后注漿超長鉆孔灌注樁承載特性試驗淺析

陳 翀，詹少全，樊榮霞

(1.江蘇省有色金屬華東地質勘查局資源調查與評價研究院，江蘇 南京 210007；2.江蘇省有色金屬華東地質勘查局八一四隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；3.南京水科院勘測設計有限公司，江蘇 南京 210029)

0 引言

當前國內陸地最深的鉆孔灌注樁，最大樁長已經超過90 m。但超長鉆孔灌注樁施工過程中，受工藝和時間的影響，可能會產生泥皮或沉渣，其承載能力降低。后注漿工藝可消除泥皮或沉渣的影響，從而提高單樁承載力。

國內超長樁特性研究有一定進展，超長樁表現(xiàn)出端承摩擦樁的特性，樁頂以下L/3樁長及樁端以上L/6范圍內的樁側摩阻力極限值接近規(guī)范推薦值，而中間部分的樁側摩阻力遠遠大于規(guī)范值，表現(xiàn)出強化效應[1]；超長樁在正常工作狀態(tài)(承載力特征值作用下)，端阻比僅為1%，可以認為超長樁在此狀態(tài)下為純摩擦樁[2]。后注漿使樁土之間因相對滑移與刺入所產生的塑性變形減小，樁土整體性得到有效提升[3]。樁端注漿效果明顯，注漿后極限承載力提高10%以上[4]。但是后注漿超長樁理論方面還不是很完善。

本文通過對超長樁的承載力、內力和沉降的現(xiàn)場測試，分析其荷載傳遞機理。蘇州某高層建筑，基礎采用后注漿超長鉆孔灌注樁。主體塔樓高度約為278 m，裙樓約為50 m，采用混凝土(砼)核心筒+伸臂桁架+周邊框架柱混合結構。

1 項目概況

1.1 超長樁基本情況

本次測試樁共計6組鉆孔灌注樁，塔樓和裙樓各3組，采用樁端后注漿工藝，注漿壓力為2 MPa～5 MPa，水灰比為約為0.6，相關參數(shù)詳見表1。

表1 試樁參數(shù)

1.2 概況

根據(jù)區(qū)域資料，本場區(qū)第四系厚度約為 230 m。擬建場地150.21 m深度范圍內的地基土為第四紀早更新世(Qp1)及其后期的沉積土層，屬第四紀湖沼相、河口—濱海相松散沉積物，主要由黏性土、粉土和砂土組成。按其沉積年代、成因類型及其物理力學性質的差異，場地地層可分為①、④、⑤、⑥、⑧、⑨、⑩、、、等10個主要層次，其中2層厚7～10 m，靜力觸探qc平均值為11.53 MPa，標準貫入擊數(shù)N平均值為56擊，呈密實狀態(tài)。1層厚約10 m，靜力觸探qc平均值為14.5 MPa，標準貫入擊數(shù)N平均值遠大于50擊，呈密實狀態(tài)。綜合土工試驗及原位測試成果，除25 m以上土層鉆孔樁摩阻力偏小外，其余土層摩阻力均超過55 kPa，2層土鉆孔樁摩阻力qsk為85 kPa，端阻力qpk為2200 kPa。1層土鉆孔樁摩阻力qsk為95 kPa，端阻力qpk為3000 kPa。場地土層物理力學參數(shù)詳見表2。土層原位測試結果詳見表3。

表2 地基土物理力學性質

表3 土層原位測試結果

場地淺部7～12 m為松散—稍密的第⑤層砂質粉土，其下為第⑥層～第⑩層土，大部分為軟—可塑的飽和黏性土，以上均不宜作為樁端持力層。擬建場地土類型屬中軟土，場地類別為Ⅲ類。本場地地勢平坦，從區(qū)域構造看，屬地殼穩(wěn)定區(qū)域；地震活動水平屬中偏低，屬于基本穩(wěn)定區(qū)；同時場地內及周邊不存在滑坡、危巖等不良地質作用。

