匯總

(3)注漿實(shí)施過程中，未出現(xiàn)周圍樁串孔、注漿壓力低等情況。

(4)漿液溢出地面終止注漿。

4 單樁極限承載力的確定

自平衡加載方向與實(shí)際受力不同，應(yīng)考慮上段樁側(cè)阻力與實(shí)際受力下樁側(cè)阻力的差異以及上段樁自重，根據(jù)荷載箱上下樁段的位移隨荷載的變化曲線，分別確定上段樁的極限樁側(cè)阻力及下段樁的樁側(cè)與樁端阻力之和，綜合分析自平衡加載方式下的極限承載力。

依據(jù)上下樁段的Q～S曲線，由合適的承載力確定方法分別求得上、下樁段的極限承載力，并考慮自平衡加載時(shí)正負(fù)摩阻力的差異，在將自平衡測(cè)試的上段樁負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)換為壓樁正摩阻力時(shí)，引入修正系數(shù)γ，根據(jù)試樁的加載極限值，可按下式確定試樁的極限承載力

式中 Pu——試樁的單樁豎向抗壓極限承載力/kN;

Quu——試樁上段樁的加載極限值/kN;

Qlu——試樁下段樁的加載極限值/kN;

W——試樁荷載箱上段樁樁身自重(地下水位以下按浮容重計(jì))/kN;

γ——試樁的修正系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類型確定。

5 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

檢測(cè)方法:普通灌注樁、后注漿灌注樁均采用自平衡法。自平衡試樁法是在樁尖附近埋設(shè)荷載箱，沿垂直方向加載，即可同時(shí)測(cè)得荷載箱上、下部樁身的承載力。自平衡試樁法的主要裝置是一種特別設(shè)計(jì)的樁身加載荷載箱，主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。將荷載箱與鋼筋籠焊接成一體放入樁體后，即可灌注砼成樁。試驗(yàn)時(shí)在地面上通過油泵加壓，隨著壓力的增加，荷載箱將同時(shí)向上、向下發(fā)生變位，促使樁側(cè)阻力及樁端阻力逐步發(fā)揮。采用并聯(lián)于荷載箱的壓力表測(cè)定油壓，根據(jù)荷載箱率定曲線換算荷載，采用專用裝置分別測(cè)定荷載箱向上位移和向下位移。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制向上的力與位移曲線及向下的力與位移曲線、S～log t、S～log Q曲線。根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定，即可判斷樁的承載力、樁基沉降、樁彈性壓縮和巖土塑性變形(見圖1)。

圖1 自平衡加載受力示意圖及試驗(yàn)典型曲線

5.1 加載系統(tǒng)

自平衡試樁法的主要裝置是特別設(shè)計(jì)專用荷載箱，根據(jù)試驗(yàn)樁徑和試驗(yàn)荷載的大小，荷載內(nèi)設(shè)置幾個(gè)千斤頂并聯(lián)而成。為使荷載箱兩端的樁身受力均勻，便于和鋼筋籠焊接，在千斤頂上、下分別用適當(dāng)厚度的鋼板連接，上頂板和下底板鋼板厚度為35 mm，與鋼筋籠焊接連接(見圖2)。

圖2 自平衡試驗(yàn)樁現(xiàn)場(chǎng)圖片

5.2 1號(hào)試樁測(cè)試數(shù)據(jù)分析

整個(gè)測(cè)試過程正常，試驗(yàn)采集了各級(jí)荷載下荷載箱向上、向下位移。荷載箱向上最大位移量為3.87 mm，殘余位移為2.21 mm;荷載箱向下最大位移量為11.47 mm，殘余位移為8.67 mm。自平衡測(cè)試得到的是上段樁和下段樁的分段Q～S曲線。自平衡測(cè)試位移數(shù)據(jù)見表3、分段的Q～S曲線見圖3。

圖3 1號(hào)試樁自平衡測(cè)試分段Q～S曲線

5.3 1號(hào)試樁極限承載力確定

由自平衡試驗(yàn)分段Q～S曲線可知，上段樁、下段樁的加載極限值為5 888 kN，取修正系數(shù)為0.8，按式(1)可知該樁的極限承載力大于13 960 kN。

根據(jù)等效轉(zhuǎn)換原則將實(shí)測(cè)分段Q～S曲線轉(zhuǎn)換至樁頂加載方式下的單一Q～S曲線，并對(duì)等效轉(zhuǎn)換后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理外延。由表3及圖4數(shù)據(jù)可知，在樁頂位移為40 mm時(shí)，樁頂?shù)臉O限承載力達(dá)到15 377 kN。在設(shè)計(jì)極限荷載11000 kN作用下，樁頂?shù)奈灰茷?8.28 mm。

表3 1號(hào)試樁等效轉(zhuǎn)換及外延數(shù)據(jù)

