張 恒, 劉干斌*, 周 曄, 韓 仲
樁端后注漿灌注樁承載能力增強(qiáng)機(jī)理試驗(yàn)研究
張 恒1, 劉干斌1*, 周 曄1, 韓 仲2
(1.寧波大學(xué) 巖土工程研究所, 浙江 寧波 315211; 2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司, 上海 200436)
為進(jìn)一步研究灌注樁樁端后注漿承載機(jī)理, 對(duì)寧波某施工場(chǎng)地的4根灌注樁開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究. 4根灌注樁均采用自平衡方式加載, 以加載方式獲得每根樁的曲線, 并通過(guò)樁身內(nèi)部埋設(shè)的傳感器得到加載期間樁身及樁底的應(yīng)力數(shù)據(jù), 根據(jù)應(yīng)力分析研究樁身彎矩及樁側(cè)摩阻力的變化. 測(cè)試結(jié)果表明: 樁端后注漿能提高鉆孔樁豎向極限承載力約20%; 注漿期間, 樁側(cè)摩阻力的重新分布使樁身軸力發(fā)生較大變化, 且樁端承受彎矩會(huì)對(duì)樁體結(jié)構(gòu)造成一定破壞; 加載期間, 注漿樁的樁端部分承載力主要由樁側(cè)摩阻力提供, 而非注漿樁的樁端部分承載力主要由端阻力提供; 在透水地層中, 樁承載力的提高依賴于樁側(cè)摩阻力的影響, 而在不透水地層中擴(kuò)大頭的產(chǎn)生也會(huì)成為影響因素.
樁端后注漿; 灌注樁; 自平衡加載
鉆孔灌注樁由于其施工工藝簡(jiǎn)單、承載力高等優(yōu)點(diǎn), 在寧波地區(qū)的建筑、道路、橋梁和廠房等基礎(chǔ)建設(shè)中被廣泛地應(yīng)用. 由于施工過(guò)程中, 其泥漿護(hù)壁會(huì)降低側(cè)阻, 且孔底殘?jiān)鼤?huì)降低樁端阻力, 致使鉆孔灌注樁承載力不足. 樁端后注漿技術(shù)的出現(xiàn)能有效改善以上問(wèn)題. 通過(guò)向樁底注入水泥漿, 加固樁端部分的殘?jiān)? 達(dá)到提高樁端承載力的效果. 現(xiàn)已有不少學(xué)者對(duì)該工藝進(jìn)行過(guò)研究[1-4].
1958年馬拉開(kāi)波湖大橋工程首次將后注漿法用于預(yù)制樁的底部注漿, 此后該技術(shù)通過(guò)不斷研究創(chuàng)新得到了越來(lái)越廣的應(yīng)用[5]. 張忠苗等[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的靜載試驗(yàn), 對(duì)比了注漿樁與非注漿樁的承載力和變形量, 結(jié)果表明注漿能提高單樁承載力20%~40%, 并且能保證群樁沉降均勻. 黃生根等[7]根據(jù)自平衡靜載試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù), 研究了后注漿對(duì)超大直徑樁樁端阻力與側(cè)阻力的影響, 結(jié)果表明端阻增量遠(yuǎn)大于側(cè)阻. 何劍[8]基于現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn), 研究了2根注漿樁與非注漿樁的荷載傳遞機(jī)理, 并分析了樁側(cè)阻力與端阻力的發(fā)揮情況, 發(fā)現(xiàn)樁端后注漿使樁-土能更緊密地形成一個(gè)整體, 有效地改善了樁的承載性能. 王忠福等[9]對(duì)比分析了后注漿樁、三岔雙向擠擴(kuò)樁、擠擴(kuò)支盤樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)后注漿工藝樁的承載力大于另外2種類型樁. 張忠苗等[10]通過(guò)注漿樁與非注漿樁的靜載荷試驗(yàn), 分析了樁在不同持力層的曲線與承載力變化, 發(fā)現(xiàn)土層顆粒的大小明顯影響注漿效果.
