樁底灌漿在大口徑樁基承載能力中的試驗研究

袁媛

摘 要：本文以某高鐵興建工程某標中的2個大孔徑反循環(huán)鉆孔灌注樁為研究對象，分別以單階段及多階段的施工方法，采用套管樁底澆筑的方式，利用極限承載力判斷方法推估樁基的極限承載力，以研究樁基承受垂直載重后的應力傳遞行為及樁底土壤受力行為，評估不同樁底灌漿方法對樁基承載力、樁頭沉陷狀況以及樁內(nèi)鋼筋的應力變化等項目的改善程度，以判斷樁底灌漿對增加垂直承載力的成效。

關鍵詞：大口徑;樁基;反循環(huán)鉆孔灌注樁;樁底灌漿;全套管灌注樁

中圖分類號：TU753.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0128-04

Abstract： Taking two large bored piles with reverse circulation in a bid of a high-speed railway construction project as the research object， the ultimate bearing capacity of pile foundation was estimated by using the method of casing pile bottom pouring and ultimate bearing capacity judgment. The stress transfer behavior of pile foundation after bearing vertical load and the stress behavior of soil at pile bottom were studied， and the improvement degree of different pile bottom grouting methods on pile foundation bearing capacity， pile head subsidence and stress change of steel bar in pile was evaluated， and the effect of pile bottom grouting on increasing vertical bearing capacity was judged.

Keywords： large caliber;pile foundation;reverse circulation bored pile;pile bottom grouting;full casing cast-in-place pile

1 研究背景

在經(jīng)濟快速發(fā)展的時代，土地取得不易。因此，任何一件開發(fā)案均嘗試在最大程度上發(fā)揮有限土地的商業(yè)利益，導致土木或建筑結(jié)構(gòu)均向著巨大化設計的方向發(fā)展，如北京國貿(mào)三期主樓、香港環(huán)球貿(mào)易廣場、上海環(huán)球金融中心、深圳京基100、南京紫峰大廈以及鄭州會展賓館（大玉米），都是樓高超過300m的摩天大樓。在此情形下，結(jié)構(gòu)物的設計載重均相當大。為了承載結(jié)構(gòu)物設計載重，基礎型式一般會選擇采用大口徑場鑄樁基礎進行設計，樁基礎可以利用樁身的摩擦力將載重傳遞至周圍土壤或是配合選取合適的承載層以承受載重。

目前，大口徑場鑄樁基的工法有兩種[1]，分別為反循環(huán)樁基及全套管灌注樁。前者因為施工迅速且成本較低，常用于場鑄樁基發(fā)展初期，但后來由于發(fā)現(xiàn)一些施工品質(zhì)的缺點，如樁基壁體有坍孔、樁底沉泥過多影響樁基承載力、皂土穩(wěn)定液的環(huán)保問題，因此，發(fā)展了另一種工法，即全套管灌注樁。該施工方法的施工方式為透過鋼套管全程保護鉆掘的壁體。利用此工法較易控制施工品質(zhì)，但存在施工時間長、施工成本高的缺點。

國內(nèi)也有部分工程的樁基采用樁底灌漿方式來改善樁基的承載力。由于目前國內(nèi)樁底灌漿發(fā)表的案例不多，因此對灌漿程序、施工規(guī)范或是設計準則等并無統(tǒng)一標準可供遵循。本文對某高速鐵路興建工程某標段的試樁資料進行研究，了解樁底灌漿的成效，以為相關作業(yè)程序或規(guī)范的建立提供借鑒。

2 大口徑樁基的施工方法

目前，國內(nèi)對大口徑樁基的施工方式最主要有兩種[2]，分別為反循環(huán)樁基及全套管灌注樁施工方法。與打擊樁相比，這兩種方式的優(yōu)點是可24h施工、低噪聲、低震動、幾乎適用于任何地質(zhì)條件且可配合設計需求施作不同的長度及樁徑?，F(xiàn)在對這兩種方式分別介紹如下。