1.3 試驗概況

本次6組試樁均進行單樁抗壓靜載試驗和樁身內力測試。試驗依據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ 106-2014)進行，塔樓、裙樓基礎灌注樁靜載最大試驗荷載分別為19 300 kN和9300 kN，在進行載荷試驗的同時進行樁身軸力測試，塔樓基礎樁每根樁設置6個測試斷面，埋設18個應力計；群樓基礎樁每根樁設置3個測試斷面，埋設9個應力計。

現(xiàn)場靜載試驗分十級等量加載，采用慢速維持荷載法檢測單樁極限承載力。靜載試驗的同時進行樁身軸力測試、樁端沉降測試、測定樁側、樁端阻力和樁端沉降；觀測樁端沉降確定過大的樁頂沉降是由樁身壓碎引起還是由樁端壓縮引起，分清沉降原因[5]。靜載試驗加載采用6臺并聯(lián)的油壓千斤頂同步工作，反力裝置采用2800 t壓重平臺反力裝置；樁身軸力測試的測試斷面設置在不同土層的界面處，距樁頂和樁底不小于1倍樁徑，每個斷面對稱布置3個鋼筋應力計。實測鋼筋應力可計算樁截面的應力，進而得到各級荷載作用下各斷面的樁身軸力值。樁端沉降桿采用內外管形式，外管固定在樁身，內管下端固定在樁端。本次靜載荷試驗堆載配重大，為避免堆載對基準樁的影響，在試驗過程中用精密水準儀對基準樁進行監(jiān)測，對檢測數(shù)據(jù)進行校正，確保試驗結果的準確性。

2 試驗結果分析

2.1 荷載-沉降結果

6組試樁的Q-s曲線(圖1)屬于緩變型，無明顯拐點，未達到極限荷載。當3根塔樓試樁分別加載至19 300 kN時，累計樁頂沉降量都超過35 mm，而樁端沉降量分別為0.66 mm、0.46 mm、0.25 mm。當裙樓3根試樁分別加載至9300 kN時，累計樁頂沉降量均達到25 mm，而樁端沉降量分別為3.00 mm、0.62 mm、3.83 mm。觀測表明頂沉降主要由樁身壓縮產生，這一方面由于樁身彈性模量不大，樁長較長導致，另一方面由于樁端巖土強度高、壓縮性低產生的。樁端土層性狀較好，這是由于樁端采用后注漿工藝，使得沉渣、砂石或土粒和裂隙產生膠結作用，提高了強度，增加了樁徑，提高了樁端巖土層承載力。從曲線形態(tài)發(fā)展趨勢看，后注漿超長鉆孔灌注樁，具有摩擦樁的特性。

圖1 試樁靜載荷曲線

2.2 樁身壓縮量

由于樁端采用后注漿工藝，消除了沉渣對于樁端沉降的影響，提高了樁端土層的壓縮模量，降低了樁端沉降，高荷載作用下，樁身壓縮量占樁頂沉降百分比很大(>90%)，其中塑性壓縮量比彈性壓縮量大。顯示超長樁混凝土具有彈塑性變形特征，由于樁身混凝土受力變形在高荷載下具有非線性特征，此時樁身彈性模量相對于低荷載時降低了，由于樁身壓縮量與彈性模量呈反比關系，樁身壓縮量會隨之增加。樁身壓縮量數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 樁身壓縮量

2.3 側摩阻力

靜載荷試驗過程中，側阻力由淺至深依次發(fā)揮，上部側阻力先發(fā)揮，當荷載為9530 kN時，上部40 m范圍內的側阻力已接近于規(guī)范推薦值，而40 m以下范圍內的側阻力較??；當荷載超過9530 kN，上部摩阻力保持在某一固定值附近，說明土體已達到塑性狀態(tài)；當荷載達到19 300 kN時，中部樁側阻力超過規(guī)范推薦值，達到2倍以上，具有強化效應。圖2為塔樓基礎樁側摩阻力分布圖。

