樁底復(fù)合式后壓漿技術(shù)提高樁基承載力的應(yīng)用研究

焦 清 杰， 富 志 根， 何 歐， 高 永 光

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102060；2. 北京西南交大工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100038)

0 引 言

鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)的主要形式應(yīng)用發(fā)展迅速，其工作原理是通過(guò)樁體將荷載傳遞到深部性能較好的土層中，作用在樁頂?shù)暮奢d由樁側(cè)面和樁端面上的阻力共同承擔(dān)，通過(guò)提高樁側(cè)面和樁端面上的單位面積阻力，或增加樁側(cè)面積和樁端面積，均能夠提高樁的承載力[1]。樁底后壓漿技術(shù)就是通過(guò)增加樁端面積及提高樁端面上的單位面積阻力以提高樁基承載力的方法之一。其是利用壓漿設(shè)備將改性漿液通過(guò)樁身預(yù)埋的壓漿管壓入到樁端(樁側(cè))巖土體的一種施工技術(shù)，傳統(tǒng)樁底后壓漿技術(shù)根據(jù)漿液的注入方式可分為開(kāi)式壓漿和閉式壓漿。

開(kāi)式壓漿是指漿液通過(guò)壓漿導(dǎo)管直接注入土層，由于后壓漿壓力較大，樁底往往以劈裂注漿形式為主，導(dǎo)致其漿液注域可控性低，易沿砂、土、碎石層中的裂隙隨機(jī)流動(dòng)，并不一定集中在樁底。針對(duì)開(kāi)式壓漿的缺點(diǎn)，閉式注漿將漿液壓注到預(yù)先設(shè)置在土層的腔體中，腔體隨著漿液注入會(huì)逐漸膨脹和擴(kuò)大形成漿泡，漿泡對(duì)樁端沉渣和土體進(jìn)行壓密加固[2-3]。

然而，閉式壓漿鋼筋籠下放過(guò)程中因“活塞效應(yīng)”影響泥漿向上排出，引起了鋼筋籠下放困難的難題，故在實(shí)際工程中應(yīng)用并不多。

1 樁底復(fù)合式后壓漿技術(shù)簡(jiǎn)介

為改善開(kāi)式壓漿漿液隨機(jī)流動(dòng)和閉式壓漿鋼筋籠下放困難的問(wèn)題，高永光研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“灌注樁樁底安裝中空(孔)環(huán)形鋼板膠囊(腔)后注漿技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了樁底復(fù)合式后壓漿。該技術(shù)是將鋼筋籠底部鋼板膠囊設(shè)計(jì)為環(huán)形，通過(guò)膠囊外的注漿管進(jìn)行開(kāi)式注漿，通過(guò)膠囊內(nèi)的注漿管進(jìn)行閉式注漿，利用環(huán)形鋼板膠囊內(nèi)環(huán)空間解決了鋼板膠囊下放時(shí)的“活塞效應(yīng)”。該項(xiàng)樁底復(fù)合式后壓漿技術(shù)注漿時(shí)所采用開(kāi)式-閉式-開(kāi)式的注漿方式，樁底復(fù)合式后壓漿(開(kāi)式-閉式-開(kāi)式三次壓漿)見(jiàn)圖1。

a b

(1)第一次開(kāi)式壓漿(圖1a)，漿液在樁底靠近樁芯部位噴出，與樁底沉渣混合，并沿樁底四周繞著樁身上返。

(2)第二次進(jìn)行閉式壓漿(圖1b)，使樁底膠囊膨脹，擠壓樁端持力層，形成擴(kuò)大頭。

(3)第三次進(jìn)行開(kāi)式壓漿(圖1c)，此時(shí)漿液向下劈裂形成樹(shù)根狀水泥漿脈。

為更好地論證其加固效果與經(jīng)濟(jì)性，展示其良好的應(yīng)用前景，針對(duì)新型樁底復(fù)合式后壓漿樁的承載性能開(kāi)展試驗(yàn)與分析研究。

2 樁基試驗(yàn)設(shè)計(jì)與施工

2.1 工程概況

溫州市域鐵路S1線靈昆車輛段上蓋開(kāi)發(fā)工程擬采用鉆孔灌注樁，以④4卵石層作為樁端持力層，設(shè)計(jì)單樁承載力15 870 kN，原設(shè)計(jì)采用樁底開(kāi)式后壓漿，樁端全斷面進(jìn)入卵石層的深度約15 m，樁長(zhǎng)達(dá)到80 m。因進(jìn)入卵石層深度較多，鉆機(jī)在卵石地層成孔效率較底，鉆孔成孔需3～4 d/孔，成孔時(shí)間久，施工效率低，造成了樁底沉渣厚，樁基承載效益低等問(wèn)題。場(chǎng)地地層與后壓漿樁基樁長(zhǎng)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 場(chǎng)地地層與后壓漿樁基樁長(zhǎng)示意圖

為提高灌注樁的成孔效率、縮短工期、節(jié)約工程造價(jià)，原灌注樁樁底開(kāi)式后壓漿優(yōu)化為樁底復(fù)合式后壓漿，樁端進(jìn)入卵石層的深度由15 m縮短為2 m，大幅度減少了在卵石層中的成孔深度，鉆孔成孔效率大大提升，提高至1 d/孔。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該次試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)施做3根樁底復(fù)合式后壓漿樁基，3根試樁樁長(zhǎng)均以樁端進(jìn)入卵石層2 m控制，樁長(zhǎng)分別為69 m、70.5 m和71 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)獲取樁身內(nèi)力與變形數(shù)據(jù)以對(duì)樁端復(fù)合式后壓漿灌注樁承載效果進(jìn)行分析研究[4]。