2.1 反循環(huán)樁基

反循環(huán)樁基[3]是利用穩(wěn)定液于鉆掘過程中穩(wěn)定孔壁，避免坍孔，鉆掘方式系以三翼、四翼或蒜頭鉆頭連接于鉆桿末端，利用旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆桿，使其回轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削的作用，再由鉆桿管利用泵浦將泥水抽出至地面沉淀池，經(jīng)沉淀后再重新回流至孔內(nèi)。鉆掘過程中于孔內(nèi)的泥水添加皂土或高分子聚合物作為穩(wěn)定液，以穩(wěn)定孔壁。鉆掘完成后進行超音波檢測，以確認鉆孔垂直度，并確認孔壁是否有坍孔現(xiàn)象。接著即可吊放事先加工完成的鋼筋籠，再放入特密管，清除孔底沉泥，澆置混凝土，完成樁基的施工。

2.2 全套管灌注樁

全套管灌注樁[4]與反循環(huán)樁基最大的不同在于全套管灌注樁于鉆掘過程中全程采用鋼套管保護孔壁，避免坍孔。而反循環(huán)樁基則是利用穩(wěn)定液穩(wěn)定孔壁，而穩(wěn)定液容易產(chǎn)生環(huán)保問題。全套管灌注樁挖掘時需要利用搖管機將鋼套管壓入樁底，挖掘完成后進行超音波檢測以確認樁孔的垂直度。然后，吊放事先組立完成的鋼筋籠，再放入特密管，清除孔底沉泥并澆置混凝土，于澆置過程中隨著樁基內(nèi)混凝土高度的上升逐節(jié)將套管拔除，至澆置到設計樁頂高程即完成樁基工作。由于套管于樁基施工過程中需要使用搖管機壓入及拔出，因此，全套管灌注樁的施工時間及成本均高于反循環(huán)樁基。但是，由于全套管灌注樁有鋼套管保護，樁基品質(zhì)較容易掌握，所以，其應用較為廣泛。

3 試驗研究

3.1 工程概況

本次研究的樁基有兩根，分別為TP1及TP3。TP1位于高速鐵路里程TK287+781，TP3位于TK307+077;TP1樁徑1.8m、樁長65m，TP3樁徑2m、樁長56.5m。

兩根樁基均以反循環(huán)方式進行施工。TP1和TP3的樁底灌漿的方式不同，即TP1采用一次灌漿的方法施工，而TP3采用分層灌漿的方法進行施工。此外，TP1和TP3使用的穩(wěn)定液也不相同：TP1采用皂土;TP3采用高分子聚合物系列的穩(wěn)定液。高分子聚合物系列的穩(wěn)定液的優(yōu)點是高分子聚合物可加速循環(huán)水中土壤顆粒的沉淀，避免于壁體形成泥膜。另外，其也能縮短TP3樁基的施工時間，減少于壁體形成泥膜的機會。TK287+781與TK307+077的地質(zhì)狀況如表1和表2所示。

3.2 TP1、TP3的灌漿方法

3.2.1 TP1灌漿方法。TP1采用單階段灌漿，灌漿程序如下。

①預備灌漿（樁基完成后36h內(nèi)）。以清水加壓10～20kg/cm2沖破橡皮套四周的混凝土至樁底部形成通路，以利后續(xù)灌漿作業(yè)。若壓力急降，表示已沖開，應立即停止，避免稀釋未來灌漿效果。

②灌漿（樁基完成后48h以上）。將體積490L、水灰比1∶2（重量）的水泥漿藉由灌漿設備并透過預埋的PE管灌入樁底，最大壓力要達到60kg/cm2以上。完成上述兩個步驟后即停止并完成灌漿作業(yè)。

3.2.2 TP3灌漿方法。TP3則采用多階段灌漿方法[5]，步驟如下。

①預備灌漿（樁基完成后36h內(nèi)）。此步驟與TP1相同，先以清水加壓10～20kg/cm2沖破橡皮套四周的混凝土至樁基底部形成通路。若壓力有急降，表示已沖開，應立即停止，避免稀釋未來灌漿效果。

②第一次灌漿（樁基完成后48h以上）。開始灌漿至瞬間最大壓力達60kg/cm2以上且連續(xù)出現(xiàn)3min即可停止灌漿，否則需要灌至980L后停止，并以清水清洗灌漿管，進行第二次灌漿。

③第二次灌漿（第一次灌漿后10h以上）。開始灌漿至瞬間最大壓力達60kg/cm2以上且連續(xù)出現(xiàn)3min即可停止灌漿，否則需要灌至980L后停止，并以清水清洗灌漿管，進行第三次灌漿。