圖3為塔樓基礎樁摩阻力與樁頂沉降/樁徑關系圖。淺部的側摩阻力qs最大，s/d變大，qs也逐漸增加。淺部摩阻力先發(fā)揮，但是s/d增加時，淺部摩阻力增大緩慢，且尾部有下彎趨勢；而中部摩阻力增大較快，逐漸達到峰值；深部摩阻力增大較慢，未達到峰值。

圖2 試樁摩阻力分布

圖3 塔樓試樁qs - s/d圖

當s/d為3%時，35 m以上的樁側摩阻力qs達極限值；當s/d為3.5%時，35～50 m的樁側摩阻力qs達極限值，而50 m以下的樁側摩阻力qs尚未達極限值。由此發(fā)現(xiàn)，隨土層埋深地增加，qs達極限值所需的位移也增大。摩阻力qs達極限值時，s/d達樁土滑移的臨界值，隨著s/d繼續(xù)增加，摩阻力qs由峰值點逐漸減小，具有折減效應。

3 后注漿超長樁承載特性

3.1 后注漿工藝

由于地面下7～12 m為松散—稍密的第⑤層砂質粉土，為避免鉆進時塌孔，泥漿配置比重較大，勢必會造成泥皮厚、韌性低，這樣會引起孔壁水化崩塌、泥皮脫落，進而形成沉渣。另外孔壁泥皮會降低樁側摩阻力，樁底沉渣會同時影響樁側摩阻力和樁端摩阻力的發(fā)揮[6]，而且樁長越長，這些影響就會更為突出。

為消除以上不利影響，須樁端后注漿。注漿管固定在主筋上，隨鋼筋籠下放至鉆孔中，混凝土灌注完成后，利用8 MPa壓力進行開塞，初凝后，采用2 MPa～5 MPa注漿壓力向樁端注入水泥漿。當漿液壓入樁端后，一部分漿液沿樁側的樁-土界面向上流動，對泥皮和土層填充擠密固結；另一部分漿液沿樁端的樁-土界面向下擴散，松散顆粒產生膠結作用，增加了強度，增加了樁幾何尺寸。

后注漿一般會產生填充效應、滲入效應、擠密效應、劈裂效應，注入的漿液填充到土層或砂層的孔隙中，滲入和擠密砂土，形成水泥-砂土結石體，破壞原有的土體結構，產生劈裂，水泥-砂土結石體形成骨架支撐作用，提高了壓縮模量，樁端沉降變小了。

3.2 側阻力強化效應

根據(jù)圖2的試樁摩阻力分布，在50～75 m范圍內，樁側摩阻力比規(guī)范推薦值提高了50%～100%，具有明顯的強化效應。

由于后注漿劈裂效應，水泥-土結石體形成骨架支撐作用，提高了壓縮模量，減小了樁端沉降，樁身壓縮量很大，由此樁身產生橫向膨脹，增加了土體對樁側的約束力。

當漿液沿樁側的樁-土界面向上流動，一方面對泥皮和土層填充擠密固結，擴大了樁徑，一方面漿液擠壓土體效應，提高了樁側土壓力。

由于后注漿產生以上效應，使得樁側阻力下部產生強化增加。

3.3 荷載-沉降變化

本次項目的單樁靜載荷載-沉降曲線，為“漸進破壞”緩變型，無明顯的特征點。

后注漿超長樁的荷載-沉降曲線，反映了樁土的荷載傳遞、土阻力發(fā)揮的情況，它與上部荷載水平、土層性質、樁土相對位移、成樁工藝及樁參數(shù)(長度、直徑和剛度)密切相關。本次超長樁載荷試驗未達到極限狀態(tài)，荷載-沉降曲線受側阻力影響，樁端后注漿工藝提高了樁端持力層強度，減小了樁端沉降，由于砂土持力層需要較大位移才能完全發(fā)揮，根據(jù)小型樁試驗結果，砂類土的樁底極限位移為(0.08～0.1)D，D為樁徑[7]。而后注漿超長樁樁身壓縮大，樁端位移小。本次超長樁樁端位移遠小于極限位移，按規(guī)范考慮增強系數(shù)的后注漿端阻力缺乏實際應用意義，樁的實際承載力主要取決于樁周土的性狀。