采用正循環(huán)回旋鉆機(jī)成孔和氣舉反循環(huán)進(jìn)行二次清孔，清孔完成后混凝土采用導(dǎo)管水下澆筑。注漿作業(yè)于成樁后7 d進(jìn)行，采用開(kāi)式-閉式-開(kāi)式的復(fù)合式樁底后注漿方式。

注漿控制參數(shù)主要包含注漿壓力、注漿速率、注漿量等[5]，該次試樁開(kāi)始注漿壓力控制在1～2 MPa，最大穩(wěn)定注漿壓力控制在5～6 MPa左右，注漿速率控制在10～15 L/min[6]，各試樁注漿量(以干粉質(zhì)量計(jì))分別為5.5 t、5.8 t、5.0 t。

3 豎向載荷試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 樁基檢測(cè)

試驗(yàn)過(guò)程采用慢速維持荷載法進(jìn)行，其中加載過(guò)程采用逐級(jí)等量加載，卸載過(guò)程采用逐級(jí)等量卸載，試樁加載、卸載分級(jí)情況見(jiàn)表1。

表1 試樁加載、卸載分級(jí)情況

3.2 荷載-沉降(Q-S)試驗(yàn)結(jié)果

試樁SZ1001樁基荷載-沉降(Q-S)曲線見(jiàn)圖3，最大加載荷載值為19 486 kN。在加載量達(dá)到19 486 kN前，Q-S曲線基本光滑。而當(dāng)加載量達(dá)到19 486 kN后，曲線明顯陡降，該級(jí)沉降量達(dá)到16.09 mm，為前一級(jí)沉降量3.43 mm的4倍多，樁頂累計(jì)沉降量達(dá)55.67 mm，試驗(yàn)終止[7]，SZ1001試樁豎向抗壓極限承載力可取為前一級(jí)荷載值，即18 986 kN。

圖3 試樁SZ1001樁基載荷-沉降(Q-S)曲線

其他兩根試樁的豎向抗壓極限承載力分別為 19 486 kN、18 486 kN。該次受檢的3根樁成樁條件相同，其單樁豎向抗壓極限承載力檢測(cè)值的極差為1 000 kN，極差為平均值(18 986 kN)的5%，取算術(shù)平均值為單樁豎向抗壓極限承載力，該工程場(chǎng)地中樁底復(fù)合式后壓漿單樁的極限承載力為18 986 kN。

根據(jù)前期完成的針對(duì)原方案的開(kāi)式后壓漿工藝試樁載荷試驗(yàn)成果可知，開(kāi)式后壓漿工藝試樁單樁極限承載力為11 200 kN，與此相比，采用復(fù)合式后壓漿技術(shù)可提高樁基承載力約70%。

3.3 樁身內(nèi)力測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中記錄每級(jí)荷載作用下樁頂豎向位移、不同深度處樁身應(yīng)變，據(jù)此進(jìn)一步確定單樁豎向抗壓承載力極限值與每級(jí)荷載作用下樁身內(nèi)力分布。試樁SZ1001各級(jí)荷載作用下的樁身內(nèi)力見(jiàn)圖4，試樁SZ1001各級(jí)荷載作用下樁端端阻承擔(dān)荷載比見(jiàn)圖5。

圖4 試樁SZ1001各級(jí)荷載作用下的樁身內(nèi)力

(1)采用復(fù)合式后壓漿施工工藝使樁底土層的性質(zhì)得以改善，使灌注樁更能發(fā)揮其樁側(cè)、樁端共同承載的性質(zhì)，能有效減少在卵石層中的鉆孔深度，大幅度提高單樁的承載力。

(2)樁身軸力隨著豎向荷載的增大而增大，且采用復(fù)合式后壓漿施工工藝的試樁樁底分擔(dān)荷載比例高于傳統(tǒng)開(kāi)式壓漿工藝試樁。

(3)摩阻力的發(fā)揮除與荷載程度有關(guān)外，與土層的性質(zhì)及樁基變形也密不可分。在荷載較小時(shí)，荷載主要由樁中上部土層提供的側(cè)摩阻力承擔(dān)，樁身下部側(cè)摩阻力發(fā)揮很少。而隨著荷載增大，下部粉質(zhì)黏土、卵石層等土層將發(fā)揮較大的側(cè)摩阻力和端阻力[8]。

(4)隨著荷載增大，樁端阻力呈明顯增大趨勢(shì)，樁端阻力所占荷載百分比也逐漸變大，而側(cè)摩阻力所占荷載比重則逐漸減少。因此，選擇合適的樁基持力層和保障樁身下部的施工質(zhì)量亦非常重要。

4 結(jié) 語(yǔ)

從樁底復(fù)合式后壓漿加固機(jī)理出發(fā)，從樁基承載力的理論分析入手，通過(guò)工程實(shí)例，從靜載荷試驗(yàn)曲線、樁身軸力傳遞等方面對(duì)樁底復(fù)合式后壓漿的荷載傳遞性狀進(jìn)行分析，旨在對(duì)比分析樁底復(fù)合式后壓漿工藝與傳統(tǒng)樁底開(kāi)式后壓漿工藝在力學(xué)性能和成本造價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而展示樁底復(fù)合式后壓漿工藝的良好應(yīng)用前景。通過(guò)研究，采用樁底復(fù)合式后注漿專利技術(shù)可克服單一“開(kāi)式”和“閉式”兩種后注漿技術(shù)的不足，使樁底周圍地層的強(qiáng)度和承載力大幅度提高。采用樁底復(fù)合式后壓漿技術(shù)可減少樁基在持力層中的成孔深度，提高施工效率，降低施工難度，節(jié)約工程造價(jià)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。