當(dāng)前, 國(guó)內(nèi)對(duì)于鉆孔灌注樁樁端后注漿承載特性機(jī)理研究較多, 其方法多為理論計(jì)算, 基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究較少. 因此, 本文通過(guò)對(duì)1000mm直徑的注漿與非注漿鉆孔灌注樁的自平衡加載試驗(yàn), 研究樁端后注漿對(duì)樁極限承載力、樁身內(nèi)力、樁側(cè)摩阻力的影響, 并分析注漿提高承載力的機(jī)理, 為軟土地區(qū)樁端后注漿施工提供有效參考.
本次試驗(yàn)對(duì)象為4根鉆孔灌注樁, 編號(hào)分別為1#樁(不注漿)、2#樁(不注漿)、3#樁(注漿)、4#樁(注漿). 其中, 1#樁、4#樁的樁底持力層為⑨1a粉質(zhì)黏土圓礫, 2#樁、3#樁的樁底持力層為⑨2b圓礫. 4根樁樁長(zhǎng)均為70m, 樁身直徑1m.
考慮到注漿期間樁底漿液壓力分布的不均勻, 本次試驗(yàn)選2個(gè)土壓力計(jì)作為一組樁端壓力測(cè)試傳感器, 一個(gè)放置在樁底的正中心, 一個(gè)放置在樁底的側(cè)邊(圖1). 樁身內(nèi)力通過(guò)鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行測(cè)試, 沿樁深方向設(shè)置了12個(gè)測(cè)試斷面, 深度分別為2.0、6.0、14.7、21.4、30.1、40.8、49.5、56.2, 60.2、64.9、68.9、70.0m. 為了測(cè)取樁身彎矩, 每個(gè)測(cè)試斷面埋設(shè)2個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì).
圖1 土壓力計(jì)安裝
加載采用基樁自平衡法, 每根試樁通過(guò)一個(gè)環(huán)形荷載箱進(jìn)行加載, 荷載箱安裝在距離樁端6.5 m處(圖2). 加載共分為9級(jí), 分級(jí)加載量為預(yù)估極限承載力的1/10(即900kN), 第1級(jí)按2倍分級(jí)加載量加載(即1800kN), 第2級(jí)加載值為2700kN, 第3級(jí)加載為3600kN, 以此類推, 直到第9級(jí)加載值為9000kN. 通過(guò)以上加載可得到每級(jí)加載值與樁身向上、樁身向下位移的分段關(guān)系曲線, 運(yùn)用簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換方法[11], 將分段曲線轉(zhuǎn)換為受壓樁的一條等效樁頂曲線. 樁頂?shù)刃Ш奢d和樁頂位移由式(1)、(2)確定:
式中: K為上段與下段樁向靜載受壓的轉(zhuǎn)化系數(shù); Qu、Qd分別為平衡點(diǎn)向上及向下的荷載; Gp為上段樁的自重.
將自平衡加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 發(fā)現(xiàn)4根樁的最終沉降量均未超過(guò)30mm, 根據(jù)文獻(xiàn)[12]的要求, 對(duì)樁端直徑為1000mm的樁, 單樁豎向抗壓極限承載力可取等于50mm對(duì)應(yīng)的荷載, 因此為確定4根樁的極限承載力, 本文運(yùn)用灰色理論來(lái)預(yù)測(cè)樁基極限承載力. 灰色理論是一種對(duì)含有不確定因素系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法[13], 該方法通過(guò)分析系統(tǒng)因素發(fā)展趨勢(shì)的差異程度, 對(duì)一系列的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生成處理, 并建立相應(yīng)的微分方程, 從而預(yù)測(cè)事物的全貌, 基于該理論建立—曲線的GM(1,1)微分方程模型能有效地預(yù)測(cè)單樁未達(dá)到破壞的極限承載力, 且已有不少學(xué)者通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法預(yù)測(cè)的精確性[14-17].
