大直徑灌注樁樁端后注漿技術(shù)在某高層建筑中的應(yīng)用

鄭 宇

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

樁端后注漿技術(shù)，是在灌注樁施工過(guò)程中，在鋼筋籠上部預(yù)埋壓漿管和壓漿閥，待灌注混凝土成樁后，間隔一定時(shí)間，通過(guò)注漿管道向樁端注入高壓水泥漿液，通過(guò)水泥漿固化樁端、樁側(cè)土體，提高樁側(cè)及樁端土阻力，進(jìn)而提高樁身豎向抗壓承載力的工藝。

注漿機(jī)理：水泥漿液與樁端土體和沉渣混合起壓密作用，在樁底形成擴(kuò)大頭，樁底土體不斷被壓縮，進(jìn)一步固結(jié)。隨著注漿量的增加，注漿壓力不斷增加，加固范圍不斷增大，加固效果越好[1]。

本文結(jié)合某超高層建筑項(xiàng)目前期采用不同成樁工藝施工的試驗(yàn)樁的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，分析灌注樁樁端后注漿對(duì)樁基承載能力的影響。

擬建工程位于臺(tái)江區(qū)江濱中大道，上部建筑為31層框架結(jié)構(gòu)，總高度150 m，總建筑面積86 667 m2，基礎(chǔ)采用沖(鉆)孔灌注樁。樁基設(shè)計(jì)時(shí)，先試打2根試驗(yàn)樁，其中一根采用常規(guī)工法施工，另外一根增加樁底高壓注漿。試驗(yàn)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供承載力指標(biāo)。試打樁樁徑Φ1200 mm，樁長(zhǎng)約57.0 m，樁端持力層為碎卵石層，樁身材料采用C40砼。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

該場(chǎng)地地貌單元屬河流沖洪積平原地貌，場(chǎng)地內(nèi)土層主要為人工堆填、沖洪積、風(fēng)化成因，根據(jù)詳細(xì)勘察鉆孔揭示情況，第四系覆蓋層厚度約為68 m～80 m。場(chǎng)地自上而下各主要巖土層依次為①雜(素)填土、①-1填砂、②中砂(夾淤泥)、③中砂夾薄層淤泥、④淤泥質(zhì)土夾砂、⑤中砂(夾粘性土)、⑥含少量礫卵石中砂、⑦碎卵石、⑧-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑧-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑨中等風(fēng)化花崗巖等，巖土層層面坡度起伏較大，厚度不均勻，局部巖土層有缺失。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，各土層的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要土層地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 樁型及樁端持力層選擇

該工程設(shè)計(jì)單樁極限承載力達(dá)20 000 kN，考慮到擬建超高層建筑物荷載大，對(duì)差異沉降敏感、地下室埋置深度大等特點(diǎn)，一般情況下，首選嵌巖灌注樁。但下部⑧-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及⑨中等風(fēng)化花崗巖埋深較大，若以其做樁端持力層，樁長(zhǎng)長(zhǎng)(70 m～82 m)，清渣難度大，且上部有厚度較大的碎卵石層，成樁較困難，樁身質(zhì)量控制難度大。而樁基造價(jià)亦高，經(jīng)濟(jì)性差，綜合性價(jià)比低，且⑧-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖遇水較易軟化，相比較灌注樁而言，樁端承載能力比上部⑦碎卵石差，因此初步考慮以⑦碎卵石層作為樁端持力層進(jìn)行試成樁，樁長(zhǎng)約57 m，成樁工藝采用沖(鉆)孔灌注樁。

3 成樁工藝及承載力檢測(cè)

本次在場(chǎng)地同一區(qū)域試成樁2根，樁基各項(xiàng)參數(shù)基本相同，其中一根(S1)未進(jìn)行樁端后注漿，另一根(S2)進(jìn)行樁端后注漿，埋設(shè)3根注漿管，注漿壓力3.5 MPa，單根注漿管注漿量采用1.7 t，總注漿量約5.0 t，水灰比0.7～1.0。

采用慢速維持荷載法對(duì)試樁進(jìn)行承載力檢測(cè)，按8～10級(jí)進(jìn)行加荷，每級(jí)荷載增量均為2000 kN。

對(duì)后注漿的試驗(yàn)樁(S2)的主要地層界面埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試。