④第三次灌漿（第二次灌漿后10h以上）。開始灌漿至瞬間最大壓力達60kg/cm2以上且連續(xù)出現(xiàn)3min即可停止灌漿，否則需要灌至980L后停止，完成灌漿作業(yè)。

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 TP1試驗結(jié)果。原預估TP1樁基的極限承載力是4 100t。試驗發(fā)現(xiàn)，當載重至約1 800t時，樁頭的沉陷量急速增加;而當加載至約2 200t，樁頭沉陷量已達200mm，明顯可知樁基周圍土壤已達破壞狀態(tài)。因此，立即停止加載開始解壓，當完全解壓時，樁頭的永久變形量約180mm，載重沉陷曲線如圖1所示。此外，由設置于樁基鋼筋籠的鋼筋應變計所量得的應力變化情形如圖2所示。

3.3.2 TP3試驗結(jié)果。預估TP3樁基的極限承載力是3 500t。試驗結(jié)果表明，當載重至約4 200t時，樁頭的沉陷量僅達29mm，仍未有明顯轉(zhuǎn)折點，且已超過預估的極限承載力。由于已超過千斤頂?shù)娜萘?，所以停止載重開始卸壓，完全卸壓后，永久沉陷量僅14mm，載重沉陷曲線詳圖3。

4 結(jié)果分析

①總承載力增加幅度約128%。

②TP3與TP1比較，摩擦力增加約83%。依據(jù)灌漿記錄發(fā)現(xiàn)，于樁基周圍發(fā)現(xiàn)溢出的漿液，因此，推斷其原因為樁底灌漿的漿液沿著樁基與周圍土壤的界面滲透，增加土壤摩擦力。

③點承力增加約400%。主要原因為階段性樁底灌漿及足夠的灌漿量有效擠壓樁底沉泥，并固結(jié)沉泥;灌漿壓力使得樁底形成一球形基礎，而增加樁底點承力。

④單階段灌漿的TP1土層發(fā)揮最大摩擦力時的沉陷量為15～30m;多階段灌漿的TP3土層發(fā)揮最大摩擦力時的沉陷量為2～10mm。可見，多階段樁底灌漿方法有效改善了土壤降伏點的位移量。此現(xiàn)象對于由沉陷量來控制的結(jié)構(gòu)物有相當大的幫助，即當結(jié)構(gòu)物承受設計載重時的沉陷量遠小于結(jié)構(gòu)物的容許沉陷量，避免結(jié)構(gòu)物因為沉陷問題而影響結(jié)構(gòu)安全或使用年限。

⑤反循環(huán)樁基的施工方式除了一般樁基施工時的沉泥問題會影響樁基點承力外，施工時間過長所產(chǎn)生于砂土層的泥膜效應也嚴重影響承載力，其影響程度更甚于點承力。

⑥采用多階段的樁底灌漿程序并配合足夠的灌漿量可明顯改善樁基的摩擦力及點承力，進而增加整體承載力，也可增加土壤的勁度。

5 結(jié)語

本研究案TP1樁基施工時使用皂土充當穩(wěn)定液及采用單階段的樁底灌漿方式，因為整體承載力不如預期，所以于樁基TP3時改采用高分子聚合物當穩(wěn)定液，并且同時修正樁底灌漿方式為多階段樁底灌漿。試樁結(jié)果表明，改進后明顯大幅提高了樁基的承載力。因為同時改變穩(wěn)定液的種類及樁底灌漿方式，因此并無法分別了解這兩種變更對樁底灌漿的成效，希望以后可以收集更多的試樁資料進行分析，以分別確認其效果。

參考文獻：

[1]李娟，李學軍，路學忠.超大口徑?jīng)_擊成孔灌注樁在寧夏境內(nèi)跨黃河高壓塔基施工中的實踐[J].西部探礦工程，2014（10）：1-3.

[2]周國鋒，王正軍，王曉平.高邊坡地質(zhì)災害治理中大口徑超深抗滑樁施工[C]//2013水利水電地基與基礎工程技術(shù)：中國水利學會地基與基礎工程專業(yè)委員會第12次全國學術(shù)會議.2013.

[3]阮文祿.后注漿鉆孔灌注樁的承載力研究[D].長春：吉林大學，2014.

[4]沈艷君.鉆孔灌注樁缺陷檢測與處理的應用研究[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[5]張照炎.后壓漿鉆孔灌注樁承載力分析及施工工藝研究[D].邯鄲：河北工程大學，2014.