深厚砂層灌注樁后注漿提高系數(shù)試驗(yàn)分析

盧萍珍 孫宏偉 方云飛

（北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045）

0 引言

灌注樁后注漿技術(shù)是指灌注樁成樁后一定時(shí)間，通過預(yù)設(shè)于樁身內(nèi)的注漿導(dǎo)管及與之相連的樁端、樁側(cè)注漿閥注入水泥漿，使樁端、樁側(cè)土體（包括沉渣和泥皮）得到加固，從而提高單樁承載力、減小沉降[1]。

灌注樁后注漿技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用廣泛。已有文獻(xiàn)研究了不同區(qū)域不同地層條件下后注漿工藝效果。張忠苗等[2]研究了溫州上部軟土樁端卵石層的長樁采用樁端后注漿技術(shù)后的受力性狀，結(jié)果表明樁端后注漿技術(shù)改善了樁側(cè)土的性狀，達(dá)到增大樁側(cè)摩阻力、提高承載能力的目的；張忠苗等[3]通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究得出杭州地區(qū)樁周土以砂質(zhì)粉土為主持力層為卵石層的樁，采用樁端后注漿對增強(qiáng)樁端阻力具有明顯優(yōu)勢，實(shí)測極限端阻力約為勘察報(bào)告中極限端阻力推薦值的1.75 倍；姚建平等[4]分析了西安地區(qū)粉質(zhì)土條件下后壓漿工藝效果，得出后壓漿樁基極限承載力可提高24%，建筑樁基技術(shù)規(guī)范計(jì)算值偏于安全保守。肖 堅(jiān)等[5]基于山東粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、粉土、風(fēng)化片巖地層中的實(shí)測數(shù)據(jù)，比較實(shí)測樁身摩阻圖和地勘報(bào)告給出的極限側(cè)摩阻力，砂層和角礫層，其壓漿后的摩阻力提高了5 倍以上。宇文斌等[6]通過試驗(yàn)研究了第四紀(jì)沉積的粉土、粉質(zhì)黏土夾細(xì)中砂、粉細(xì)砂地層中后插鋼筋籠灌注樁在相同荷載條件下后壓漿樁基沉降變形較非后壓漿樁基沉降減小約30%；樁側(cè)摩阻力提高幅度約28%，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。王欣華等[7]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，采用后注漿灌注樁工藝可以對天津?yàn)I海新區(qū)樁側(cè)軟弱土層樁側(cè)摩阻力提高至原來的1.5～3 倍；樁極限承載力增加幅度可達(dá)96%。

北京通州新城地處永定河、潮白河沖積平原，地勢平坦，多河富水的自然特色十分突出。其地層以厚砂層為主，地下水位很高，地基土具地震液化潛勢。目前，在類似該地區(qū)深厚砂層場地采用灌注樁后注漿工藝的試驗(yàn)研究成果尚少。

本文基于北京通州新城某工程，開展了針對鉆孔灌注樁在深厚砂層的后注漿效果的足尺試驗(yàn)研究，其中2 根未后注漿樁和1 根后注漿樁加載到了極限承載力[8]，相對大量未加載至破壞的靜載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，可為研究深厚砂層場地鉆孔灌注樁承載性狀提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)區(qū)巖土條件及試驗(yàn)布置

本工程位于北京市通州區(qū)，試驗(yàn)場地為厚砂層場地，地基土的物理力學(xué)指標(biāo)和土層分布見圖1。

根據(jù)詳勘報(bào)告，試驗(yàn)場地40 m 深度范圍內(nèi)共賦存兩層地下水，第一層為第四系孔隙潛水，水位埋深4.60～7.80 m，靜止水位標(biāo)高11.58～14.66 m，含水層巖性主要為粉砂-細(xì)砂②3層、細(xì)砂③層、細(xì)砂-中砂④層、細(xì)砂-中砂⑤層。第二層為第四系承壓水，長期觀測孔內(nèi)測得承壓水頭高約24.0 m，其含水層巖性主要為細(xì)砂-中砂⑥層。

試驗(yàn)區(qū)布置見圖2，試驗(yàn)詳細(xì)描述見文獻(xiàn)[9-10]?；卩徑渌囼?yàn)區(qū)試成樁經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目試驗(yàn)樁施工均采用旋挖成孔施工工藝。本文著重針對試驗(yàn)區(qū)1-2進(jìn)行后注漿和未后注漿抗壓樁靜載荷試驗(yàn)對比分析。