單樁靜載試驗(yàn)前，先進(jìn)行了基樁聲波透射檢測(cè)、混凝土抽芯檢測(cè)及沉渣厚度檢測(cè)，各樁的樁身質(zhì)量合格，沉渣厚度滿足要求，均為Ⅰ類樁。

S1加荷至14 000 kN后，樁頂沉降持續(xù)增加，壓力無(wú)法穩(wěn)定，在該級(jí)荷載作用下的樁頂沉降量已超過(guò)前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍，此時(shí)樁頂總沉降量已超過(guò)61.85 mm，達(dá)到規(guī)范[2]終止試驗(yàn)的要求。根據(jù)Q-s曲線(圖1)，單樁豎向抗壓極限承載力取12 000 kN。

圖1 S1樁Q-s曲線

S2加荷至20 000 kN時(shí)，試樁樁頂沉降小于40 mm，且沒(méi)有明顯沉降增大現(xiàn)象，試樁尚未達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。根據(jù)Q-s曲線(圖2)，單樁豎向抗壓極限承載力可取20 000 kN。

圖2 S2樁Q-s曲線

4 樁身內(nèi)力測(cè)試

為分析后注漿后的單樁受力特性，本項(xiàng)目對(duì)S2試樁埋設(shè)了鋼筋應(yīng)力計(jì)，在單樁靜載荷試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試。

樁身內(nèi)力測(cè)試，主要是測(cè)樁身某一橫截面的樁身內(nèi)力，通過(guò)在受力主筋上埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，測(cè)得埋設(shè)斷面鋼筋的應(yīng)變。通過(guò)平截面假定及鋼筋與混凝土的變形協(xié)調(diào)一致的原理，可求得樁身測(cè)試斷面的樁身應(yīng)力，得出各樁身各量測(cè)斷面處的軸力和樁側(cè)阻力、端阻力分布情況。進(jìn)而再分析出樁身不同位置的受力情況，據(jù)此對(duì)樁的荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行分析[3]。

4.1 樁身應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)

在S2試樁的主要土層變化處及樁端附近埋設(shè)了應(yīng)力計(jì)，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，共埋設(shè)了15個(gè)應(yīng)力計(jì)。埋設(shè)位置及樁側(cè)土層情況如圖3所示。

圖3 樁側(cè)地層分布及樁身內(nèi)力測(cè)試裝置設(shè)置圖

4.2 樁身內(nèi)力及樁側(cè)阻力、端阻力的計(jì)算

通過(guò)樁身應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，得到樁身各斷面內(nèi)力，采用下列公式(1)、(2)反算主要土層實(shí)際側(cè)阻力與端阻力(表3)，并與地勘經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比(表4)，體現(xiàn)注漿增強(qiáng)效果：

(1)

(2)

式中：

Nc——樁身軸力(kN)；

σjs——鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)平均應(yīng)力(kN/mm2)；

kj——第j個(gè)鋼筋計(jì)標(biāo)定系數(shù)(kN/Hz2)；

fji——第j個(gè)鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)頻率(Hz)；

fj0——第j個(gè)鋼筋計(jì)安裝后的初始頻率(Hz)；

Ajs——第j個(gè)鋼筋計(jì)截面積(mm2)；

Ec——混凝土彈性模量(kN/mm2)；

Es——鋼筋彈性模量(kN/mm2)；

Ac——混凝土截面積(mm2)；

Ac=Ab-AS；

Ab——樁截面面積(mm2)。

樁側(cè)土的分層側(cè)阻力和樁端阻力按式(3)、式(4)分別計(jì)算：

(3)

(4)

式中：

qsi——樁第i斷面與i+1斷面?zhèn)茸枇?kPa)；

qp——樁的端阻力(kPa)；

i——樁檢測(cè)斷面順序號(hào)，i=1,2，……，n，并自樁頂以下從小到大排列；

u——樁身周長(zhǎng)(m)；

li——第i個(gè)斷面與第i+1斷面之間的樁長(zhǎng)(m)；

Ncn——樁端的軸力(kN)；

A0——樁端面積(mm2)。

4.3 樁身軸力測(cè)試及側(cè)阻力計(jì)算結(jié)果

樁頂不同荷載下樁身軸力的測(cè)試結(jié)果如表2所示。根據(jù)實(shí)測(cè)軸力計(jì)算的主要土層側(cè)阻力及端阻力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 S2試樁軸力測(cè)試值

表3 S2試樁主要土層側(cè)阻力及端阻力實(shí)際計(jì)算值

表4 S2試樁側(cè)阻力實(shí)際計(jì)算值與地勘經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比

