某工程試樁承載力異常原因分析及解決措施

彭滿華 陳志新 張海順

(中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063)

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某工程位于上海市市中心，周邊環(huán)境復(fù)雜，鄰近已有建筑和市政道路，局部處于地鐵保護(hù)線范圍內(nèi)。該項(xiàng)目分南樓、北樓、輔樓及地下室，其中南樓20層，高度為85.3 m，框架-核心筒結(jié)構(gòu)，最大柱底軸向力37098 kN；北樓為10層，高度為43.3 m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，最大柱底軸向力17045 kN；輔樓為3層，高度為14.20 m，框架結(jié)構(gòu)。地下室為2層，基坑深度約為8.5 m。

1.2 工程地質(zhì)條件及其特點(diǎn)

根據(jù)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地地貌類型單一，為濱海平原地貌類型。地層主要為第①層填土、第②層灰黃色粉質(zhì)黏土、第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、第④層灰色淤泥質(zhì)黏土、第⑤1-1層灰色黏土、第⑤1-2層灰色粉質(zhì)黏土、第⑥層灰綠色粉質(zhì)黏土、第⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土、第⑦2層灰黃色粉砂及第⑨層灰色粉細(xì)砂。其中第⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土，厚約10.63 m，中密—密實(shí)狀，平均比貫入阻力ps=9.25 MPa，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=26.1擊；第⑦2層灰黃色粉砂，厚約22.15 m，密實(shí)狀，平均比貫入阻力ps=22.29 MPa，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=50.4擊；第⑨層灰色粉細(xì)砂，密實(shí)狀，平均比貫入阻力ps=25.51 MPa，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=55.8擊。場(chǎng)地的地層情況見圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

由圖1可知，這是上海典型的⑦、⑨相連地層，利用第⑦層或第⑨層作持力層可提供較高的承載力且沉降變形相對(duì)較小。

2 試樁情況

2.1 試樁要求

根據(jù)地層情況、擬建物性質(zhì)以及周邊環(huán)境情況，該工程基礎(chǔ)型式設(shè)計(jì)采用了鉆孔灌注樁方案，南樓和北樓的樁徑為800 mm，輔樓和地下室的樁徑為650 mm，并采用了樁端后注漿工藝。樁端后注漿施工要求注漿漿液采用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制，注漿量(純水泥用量)為1600 kg/根，注漿終壓力不得小于3 MPa，水灰質(zhì)量比0.55～0.60。

在工程樁全面施工前，需根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)情況先試成孔，數(shù)量不少于2個(gè)，并測(cè)定其孔徑、垂直度、孔壁穩(wěn)定、沉淤等檢測(cè)指標(biāo)，從而確定工程樁施工時(shí)的各項(xiàng)工藝參數(shù)。北樓的試樁樁徑為800 mm，樁長(zhǎng)L=66.0 m，樁頂標(biāo)高為-0.15 m，樁底標(biāo)高為-66.15 m，樁端持力層為第⑨層灰色粉細(xì)砂，單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)方法采用靜壓堆載法，最大加荷為8700 kN。南樓的試樁樁徑為800 mm，樁長(zhǎng)L=66.5 m，樁頂標(biāo)高為0.15 m，樁底標(biāo)高為-66.35 m，樁端持力層為第⑨層灰色粉細(xì)砂，試驗(yàn)方法采用靜壓堆載法，最大加荷為11200 kN。輔樓的試樁樁徑為650 mm，樁長(zhǎng)L=48.0 m，樁頂標(biāo)高為0.25 m，樁底標(biāo)高為-47.75 m，樁端持力層為第⑦2層灰黃色粉細(xì)砂，試驗(yàn)方法采用靜壓堆載法，最大加荷為4300 kN。地下室的試樁樁徑為650 mm，樁長(zhǎng)L=39.5 m，樁頂標(biāo)高為0.25 m，樁底標(biāo)高為-39.25 m，樁端埋置層為第⑦2層灰黃色粉細(xì)砂，試驗(yàn)方法采用靜壓堆載法，最大承壓加荷為2900 kN，最大抗拔加荷為2000 kN。

