砂巖厚填土區(qū)灌注樁成孔質(zhì)量和承載特性試驗(yàn)研究

崔偉，李結(jié)全

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；3.廣西瑞宇建筑科技有限公司，廣西 南寧 530031）

0 前言

目前關(guān)于樁身內(nèi)力與土的性質(zhì)、土層分布及埋深之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)與理解主要是從大量預(yù)制打入樁的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與試樁測試資料中總結(jié)得到的。預(yù)制打入樁是人們最早采用的樁型，不僅在工程中應(yīng)用最廣泛，且對(duì)其研究也較為透徹[1]，而人們對(duì)沖（鉆）孔灌注樁的樁身內(nèi)力試驗(yàn)資料較為缺乏，使得在設(shè)計(jì)該類樁型時(shí)不得不沿用在打入樁中獲得的某些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，實(shí)際上沖（鉆）孔樁的樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮以及荷載傳遞特性受施工和場地條件的影響較大[2]，填土場地一般成分復(fù)雜、粒徑差異大，成孔質(zhì)量較難控制，樁徑變異大，以往認(rèn)為孔壁形狀凹凸不平的樁比孔壁形狀平直、光滑的樁具有更高的承載力[3]，而關(guān)于其對(duì)樁身內(nèi)力及荷載傳遞性狀的影響卻很少提及，本文以廣西欽州港大型煉油項(xiàng)目裝置區(qū)樁基試驗(yàn)工程為背景，對(duì)其靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，尤其是選擇了強(qiáng)夯處理的砂巖厚填土場區(qū)內(nèi)采用后壓漿處理的沖孔灌注嵌巖樁，討論了孔徑變化對(duì)于強(qiáng)夯處理的砂巖厚填土區(qū)沖孔灌注樁的極限承載力及樁土荷載傳遞性狀的影響規(guī)律。

1 工程地質(zhì)概況

某工程場地的2根靜載試驗(yàn)樁(1#、2#)的樁徑均為0.8 m，樁長12.0m，主筋為12Φ18 mm的沖孔灌注樁，樁身混凝土C25，并在樁端附近采用后壓漿。兩根樁穿越土層狀況相同，其所處場地原為低矮丘陵，屬海蝕丘陵地貌，經(jīng)挖填平整后，場地開闊平坦。根據(jù)勘察揭露，場地各地基土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值匯總表 表1

對(duì)于場地中的①素填土與②粉質(zhì)粘土層，采用重錘夯實(shí)法進(jìn)行處理。通過對(duì)1#與2#樁的樁身內(nèi)力試驗(yàn)，進(jìn)行砂巖厚填土場地后壓漿灌注樁的樁土荷載傳遞性狀的研究。

根據(jù)各試樁所處實(shí)際的土層情況及樁身荷載傳遞機(jī)理，在每根樁所處土層的分界點(diǎn)附近及各土層中均適量布置鋼筋應(yīng)力量測斷面，為保證測試結(jié)果的可靠性，每個(gè)量測斷面對(duì)稱布置兩個(gè)鋼筋應(yīng)力測點(diǎn)，如圖1所示，本試驗(yàn)的2根試樁均分別布置了5個(gè)截面10個(gè)振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)。

圖1 1#與2#樁所處地層示意及應(yīng)力計(jì)布置圖

2 試驗(yàn)方案

①在樁基成孔之后，吊放鋼筋籠之前，進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測，包括孔徑、孔斜、孔深及孔底沉渣測量4個(gè)部分。

②在靜載荷試驗(yàn)之前，將振弦式頻率測定儀與各鋼筋應(yīng)力計(jì)的電纜連接上并讀初讀數(shù)。

③靜載荷試驗(yàn)加載按分級(jí)進(jìn)行，采用逐級(jí)等量加載，各樁的樁身內(nèi)力測試與之同步，在靜載試驗(yàn)的每級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，每隔一定時(shí)間采集樁身應(yīng)力數(shù)據(jù)一次。

④以此類推，直至樁的位移量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，即完成該級(jí)荷載作用下樁身應(yīng)力的測試，本試驗(yàn)在每級(jí)荷載作用下每個(gè)應(yīng)力計(jì)測讀4次，其中有1次是施加下一級(jí)荷載之前測讀。