通過(guò)該理論得到的預(yù)測(cè)值如圖3所示. 從圖中可以看出, 樁端后注漿可提高樁基承載力約20%. 未注漿的1#樁及2#樁的承載力較為接近, 注漿后3#樁和4#樁的承載力較為接近, 1#樁與4#樁的地層較為接近, 2#樁與3#樁的地層較為接近, 由于4根樁的施工工藝都是相同的, 因此可以認(rèn)為2種不同樁端地層注漿所提高的承載力是接近的.
圖3 樁極限承載力預(yù)測(cè)
從圖4和圖5可以看出澆筑后, 初期樁身軸力自上向下呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律. 樁端部分的樁身軸力均較小, 且成樁期間樁端的土壓力變化很小, 其數(shù)值遠(yuǎn)小于樁端地層反力. 由此可見(jiàn), 本次試驗(yàn)的4根樁均為摩擦樁, 且樁端因沉渣造成孔隙較多. 測(cè)試得到的樁身最大軸力主要集中在40~ 60m深度范圍內(nèi). 隨著水化熱的散去及樁體在自重作用下的下沉, 樁身的軸力逐漸減小, 并在樁的下沉過(guò)程中, 樁側(cè)土體的摩阻力會(huì)使樁身局部出現(xiàn)拉應(yīng)力.
圖4 成樁期間的樁身軸力曲線
從圖6可以看出在注漿初期, 樁底注漿對(duì)樁身軸力的深度影響范圍為40~70m. 注漿引起樁身下半部分軸力增大, 其原因是漿液充滿樁底周邊空隙后, 漿液會(huì)對(duì)樁底面產(chǎn)生向上的頂力, 該頂力會(huì)顯著降低樁側(cè)原有的摩阻力, 致使樁身軸力增大. 由于漿液充滿樁端空隙后, 會(huì)沿樁體的側(cè)壁繼續(xù)向上流動(dòng), 這種漿液填充樁端側(cè)壁空隙的過(guò)程會(huì)顯著增強(qiáng)樁端上部區(qū)域原有的樁側(cè)摩阻力, 且漿液作用在側(cè)壁上的向上頂力也會(huì)增加樁身的軸力, 所以注漿完成且穩(wěn)定后, 樁身增加的軸力主要位于樁端上部15~30m范圍內(nèi), 注漿引起的最大軸力為1332kN.
從圖7可以看出, 樁端極限壓力處于790~939 kPa范圍內(nèi). 本試驗(yàn)樁端埋深為70m, 樁端地層為圓礫層, 該地層為承壓含水層, 承壓水頭距離地表7m, 即樁端承壓水的壓力約為630kPa, 其壓力略小于樁端極限壓力. 根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可推測(cè)樁端地層注漿的極限壓力由兩部分組成, 一是承壓水的壓力, 二是樁端沉渣的劈開(kāi)荷載. 所以樁端壓力不會(huì)隨著持續(xù)注漿而無(wú)限增大, 當(dāng)樁端壓力超過(guò)極限壓力時(shí), 漿液會(huì)劈開(kāi)地層, 釋放多余應(yīng)力.
從圖8可以看出, 注漿樁與非注漿樁在注漿后15d的樁身軸力變化差異較為明顯, 注漿樁的樁身軸力增量普遍大于非注漿樁的樁身軸力增量. 該軸力增量的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因, 一是注漿改變了樁側(cè)摩阻力, 使得原有樁側(cè)摩阻力重新進(jìn)行分布; 二是注漿產(chǎn)生了樁端殘余應(yīng)力, 此殘余應(yīng)力減小了總樁側(cè)摩阻力, 并增大了樁端部分的軸力.