2.2 試樁結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行試成樁，并在樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度及齡期滿足規(guī)范要求后進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，北樓、輔樓及地下室處的試樁承載力均滿足設(shè)計(jì)要求，但南樓的試樁承載力卻不能滿足設(shè)計(jì)要求。

南樓的兩根試樁施工情況如下：

2017年12月進(jìn)行了ZHb10-1#樁的成孔，樁徑為800 mm，設(shè)計(jì)孔深為66.08 m，實(shí)測(cè)孔深為66.20 m；清孔后泥漿性能為一清后泥漿比重1.19 g/cm3，二清后泥漿比重1.15 g/cm3；沉渣厚度為二清后實(shí)測(cè)沉渣厚度4 cm；樁端后注漿次數(shù)2次，漿液水灰質(zhì)量比為0.6，注漿量900 kg,注漿壓力3.0 MPa；2018年4月進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，設(shè)計(jì)最大加載量11200 kN，試驗(yàn)最大加載量10080 kN,當(dāng)荷載加載至10080 kN時(shí)沉降量明顯增大，判定極限承載力為8960 kN。

2017年12月進(jìn)行了ZHb10-2#樁的成孔，樁徑為800 mm，設(shè)計(jì)孔深為65.5 m，實(shí)測(cè)孔深65.60 m；清孔后泥漿性能為一清后泥漿比重1.17 g/cm3，二清后泥漿比重1.15 g/cm3；沉渣厚度為二清后實(shí)測(cè)沉渣厚度5 cm，樁端后注漿注漿次數(shù)2次，漿液水灰質(zhì)量比為0.6，注漿量1200 kg,注漿壓力3.2 MPa；2018年5月進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，設(shè)計(jì)最大加載量11200 kN，試驗(yàn)最大加載量8960 kN,當(dāng)荷載加載至8960 kN時(shí)沉降量明顯增大，判定極限承載力為7840 kN。

由于南樓2根試樁的承載力均不滿足要求，故進(jìn)行了第二次試驗(yàn)，重新成孔，重新進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)情況為2018年6月施工了ZHb1-35#樁的成孔，樁徑為800 mm，設(shè)計(jì)孔深65.48 m，實(shí)測(cè)孔深65.71 m；清孔后泥漿性能為一清后泥漿比重1.16 g/cm3，二清后泥漿比重1.13 g/cm3；沉渣厚度為二清后實(shí)測(cè)沉渣厚度4 cm；樁端后注漿次數(shù)3次，漿液水灰質(zhì)量比為0.6，注漿量3000 kg,注漿壓力2.0 MPa；2018年8月進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，設(shè)計(jì)最大加載量11200 kN，試驗(yàn)最大加載量9315 kN,當(dāng)荷載加載至9315 kN時(shí)沉降量明顯增大，判定極限承載力為8280 kN。其Q-s曲線見圖2。

圖2 ZHb1-35#樁Q-s曲線

2018年6月施工ZHb1-59#樁的成孔，樁徑為800 mm，設(shè)計(jì)孔深65.76 m，實(shí)測(cè)孔深65.96 m；清孔后泥漿性能為一清后泥漿比重1.18 g/cm3，二清后泥漿比重1.13 g/cm3；沉渣厚度為二清后實(shí)測(cè)沉渣厚度4 cm，樁端后注漿注漿次數(shù)4次，漿液水灰質(zhì)量比為0.6，注漿量4000 kg,注漿壓力2.0 MPa；2018年8月進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，設(shè)計(jì)最大加載量11200 kN，試驗(yàn)最大加載量8280 kN,當(dāng)荷載加載至8280 kN時(shí)沉降量明顯增大，判定極限承載力為7245 kN。其Q-s曲線見圖3。

圖3 ZHb1-59#樁Q-s曲線

3 原因分析

由于本工程場(chǎng)地地層為上海典型的⑦、⑨相連地層，根據(jù)上海地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，采用φ800 mm的鉆孔灌注樁，以第⑨層作為持力層，在沒有進(jìn)行后注漿的情況下，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值往往能達(dá)到9000～10000 kN左右。而本工程前后兩次在進(jìn)行了樁端后注漿的情況下試樁承載力卻均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)其可能的原因進(jìn)行如下分析。