⑤試驗(yàn)按以上步驟依次進(jìn)行，直至試樁達(dá)到極限破壞。

3 試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，加載采用壓重平臺(tái)反力裝置，用2只500型千斤頂并聯(lián)加載，自動(dòng)加載與觀測系統(tǒng)測讀每級(jí)樁頂沉降，加載增量為1200kN。壓漿后樁的破壞型式一般為緩變型破壞[4]，本次靜載試驗(yàn)荷載—沉降關(guān)系曲線如圖2所示，兩樁的Q～s曲線也均呈緩變型下降。因此可按照規(guī)范分別取40mm對(duì)應(yīng)荷載值3516 kN與4400kN作為1#樁與2#樁的單樁豎向抗壓極限承載力值，同樣的地層條件卻出現(xiàn)了2#樁極限承載力比1#樁高25%。本文后面將分析出現(xiàn)這種差異的原因。

圖2 荷載沉降關(guān)系圖

樁徑測試結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，除了由于技術(shù)原因，樁頂2m附近的孔徑未測得外，2根試驗(yàn)樁的樁徑隨深度呈不規(guī)則變化，樁土截面很不規(guī)整，2根樁均出現(xiàn)了擴(kuò)徑的現(xiàn)象，2#樁在中部2次出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象，2根樁在樁端3m附近均出現(xiàn)較大規(guī)模的擴(kuò)徑。這主要由于厚達(dá)9.3m的砂頁巖填土巖性雜亂，顆粒大小懸殊，呈松散狀態(tài)，泥漿護(hù)壁效果不理想，成孔質(zhì)量較難控制，從而在成孔過程中產(chǎn)生塌孔，甚至產(chǎn)生擴(kuò)徑或縮頸的現(xiàn)象，這對(duì)樁土荷載傳遞性狀影響很大。

圖3 各樁孔徑變化圖

3.2 計(jì)算結(jié)果

樁身軸力由布設(shè)于各斷面的鋼筋應(yīng)力計(jì)的振動(dòng)頻率按式(1)換算獲得。2試樁的軸力Nz分布如圖4所示。

圖4 各試樁樁身軸力隨深度變化圖

由圖4可以看出，2根試驗(yàn)樁在荷載較小時(shí)，軸力總體上隨深度呈減小趨勢，在樁頂荷載小于1200kN時(shí)，2樁樁頂1m附近軸力衰減非常快，并且衰減速率隨荷載增大而增大，1#樁的1.0m～6.3m深度處的軸力幾乎未衰減，而在6.3m～8.2m深度的軸力出現(xiàn)了衰減，而8.2m以下的軸力幾乎未變，結(jié)合圖3的1#樁的孔徑圖，除了樁頂2m附近未測出，在1.0m～6.3m深度，孔徑隨深度呈逐漸增大的“正八字形”，這種孔徑變化極不利于樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，所以此段軸力未衰減，相反地，1#樁在6.3m～8.2m深度的孔徑隨深度呈逐漸減小的“倒八字形”，這種孔徑變化有利于樁身荷載向樁周土中傳遞，所以此段軸力在荷載較小時(shí)軸力就開始衰減；隨著荷載增大至1600kN以后，樁頂附近1m軸力衰減更加迅速，而1.0m～6.3m樁段也開始了軸力的輕微衰減，6.3m～8.2m樁段的軸力衰減依然很明顯，而在8.2 m以下樁段，卻出現(xiàn)了軸力增加現(xiàn)象，而且軸力增大速率隨著荷載的增大而增大，這主要是由此段出現(xiàn)了負(fù)摩阻力造成的。再看2#樁的2.0～4.0m段，雖然樁徑較為垂直規(guī)整，但是其下段是擴(kuò)徑段，從2#樁的軸力圖可以看出，在荷載較小時(shí)其下段擴(kuò)徑段的軸力衰減是先于上部的樁徑規(guī)整段發(fā)生的，這就說明，下段擴(kuò)徑段的阻力(包括擴(kuò)徑端阻力與摩阻力)是先于上部樁徑規(guī)整段的摩阻力發(fā)揮作用的。