5 樁端后注漿處理效果分析

從樁身軸力測(cè)試及樁側(cè)阻力及樁端阻力計(jì)算結(jié)果中可以看出，經(jīng)過(guò)樁底高壓注漿處理后，樁身中部中砂(夾淤泥)以上的各土層樁側(cè)摩阻力未有明顯變化，樁端注漿段以上的碎卵石層、含少量礫卵石中砂層等土層的樁側(cè)阻力均有明顯增強(qiáng)，效果一般達(dá)到1.3～1.7倍左右，碎卵石層的樁端阻力達(dá)到3652 kPa，亦比未注漿前提高了10%以上。同時(shí)從表3及圖2可以看出，中砂(夾粘性土)以下土層樁側(cè)摩阻力及碎卵石層的樁端阻力均尚未得到完全發(fā)揮，樁的承載能力仍有較大提升空間。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載達(dá)到14 000 kN時(shí)，未注漿的S1樁樁頂沉降量達(dá)到61.85 mm，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載達(dá)到20 000 kN時(shí)，采用樁端后注漿工藝的S2樁，樁頂沉降量?jī)H為12.75 mm，可見(jiàn)對(duì)于同一條件下的兩根試驗(yàn)樁，對(duì)樁端采用后注漿處理后的試驗(yàn)樁單樁豎向極限抗壓承載力得到了顯著提升。

同時(shí)通過(guò)上表2可以看出，在試驗(yàn)最大荷載下，樁端的反力約占總樁基承載力的20%，樁的受力模式為端承摩擦型，樁端后注漿，可充分發(fā)揮樁端以上一定范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力，提高樁身承載力。

對(duì)于該工程，同條件下常規(guī)施工工藝的灌注樁單樁豎向極限抗壓承載力，僅能取到12 000 kN。若以此進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載，需加大樁徑或加深樁長(zhǎng)以深部碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖作為樁端持力層。由于場(chǎng)地空間小，擴(kuò)大樁徑設(shè)計(jì)難度較大，而加深樁長(zhǎng)不僅延長(zhǎng)工期，增加造價(jià)，超長(zhǎng)灌注樁的施工質(zhì)量亦較難保證[4]。而采用樁端注漿工藝后，承載力能達(dá)到20 000 kN以上，與常規(guī)工藝相比，提升約65%以上，僅用約5.0 t的水泥漿量，就可使樁長(zhǎng)約57 m的以碎卵石為持力層的灌注樁的承載能力，能接近下部樁長(zhǎng)需達(dá)70 m以上，以碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖為持力層的灌注樁的承載能力效果，大大降低了樁基設(shè)計(jì)及施工難度。

樁基設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)試驗(yàn)成果通過(guò)優(yōu)化布樁形式，減少樁基數(shù)量等方式，降低產(chǎn)生每噸豎向承載力特征值的成本，大幅減少造價(jià)縮短工期。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的日益發(fā)展，土地資源越來(lái)越稀缺，人們對(duì)大型建筑及高層建筑的需求也越來(lái)越大。建筑物的荷載隨著建筑物的規(guī)模增大而增大，對(duì)樁基承載力的要求也隨之增大。對(duì)于灌注樁而言，若設(shè)計(jì)僅僅是一味的加長(zhǎng)樁長(zhǎng)，以中等風(fēng)化巖等高強(qiáng)度巖層作為樁端持力層來(lái)提高樁身承載力，會(huì)使得在巖層埋深較大區(qū)域項(xiàng)目的基礎(chǔ)造價(jià)增高，施工難度增大，同時(shí)樁基質(zhì)量及承載力受超長(zhǎng)樁清渣效果的影響，不易保證。

(2)碎卵石層等壓縮模量較高的地層亦具有較好的樁基性能，只是常規(guī)工法施工的樁身質(zhì)量及樁的承載力不易保證，特別是清渣難度較大，可靠性差。樁端后注漿的工藝能較好地消除沉渣厚度對(duì)樁基承載力的影響，明顯提高樁端土端承力及注漿點(diǎn)以上一定范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力，進(jìn)而提高單樁承載力。但對(duì)于不同工程，尚應(yīng)根據(jù)具體工程要求，進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)承載力提升的程度。

(3)目前該項(xiàng)目已竣工2年以上，建筑物工后沉降穩(wěn)定。