圖2 試驗(yàn)區(qū)布置圖

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，本試驗(yàn)樁工程有效樁頂標(biāo)高為10.70 m（絕對高程，余同）。試驗(yàn)區(qū)自然地面標(biāo)高19.50 m，抗壓試驗(yàn)樁開挖至18.0 m 標(biāo)高處進(jìn)行檢測，采用長為7.3 m 的內(nèi)外雙套筒消除有效樁頂標(biāo)高以上的樁身側(cè)阻力。

為測得試驗(yàn)樁側(cè)各土層的極限側(cè)摩阻力，根據(jù)場地土層的分布情況，在試驗(yàn)樁樁身10 個(gè)截面處設(shè)置了鋼筋應(yīng)變計(jì)（1、3 斷面對稱設(shè)計(jì)4 個(gè)鋼筋應(yīng)變計(jì)，其余斷面對稱設(shè)置2 個(gè)鋼筋應(yīng)變計(jì)），包括有效樁頂處，各土層分界面，以及較厚的細(xì)砂③層、細(xì)砂-中砂④層、細(xì)砂-中砂⑤層的層中位置。具體安裝位置示意圖見圖1。根據(jù)應(yīng)變計(jì)的布置，較厚土層被劃分為上和下兩個(gè)部分，標(biāo)注為③上、③下，以此類推。同時(shí)各試驗(yàn)樁上設(shè)置了沉降桿（有效樁頂處、樁身中部及樁端），以及獲取樁端阻力的樁端土壓力盒。

樁身完整性檢測結(jié)果表明，各試驗(yàn)樁及錨樁均為Ⅰ類樁。

2 抗壓靜載試驗(yàn)分析

2.1 沉降變形量分析

圖3、圖4為該試驗(yàn)區(qū)6 根抗壓樁的荷載-位移曲線圖。其中TP4-TP6 為后注漿樁；TP7-TP9 為未進(jìn)行后注漿樁。

由圖3（a）可見，后注漿樁和未后注漿樁特性發(fā)揮區(qū)分顯著。與未后注漿樁相比，3 根后注漿樁的荷載-位移曲線更為平緩；而未后注漿樁在加載量3200 kN（圖中橫坐標(biāo)2000 kN 和4000 kN 之間的試驗(yàn)點(diǎn)對應(yīng)的加載量）時(shí)即出現(xiàn)明顯的“低頭”現(xiàn)象。在加載量11500 kN 時(shí)，后注漿樁沉降變形量約為未后注漿樁沉降變形量的10%。

圖3 抗壓樁荷載–位移曲線

從圖3（b）樁端沉降曲線分析，未后注漿樁的樁端沉降在加載量2400～4500 kN 先后出現(xiàn)“陡降”的現(xiàn)象，推測與其樁端沉渣較厚有較大關(guān)系。相比之下后注漿樁無此現(xiàn)象，可見，在該場地后注漿可減小樁端沉渣對沉降的影響。

為詳細(xì)對比樁的承載發(fā)揮性狀，分別選擇對比組中加載量最大，且已加載到極限承載力的TP4 樁（最大加載量21000 kN）和TP9 樁（最大加載量11500 kN）進(jìn)行詳細(xì)對比和分析。兩根樁樁頂沉降和樁端沉降的對比情況見圖4。由圖可見，后注漿樁樁頂沉降的階段性臺(tái)階式特點(diǎn)，與樁端沉降有密切關(guān)系；同時(shí)與未后注漿樁相比，后注漿樁的沉降表現(xiàn)更加穩(wěn)定、平緩。

圖4 TP4 和TP9 的Q-s 曲線

2.2 樁身承載性狀分析

圖5為TP4 和TP9 兩根樁在各級(jí)加載情況下樁身軸力分布圖，其中0～7.3 m 為樁身無效段，采用內(nèi)外雙套筒隔離措施。由圖可見，與TP4 相比，TP9 在淺部土層曲線較陡在淺部土層范圍TP9 的側(cè)阻發(fā)揮低于TP4 的發(fā)揮；同時(shí)TP4 樁在加大荷載量時(shí)細(xì)砂③層（新近沉積土層）出現(xiàn)側(cè)阻軟化現(xiàn)象。在細(xì)砂-中砂④層位置，未后注漿樁TP9 的側(cè)阻發(fā)揮整體上要大于后注漿樁TP4；但在細(xì)砂-中砂⑤層，加載量8400 kN 左右時(shí)，后注漿樁的側(cè)阻開始反超未后注漿樁的側(cè)阻發(fā)揮值，并在砂土⑥層中明顯大于未后注漿樁的側(cè)阻發(fā)揮。（見圖6-圖13）