根據(jù)樁身壓縮量公式[8]：

(1)

式中，ξe為樁身壓縮系數(shù)，Qj為第j樁樁頂荷載，lj為第j樁樁長，Ec為樁身混凝土彈性模量，Aps為樁身截面面積。樁身壓縮量與荷載水平、樁長、樁徑、彈性模量以及樁側摩阻力的分布規(guī)律因素有關。工程實際應用的單樁極限承載力主要由上部主體建筑能夠承受的極限沉降控制。通過減小樁身壓縮量，可以盡可能充分利用樁端承載力的潛力。增加樁徑、混凝土強度、配筋率，可以提高彈性模量，或適當降低樁長，都能減小樁身壓縮量，提高單樁承載力。

3.4 土阻力發(fā)揮

樁側阻力發(fā)揮是由樁-土相對位移決定的。關于側阻力發(fā)揮規(guī)律，根據(jù)測試資料，一般黏性土為4～6 mm[9]。其實隨著大直徑超長鉆孔灌注樁的大量應用，對于側阻力發(fā)揮規(guī)律的認識不斷深化，發(fā)揮側阻力的樁-土位移與樁徑、土層以及位置密切相關。

本次工程塔樓試樁檢測中，當s/d為2%～3%時，相對位移在20～30 mm，樁頂下35 m內的樁側摩阻力qs達極限值；當s/d為3%時，樁頂下35～50 m的樁側摩阻力qs達極限值，而樁頂下50 m之下的樁側摩阻力qs尚未達極限值。隨土層埋深地增加，qs達極限值所需的位移也增大。對于超長灌注樁，發(fā)揮深部側阻力，需要的相對位移也會越大，s/d接近4%時，樁頂下75 m的樁側摩阻力趨近于極限，但樁端附近側摩阻力尚未完全發(fā)揮。

在地基土強度和樁身砼強度都滿足設計極限值條件下，超長鉆孔灌注樁的極限承載力由樁頂沉降來控制，可取樁頂沉降s等于0.05D對應的荷載值[10]，作為單樁抗壓極限承載力，這時淺部和中下部的樁土相對位移δ達極限值，相應的土體處于屈服狀態(tài)，其摩阻力已經充分發(fā)揮，不再增加；而樁深部，尤其是樁端附近的樁土相對位移δ可能處于線性段，土體處于彈性狀態(tài)，其摩阻力尚未充分發(fā)揮，樁端土體沉降也處于線性段，土體處于彈性變化狀態(tài)，端阻力只發(fā)揮了一小部分。

通常在超長鉆孔樁承載力設計時，由于樁端附近巖土層不能完全發(fā)揮承載力，導致設計結果存在一定的誤差，影響工程的經濟型和技術準確性。

4 結論

通過蘇州某大直徑超長后注漿鉆孔灌注樁的靜載荷試驗，對樁身內力測試結果進行了分析，研究其荷載-沉降規(guī)律、側阻力和端阻力發(fā)揮規(guī)律等特性，為類似工程的樁基設計提供了指導意義，主要結論如下：

1)高荷載下，超長樁混凝土具有彈塑性變形特征，樁身混凝土彈性模量相對降低了，樁身壓縮量也會隨之增加。

2)超長樁極限承載力主要由上部主體建筑能夠承受的極限沉降控制，可以提高彈性模量或適當降低樁長，進而減小樁身壓縮量，提高單樁承載力。

3)超長樁樁側摩阻力與樁頂沉降/樁徑(s/d)關系密切，當s/d接近4%時，樁端附近土阻力開始逐漸發(fā)揮。

4)后注漿工藝可以消除泥皮、沉渣的不利影響，提高樁端土層的承載力，減小高水平荷載作用下的樁端沉降，樁側阻力產生強化效應。