圖8 1#~4#樁注漿后15d樁身軸力變化
樁端注漿期間, 由于注漿管位于鋼筋籠一側(cè), 注漿時(shí)漿液集中在樁體一側(cè), 在漿液壓力的作用下, 樁端部分將承受較大的彎矩. 從圖9可以看出, 注漿產(chǎn)生的最大彎矩達(dá)到1688kN·m, 主要位于樁端上部10~20m, 最大彎矩出現(xiàn)的時(shí)間約在注漿開(kāi)始1h后. 本試驗(yàn)鉆孔樁樁徑1m, 混凝土強(qiáng)度C30, 其理論極限抗彎彎矩為2945kN·m. 當(dāng)樁體承受的彎矩超過(guò)該數(shù)值時(shí), 樁體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞. 而本次注漿產(chǎn)生的彎矩超過(guò)了極限彎矩的一半, 會(huì)對(duì)樁體結(jié)構(gòu)安全造成一定的影響.
在加載過(guò)程中, 注漿樁下部樁身軸力增量普遍大于未注漿樁, 而非注漿樁的樁端壓力增量要遠(yuǎn)大于注漿樁, 造成以上現(xiàn)象的原因是樁端注漿期間, 漿液只會(huì)沿著地層軟弱面擴(kuò)散. 因?yàn)闃抖酥行膮^(qū)域的地層抗力比樁周的地層抗力要大, 漿液從樁側(cè)噴出時(shí), 僅有少量漿液向樁端中心區(qū)域流動(dòng), 而大部分?jǐn)U散到樁側(cè)的地層, 這會(huì)使得注漿后樁端部分的承載力主要由強(qiáng)化的樁土界面摩阻力提供, 樁端底部的承載力還不能得到有效發(fā)揮, 而未注漿的樁端部分承載力則主要由樁端底部的端阻力提供(圖10).
對(duì)比3#樁及4#樁的樁端部分樁身軸力(圖11), 可以發(fā)現(xiàn)3#樁的樁身軸力沒(méi)有隨著加載的增大而迅速增大, 4#樁的樁身軸力從第3級(jí)加載開(kāi)始, 隨著加載的增大而迅速增大. 其原因主要是4#樁處于粉質(zhì)黏土層, 該地層的透水性差, 漿液遇到的阻力主要是土壓力, 而側(cè)面的土壓力要小于頂面土壓力, 所以當(dāng)漿液注入這種地層時(shí), 漿液不會(huì)直接沿著側(cè)壁向上流動(dòng), 而是先對(duì)周邊的不透水地層產(chǎn)生擠密及劈裂作用, 產(chǎn)生一個(gè)較大的漿包[18](圖12(a)), 然后再沿著側(cè)壁向上流動(dòng), 會(huì)在樁端形成了一個(gè)擴(kuò)大頭. 擴(kuò)大頭進(jìn)而改變了樁身的軸力分布, 且比樁身承擔(dān)了更多的承載力. 3#樁處于圓礫層, 漿液注入此地層時(shí), 漿液會(huì)直接沿側(cè)壁向上流動(dòng)(圖12(b)). 因?yàn)樵谕杆院玫牡貙又? 漿液遇到的阻力主要是靜水壓力, 而頂面的靜水壓力要小于側(cè)面及底面. 以上2種樁端在不同地層中的注漿均能有效提高樁的承載力, 但提高承載力的機(jī)理略有不同. 在透水地層中進(jìn)行樁端注漿, 其承載力的提高依賴于漿液對(duì)樁土接觸面的摩阻力影響; 而在不透水地層中進(jìn)行樁端注漿, 其承載力的提高除了漿液對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響外, 樁端的擴(kuò)大頭類似于擴(kuò)徑樁的擴(kuò)徑支盤部分, 也能有效提高承載力, 但擴(kuò)大頭上部的側(cè)摩阻力會(huì)出現(xiàn)弱化[19].