相鄰兩斷面間樁側(cè)摩阻力由公式（2）計(jì)算而得。

圖5 各試樁樁側(cè)摩阻力分布圖

從圖5可以看出，2樁樁周土的側(cè)阻均呈不對(duì)稱雙峰態(tài)[5]，且荷載越大，這種形態(tài)越明顯，峰值意味著較大的樁側(cè)土阻力，而谷值則說明土層的側(cè)阻作用較小。第一個(gè)較大的峰值出現(xiàn)在樁頂1 m附近，1#樁的這個(gè)峰值在加載到3600 kN時(shí)達(dá)到最大為530 kN，加載至4000 kN時(shí)，減小到450 kN，而2#樁的這個(gè)峰值一直加載到4400 kN時(shí)為800 kN，仍未達(dá)到極限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1#樁的此段側(cè)摩阻力，這也是2#樁的極限承載力高于1#樁20%的一個(gè)重要原因，造成這種摩阻力差異的原因可能是2#樁在灌注混凝土?xí)r樁頂附近出現(xiàn)了比1#大得多的樁徑擴(kuò)大段，而且地表附近強(qiáng)夯處理效果較好，從而擴(kuò)大段下斜面承擔(dān)阻力的能力比1#樁要強(qiáng)得多。第二個(gè)較小的峰值兩根樁不是出現(xiàn)在同一個(gè)位置，1#樁出現(xiàn)在8.2 m處，而2#樁出現(xiàn)在6.3 m處，造成這種差異的原因是1#樁在8.2 m處為擴(kuò)徑端的下斜面，而在2#樁6.3 m處就已經(jīng)是擴(kuò)徑端的下斜面，而這種擴(kuò)徑端的下斜面非常利于廣義的樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。值得注意的是，在2根樁的樁端0.8 m附近，出現(xiàn)了－10kPa～－60kPa的負(fù)摩阻力，并且隨著荷載增大而增大，這是由于上層厚回填土呈松散欠固結(jié)狀態(tài)，雖經(jīng)過強(qiáng)夯處理，但對(duì)較深處處理效果有限，加之上部正好為擴(kuò)徑段下斜面，下斜面對(duì)土體產(chǎn)生的壓力與自身重力共同作用，使得土體產(chǎn)生壓縮與沉降，而樁下部支承于堅(jiān)硬的砂巖上，樁的位移小于土體的沉降，從而產(chǎn)生負(fù)摩阻力[6]，并隨著荷載加大，上部擴(kuò)徑段下斜面對(duì)土體壓力越大，造成負(fù)摩阻力也隨之增大。

4 分析與討論

4.1 各層地基土側(cè)阻力變化情況

圖6為兩樁各層地基土側(cè)阻力隨樁頂荷載的變化曲線。

圖6 各層地基土側(cè)阻力隨樁頂荷載的變化曲線

從圖6可以得出幾點(diǎn)規(guī)律：①0.0～-1.0 m砂巖填土層地基土在單樁達(dá)到極限承載力之前一直發(fā)揮著較大的側(cè)阻力，1#樁在達(dá)到極限承載力時(shí)，此段地基土側(cè)阻力也達(dá)極值為530kPa，2#樁此段地基土一直未達(dá)極值，最高達(dá)863kPa，需要說明的是，這里的側(cè)阻力應(yīng)為擴(kuò)徑段端阻力與樁側(cè)摩阻力之和，因此遠(yuǎn)大于規(guī)范中填土的極限側(cè)阻力值；②中部-1.0～-8.2m的砂巖填土層地基土側(cè)阻力隨樁頂荷載的增加均表現(xiàn)為單調(diào)遞增的特征，即側(cè)阻力隨樁頂荷載的增加而不斷增大，在最大樁頂荷載作用下也還沒有達(dá)到明顯的峰值；③1#樁的-6.3～-8.2m砂巖填土側(cè)阻力先于上部-1.0～-6.3m土側(cè)阻力的發(fā)揮，由于此側(cè)阻力值一直未達(dá)峰值，因此其上部-1.0～-6.3m土層側(cè)阻力未達(dá)到充分發(fā)揮，所以圖中的此段側(cè)阻力值自始至終都高于-1.0～-6.3m土側(cè)阻力值，造成這種現(xiàn)象的原因主要是-6.3～-8.2m處為樁擴(kuò)徑段的下斜面，有利于側(cè)阻力的發(fā)揮，而其上部-1.0～-6.3m處為樁擴(kuò)徑段的上斜面，不利于側(cè)阻力的發(fā)揮，同樣2#樁的-6.3～-8.2m處也為擴(kuò)徑段的下斜面，因此此段樁側(cè)阻力先于上部發(fā)揮，當(dāng)樁頂荷載達(dá)1200kN時(shí)，此段樁側(cè)阻力達(dá)峰值，當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大時(shí)，此段樁側(cè)阻力降低轉(zhuǎn)化為殘余側(cè)阻力，而其上部的-4.3～-6.3m處樁側(cè)摩阻力開始發(fā)揮作用，其值由44kPa增加到98kPa；④2樁樁端0.8m嵌入全風(fēng)化砂巖，但是兩樁在-8.2～-11.5m處的側(cè)阻力自始至終發(fā)揮均不理想，1#樁的側(cè)阻力始終為負(fù)值，最大負(fù)阻力值達(dá)到-63.9kPa，2#樁最大側(cè)阻力35.1kPa,最大負(fù)阻力為-16.7kPa,由于樁徑曲線變化較大，樁頂荷載主要由樁在砂巖填土層中的側(cè)阻力承擔(dān)，因此傳遞到嵌砂巖段荷載較小，加之2樁位于嵌巖段的樁徑成“正八字形”，不利于側(cè)阻力的發(fā)揮，故2樁此段側(cè)阻力自始至終發(fā)揮較小，而2樁樁徑曲線變化趨勢不同，也造成了兩樁此段側(cè)阻力值的差異。