圖5 各級(jí)荷載下單樁軸力分布

圖6 側(cè)阻力隨樁身的變化曲線

圖7 TP4 樁身各土層隨加載量增加側(cè)阻的發(fā)揮

圖8 TP9 樁身各土層隨加載量增加側(cè)阻的發(fā)揮

圖9 細(xì)砂③層側(cè)阻發(fā)揮對比

圖11 細(xì)砂④下層側(cè)阻發(fā)揮對比

圖12 中砂⑤層側(cè)阻發(fā)揮對比

圖13 砂土⑥層側(cè)阻發(fā)揮對比

從圖14、圖15 端阻力發(fā)揮曲線看，與未后注漿樁相比，后注漿樁的樁端阻力增加緩慢，說明后注漿對減少樁端“軟墊”（沉渣）效果較明顯。樁頂沉降量相等條件下，后注漿樁的樁端阻力要大于未后注漿樁的樁端阻力，加載過程中最大樁端提高系數(shù)約為1.69，即端阻力的后注漿提高系數(shù)要小于國標(biāo)樁基規(guī)范所建議的范圍2.6～3.0[1]和北京規(guī)范的建議值2.2～3.0[11]。

圖14 樁端阻力–加載量的變化曲線

圖15 樁端阻力–樁頂沉降量變化曲線

2.3 后注漿提高系數(shù)

根據(jù)各土層側(cè)阻力發(fā)揮情況，匯總對比了后注漿樁TP4 與未后注漿樁TP9 的側(cè)阻及端阻發(fā)揮實(shí)測數(shù)據(jù)（見表1）。由該表中數(shù)據(jù)可知，同深度土層條件下，后注漿樁側(cè)阻的發(fā)揮可達(dá)到未后注漿的1.16～3.64 倍，淺層新近沉積土層提高系數(shù)較小，到達(dá)第四紀(jì)沉積土層后，隨著埋深增加后注漿提高系數(shù)整體呈增大趨勢；后注漿樁的端阻力發(fā)揮不充分，僅為未后注漿樁的1.08 倍，分析為發(fā)生樁端刺入破壞所致。該試驗(yàn)區(qū)綜合提高系數(shù)可達(dá)到2.22。

表1 后注漿提高系數(shù)匯總表

根據(jù)地勘參數(shù)及試驗(yàn)區(qū)補(bǔ)勘鉆孔數(shù)據(jù)，計(jì)算所得未后注漿單樁極限承載力值介于5093～5367 kN。與計(jì)算值均值（5213 kN）相比，靜載試驗(yàn)所得后注漿極限承載力綜合提高系數(shù)可達(dá)3.57 倍。

同一場地4 個(gè)試驗(yàn)區(qū)12 根后注漿樁的荷載-位移曲線見圖16。對比12 根后注漿樁與未后注漿樁承載力計(jì)算值，后注漿綜合提高系數(shù)見圖17，排除未加載至極限值的3 根樁（圖中空心圓所示），后注漿綜合提高系數(shù)為2.53～3.57。

圖16 4 個(gè)試驗(yàn)區(qū)后注漿樁荷載–位移曲線

圖17 后注漿綜合提高系數(shù)

3 結(jié)論

在通州新城厚砂層場地采用鉆孔灌注樁后注漿工藝及其效果，目前積累的工程經(jīng)驗(yàn)尚少。通過本文分析研究得到以下幾點(diǎn)結(jié)論，可供類似場地樁基設(shè)計(jì)借鑒和參考。

（1）后注漿施工工藝可顯著減小樁頂沉降，將有利于上部結(jié)構(gòu)的變形控制。

（2）樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是一個(gè)異步發(fā)揮的過程。在加載量較大時(shí)，后注漿樁淺部新近沉積土層出現(xiàn)側(cè)阻軟化的現(xiàn)象。

（3）基于后注漿和未后注漿樁的阻力發(fā)揮數(shù)據(jù)，在該場地側(cè)阻后注漿最大提高系數(shù)要高于北京規(guī)范建議值；端阻后注漿最大提高系數(shù)小于北京規(guī)范建議值。

（4）與未后注漿試驗(yàn)結(jié)果相比，后注漿綜合提高系數(shù)可達(dá)2.22；與設(shè)計(jì)時(shí)采用的未后注漿樁承載力計(jì)算值相比，該深厚砂層場地靜載試驗(yàn)后注漿綜合提高系數(shù)為2.53～3.57。

致謝：本次試驗(yàn)研究課題組成員還有宋 捷、宋閃閃、楊 爻等。