3.1 地質(zhì)因素

(1)地層因素：根據(jù)勘探揭露的地層資料，對(duì)比上海的區(qū)域地層分布情況，本項(xiàng)目勘察揭露的地層情況符合區(qū)域地層分布，故可以排除地層探摸異常的可能。

(2)參數(shù)原因：經(jīng)查閱，勘察報(bào)告中的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)符合上?？辈煲?guī)范[1]要求，根據(jù)建議的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)估算的單樁豎向極限承載力[1-2]見表1。

表1 單樁豎向極限承載力估算表

可以看出，當(dāng)采用φ800 mm鉆孔灌注樁時(shí)，估算的單樁抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值在9000～9500 kN，符合上海地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，故可以排除勘察報(bào)告中樁基設(shè)計(jì)參數(shù)提得偏大的問題。

3.2 施工因素

(1)施工工藝及清孔工藝：在成孔及清孔過程中，采用的都是正循環(huán)工藝。因本項(xiàng)目地層情況良好，以厚層砂土層作為持力層，根據(jù)上海地區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，沉砂厚度往往會(huì)達(dá)1 m左右，甚至可能達(dá)到2～3 m，從圖3曲線可以看出，ZHb1-59#樁承載力偏低主要是孔底沉渣過厚而導(dǎo)致，在沉渣壓實(shí)后承載力又有所增大，故沉渣過厚可能是影響承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的一個(gè)重要因素。

(2)除砂器：在如此厚的砂層中成孔，未采用除砂器。因樁端進(jìn)入砂(粉)土層達(dá)30多米深，產(chǎn)生的沉渣厚度會(huì)較大，最大可達(dá)3 m左右，如果不采用除砂器，勢(shì)必會(huì)影響樁的承載力。

(3)泥漿：施工用的泥漿為原漿，在厚層砂層中采用原漿成樁，也是造成厚層沉渣的原因之一，故也是影響樁的承載力的一個(gè)重要因素。

(4)進(jìn)行泥漿性能指標(biāo)測(cè)定的位置：在本工程施工過程中，泥漿比重、黏度及含砂量等泥漿性能指標(biāo)的測(cè)定均在孔口進(jìn)行，但根據(jù)本項(xiàng)目的情況，應(yīng)在孔的上、中、下分三段進(jìn)行泥漿性能的測(cè)定，這樣測(cè)出的泥漿性能指標(biāo)才更能符合事實(shí)，也更能反應(yīng)其是否符合規(guī)范要求。

(5)注漿系統(tǒng)的安放：因注漿管在安放過程中，注漿管與鋼筋籠一起下放，由于下放過程中的不垂直可能會(huì)造成注漿管與孔壁撞擊，使注漿器承受較大的壓力[3]。本次試樁所采用的注漿管直徑25 mm，壁厚3.2 mm，注漿管之間用焊接。該尺寸、該連接方式的管在接頭處一般較易損壞，造成注漿器與注漿管連接部位折斷，使泥漿進(jìn)入管內(nèi)，發(fā)生堵管，最終影響樁的承載力。

(6)注漿器的埋設(shè)：注漿器的埋設(shè)必須使注漿器的埋設(shè)區(qū)域形成一定范圍松散的注漿區(qū)[4-5]，并使注漿區(qū)與樁體混凝土隔開，以便注漿器不被混凝土包住。本次試樁所用的注漿器均超過鋼筋籠底部50 cm，不一定插到樁端下土層中，可能全部被包在混凝土中，故注漿再多，樁的承載力也可能不增加。

(7)注漿：本次4根試樁的注漿情況見表2?？梢钥闯?，試樁ZHb10-1#和ZHb10-2#的注漿量均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而試樁ZHb1-35#和ZHb1-59#的注漿壓力均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且每根試樁每次注漿量均未按比例進(jìn)行控制，隨意性較大。同時(shí)注漿速率亦未進(jìn)行控制。