圖4 1號(hào)試樁等效轉(zhuǎn)換曲線

5.4 2號(hào)試樁測(cè)試數(shù)據(jù)分析

整個(gè)測(cè)試過程正常，試驗(yàn)采集了各級(jí)荷載下荷載箱向上、向下位移。荷載箱向上最大位移量為3.10 mm，殘余位移為1.89 mm;荷載箱向下最大位移量為17.85 mm，殘余位移為14.69 mm。自平衡測(cè)試得到的是上段樁和下段樁的分段Q～S曲線。自平衡測(cè)試位移數(shù)據(jù)見表4、分段的Q～S曲線見圖5。

圖5 2號(hào)試樁自平衡測(cè)試分段Q～S曲線

5.5 2號(hào)試樁極限承載力確定

由自平衡試驗(yàn)分段Q～S曲線可知，上段樁、下段樁的加載極限值為5 803 kN，取修正系數(shù)為0.8，按式(1)可知該樁的極限承載力大于12 650 kN。

根據(jù)等效轉(zhuǎn)換原則將實(shí)測(cè)分段Q～S曲線轉(zhuǎn)換至樁頂加載方式下的單一Q～S曲線，并對(duì)等效轉(zhuǎn)換后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理外延。由表4及圖5數(shù)據(jù)可知，在樁頂位移為40 mm時(shí)，樁頂?shù)臉O限承載力可達(dá)到14 632 kN。在設(shè)計(jì)極限荷載11000 kN作用下，樁頂?shù)奈灰茷?9.53 mm。

表4 2號(hào)試樁等效轉(zhuǎn)換及外延數(shù)據(jù)

圖6 2號(hào)試樁等效轉(zhuǎn)換曲線

由自平衡試驗(yàn)分段Q～S曲線可知，上段樁、下段樁的加載極限值為4 796 kN，取修正系數(shù)為0.8，按式(1)可知該樁的極限承載力大于12 446 kN。

根據(jù)等效轉(zhuǎn)換原則將實(shí)測(cè)分段Q～S曲線轉(zhuǎn)換至樁頂加載方式下的單一Q～S曲線，并對(duì)等效轉(zhuǎn)換后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理外延。由表4及圖6數(shù)據(jù)可知，在樁頂位移為40 mm時(shí)，樁頂?shù)臉O限承載力為14 632 kN。

5.6 3號(hào)、4號(hào)試樁極限承載力確定

以相同的試驗(yàn)方法得出3號(hào)、4號(hào)試樁極限承載力:在樁頂位移為40 mm時(shí)，3號(hào)樁頂?shù)臉O限承載力為8 847.8 kN;4號(hào)樁頂?shù)臉O限承載力為8 767.3 kN。

6 試樁結(jié)果

6.1 樁端后注漿鉆孔灌注樁的試驗(yàn)結(jié)果

(1)以樁頂位移40 mm為判斷依據(jù)［4］，1號(hào)試樁的極限承載力為15 377 kN。在極限荷載11000 kN作用下，樁頂?shù)奈灰茷?8.28 mm。

(2)以樁頂位移40 mm為判斷依據(jù)［4］，2號(hào)試樁的極限承載力為14 632 kN。在極限荷載11000 kN作用下，樁頂?shù)奈灰茷?9.53 mm。

6.2 普通鉆孔灌注樁的試驗(yàn)結(jié)果

(1)以樁頂位移40 mm為判斷依據(jù)［4］，3號(hào)樁頂?shù)臉O限承載力為8 847.8 kN，不能滿足極限荷載11000 kN的承載要求。

(2)以樁頂位移40 mm為判斷依據(jù)［4］，4號(hào)樁頂?shù)臉O限承載力為8 767.3 kN，不能滿足極限荷載11000 kN的承載要求。

7 結(jié)論

通過自平衡試驗(yàn)比對(duì)，以樁頂位移40 mm為判斷依據(jù)，樁端后注漿鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力平均值為15 004.5 kN;普通鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力平均值為8 807.55 kN，樁端后注漿鉆孔灌注樁比普通鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力提高了70.36%。

本工程樁端持力層為圓礫層，樁端后注漿技術(shù)應(yīng)用效果顯著，采用樁端后注漿技術(shù)后，單樁承載力顯著提高，滿足設(shè)計(jì)要求，解決了鉆孔樁端樁與城市地鐵、旅客地道之間的矛盾;同時(shí)節(jié)省了大量資金，大幅度地縮短了施工工期，為本工程在春運(yùn)前竣工啟用爭(zhēng)取了時(shí)間，緩解了因杭州東站停運(yùn)所帶來的運(yùn)輸壓力，取得了明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

樁端后注漿鉆孔灌注樁技術(shù)于2008年寫入《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94—2008，因此進(jìn)一步研究、完善鉆孔灌注樁的后注漿技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］王秀哲，龔維明，薛國亞．樁端后注漿技術(shù)的研究及發(fā)展［J］．建筑施工技術(shù)，2004，33(5):28 －31

［2］JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］

［3］沈保漢．地基基礎(chǔ)論文論著選集——樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)進(jìn)展［M］．北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006

［4］JGJ106—2003 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］