4.2 樁頂荷載的分擔(dān)

圖7表示兩試樁樁頂荷載的分擔(dān)比例。

圖7 各試樁樁頂荷載的分擔(dān)比例

樁頂荷載主要由樁端阻力與樁側(cè)摩阻力共同分擔(dān)，由于場地上層為厚達(dá)9.3m的砂巖厚填土層，設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)以砂巖層作為持力層，樁頂荷載主要依靠樁端端承力來分擔(dān)，但是從圖7可以看出，1#樁樁頂荷載達(dá)到極限承載力之前，樁端阻力只達(dá)到樁頂荷載的25%～38%，達(dá)到極限承載力3516kN時(shí)，僅為38%；而2#樁樁頂荷載達(dá)到極限承載力之前，樁端阻力只達(dá)到樁頂荷載的10%～20%，達(dá)到極限承載力4400kN時(shí)，僅為20%?？梢妼?duì)于強(qiáng)夯處理的砂巖厚填土區(qū)的嵌巖樁，由于其孔徑變化較大，樁側(cè)阻力的貢獻(xiàn)相當(dāng)可觀，使得樁側(cè)阻力占樁頂荷載的比例一般大于60%，并且對(duì)于相同場地的樁徑變化不同的樁，其樁頂荷載的分擔(dān)也有較大差異?？梢?，沖孔嵌巖灌注樁和鉆孔嵌巖灌注樁一樣，可按端承摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)砂巖厚填土區(qū)的2根豎向抗壓試驗(yàn)樁樁身內(nèi)力試驗(yàn)，分析了在樁端附近采用后壓漿處理的沖孔嵌砂巖灌注樁在豎向荷載作用下的工作性狀，獲得以下結(jié)論：

①沿海砂巖厚填土強(qiáng)夯場地內(nèi)回填土層成分復(fù)雜、粒徑差異大，沖孔灌注樁采用泥漿護(hù)壁效果不理想，易造成樁孔形態(tài)多變，建議加強(qiáng)成孔質(zhì)量控制；

②砂巖厚填土區(qū)后壓漿沖孔嵌巖灌注樁靜載試驗(yàn)Q-s曲線特征為緩變型，其極限承載力的確定以位移控制；

③樁徑多變使得樁身軸力與樁側(cè)摩阻力分布不規(guī)則，下部擴(kuò)徑處端阻力先于上部規(guī)整樁段側(cè)摩阻力發(fā)揮，相同地層條件的單樁極限承載力差距能達(dá)到25%，建議在進(jìn)行工程樁設(shè)計(jì)中引起足夠重視；

④砂巖厚回填土呈欠固結(jié)狀態(tài)，在上部擴(kuò)徑端下斜面的壓力與自身重力共同作用下，土體產(chǎn)生壓縮與沉降，而樁下部支承于堅(jiān)硬的砂巖上，樁的位移小于土體的沉降，從而在樁端附近產(chǎn)生負(fù)阻力，因此在進(jìn)行此類嵌巖樁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮樁端負(fù)阻力的影響；

⑤從樁頂荷載的分擔(dān)看出，強(qiáng)夯處理砂巖厚填土場地嵌砂巖樁在達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)阻力占樁頂荷載的比例一般大于60%，而樁端阻力占樁頂荷載的比例一般小于40%，樁側(cè)阻力的貢獻(xiàn)相當(dāng)可觀，在以后工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。