表2 注漿情況一覽表

4 解決措施及再試樁結(jié)果

4.1 解決措施

據(jù)前文分析，本次試樁承載力不滿足要求主要是施工原因造成，而非地質(zhì)原因，故可從施工方面著手解決。建議采取如下相應(yīng)措施：

(1)鉆孔灌注樁成孔工藝作適當(dāng)調(diào)整，應(yīng)采用反循環(huán)清孔，施工中泥漿指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)范要求，尤其應(yīng)嚴(yán)格控制二清的樁端含砂量，使之不能超過4%，進(jìn)入砂層⑦1層后宜適量摻入膨潤(rùn)土漿液，循環(huán)泥漿應(yīng)采用除砂器處理。

(2)注漿管直徑不宜小于30 mm，壁厚不小于3.5 mm，應(yīng)采用套管絲扣連接，絲扣長(zhǎng)度15 mm左右，注漿器應(yīng)帶有逆向閥功能。

(3)施工中應(yīng)校核注漿管與成孔深度的一致性，并應(yīng)確保注漿器下至樁端下30 cm。

(4)適當(dāng)提高樁端后注漿的注漿量，不宜小于4 t純水泥。

(5)應(yīng)采用2次注漿工藝，第一次注漿量可取60%，間隔2 h后進(jìn)行第二次注漿，注漿速率應(yīng)小于40 L/min。如注漿壓力小于2 MPa時(shí)，間隔1 h后適當(dāng)增加注漿量。

4.2 再試樁結(jié)果

在經(jīng)過上面的分析后進(jìn)行了第三次試樁，第三次施工2根φ800 mm試樁，主要采用了反循環(huán)泥漿護(hù)壁成孔的施工工藝，并采用ZX-250型除砂機(jī)作為除砂裝置，同時(shí)采用了樁端后注漿工藝，注漿管與注漿器根據(jù)前述要求進(jìn)行配置。

2018年12月施工了ZHb1-77#試樁，樁徑為800 mm，設(shè)計(jì)孔深67.23 m，實(shí)測(cè)孔深67.25 m；清孔后泥漿性能為一清后泥漿比重1.18 g/cm3，二清后泥漿比重1.15 g/cm3；二清后實(shí)測(cè)沉渣厚度4.5 cm；樁端后注漿注漿次數(shù)2次，漿液水灰質(zhì)量比為0.6，注漿量4120 kg，注漿壓力3.2 MPa；2019年2月進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，設(shè)計(jì)最大加載量11200 kN，試驗(yàn)最大加載量11200 kN,當(dāng)荷載加載至11200 kN時(shí)累計(jì)沉降量33.05 mm，殘余沉降量15.42 mm,判定極限承載力≥11200 kN。

2018年12月施工了ZHb1-1#試樁，樁徑為800 mm，設(shè)計(jì)孔深67.28 m，實(shí)測(cè)孔深67.30 m；清孔后泥漿性能為一清后泥漿比重1.19 g/cm3，二清后泥漿比重1.16 g/cm3；二清后實(shí)測(cè)沉渣厚度4.0 cm；樁端后注漿注漿次數(shù)2次，漿液水灰質(zhì)量比為0.6，注漿量4100 kg，注漿壓力3.3 MPa；2019年1月進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，設(shè)計(jì)最大加載量11200 kN，試驗(yàn)最大加載量11200 kN,當(dāng)荷載加載至11200 kN時(shí)累計(jì)沉降量29.85 mm，殘余沉降量14.31 mm,判定極限承載力≥11200 kN。

本次兩根試樁的承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

厚層砂(粉)性土層中進(jìn)行樁端后注漿鉆孔灌注樁施工，為使樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求，除查明地層情況、推薦較為準(zhǔn)確的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)外，施工也是一個(gè)極為重要的影響因素。施工可從施工工藝及注漿工藝方面采取相應(yīng)的有針對(duì)性的措施，這些措施對(duì)后續(xù)大面積工程樁的施工具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)在類似厚層砂(粉)性土層中進(jìn)行樁端后注漿鉆孔灌注樁的施工具有重要的借鑒意義。