圖11 3#樁及4#樁的樁端部分樁身軸力曲線
圖12 樁端注漿漿液分布示意圖
我們可以根據(jù)樁身軸力計(jì)算得到樁側(cè)摩阻力.當(dāng)漿液對(duì)側(cè)摩阻力的影響在56.2~68.9m范圍內(nèi), 即漿液上涌距離為13.8m, 與國(guó)標(biāo)中的影響距離12m較接近[20]; 樁端注漿對(duì)樁側(cè)56.2~60.2m范圍內(nèi)(主要是礫砂), 側(cè)阻力提高值約為2.5倍(國(guó)標(biāo)2.0~2.5); 注漿對(duì)60.2~68.9m范圍內(nèi)(主要是粉質(zhì)黏土), 側(cè)阻力提高值約為1.9倍(國(guó)標(biāo)1.4~ 1.8). 可見(jiàn)試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范取值較為一致, 國(guó)標(biāo)中的后注漿單樁極限承載力計(jì)算公式中的側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)在寧波地區(qū)是適用的.
本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了鉆孔樁樁端后注漿對(duì)樁基承載力的影響. 根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析, 得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)樁端后, 注漿施工工藝能提高鉆孔樁的豎向極限承載力約20%.
(2)樁端注漿期間的樁側(cè)摩阻力會(huì)被重新分布, 使得樁端上部15~30m的范圍內(nèi)樁身軸力變化強(qiáng)烈; 其次樁端在漿液的壓力下會(huì)承受較大的彎矩, 對(duì)樁體結(jié)構(gòu)安全會(huì)造成一定的危害.
(3)注漿后, 樁端部分承載力主要由樁的側(cè)摩阻力提供, 而未注漿的樁端部分承載力主要由樁端底部的端阻力提供.
(4)在透水地層中進(jìn)行樁端注漿, 其承載力的提高依賴于漿液對(duì)樁土接觸面的摩阻力影響; 而在不透水地層中進(jìn)行樁端注漿, 其承載力的提高一部分來(lái)自漿液對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響, 一部分來(lái)自于擴(kuò)大頭, 但擴(kuò)大頭上部的側(cè)摩阻力會(huì)出現(xiàn)弱化.
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Experimental study on enhancement mechanism of bearing capacity of base post-grouting cast-in-situ pile
ZHANG Heng1, LIU Ganbin1*, ZHOU Ye1, HAN Zhong2
( 1.Institution of Geotechnical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Shanghai Civil Engineering Group Co., Ltd. of CREC, Shanghai 200436, China )
Field tests were performed on 4 cast-in-situ piles at a construction site in Ningbo in order to further study the bearing mechanism of post-grouting cast-in-situ pile. The four piles were all loaded by self-balanced method.curve of each pile was obtained by loading, and the stress of pile body and pile base during loading was measured by embedded sensors. According to stress analysis, the changes of bending moment and skin frictional resistance of pile were studied. The results show that the base post-grouting technique can increase the vertical ultimate bearing capacity by about 20%. During grouting, the redistribution of skin frictional resistance causes the axial force changing drastically, and the bending moment may lead to certain damage to the structure. During loading, the bearing capacity of the grouting pile base is mainly provided by the skin frictional resistance, while that of the non-grouting pile base is mainly provided by the base resistance. In permeable strata, the enhancement of pile bearing capacity depends on the influence of skin frictional resistance, and the generation of enlarged heads may turn to be an influencing factor as well.
pile base post-grouting; cast-in-situ pile; self-balanced loading
TU473
A
1001-5132(2021)04-0072-07
2020?06?04.
寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/
浙江省基礎(chǔ)公益研究計(jì)劃項(xiàng)目(LGF20E080012).
張恒(1996-), 男, 浙江寧波人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 軟土地下結(jié)構(gòu). E-mail: 1123377498@qq.com
劉干斌(1976-), 男, 江西吉安人, 教授, 主要研究方向: 土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用. E-mail: liuganbin@nbu.edu.cn
(責(zé)任編輯 章踐立)