旋挖灌注樁樁底沉渣缺陷處理后受力性能分析

陳 秀 輝

(1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350025； 2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350025)

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和樁基礎(chǔ)施工技術(shù)水平的不斷提升，旋挖成孔灌注樁相較于傳統(tǒng)的沖、鉆孔灌注樁以其成孔速度快、工作效率高、低噪聲、低污染、適用地層廣泛等優(yōu)點(diǎn)，目前在各類工程建設(shè)項(xiàng)目中被廣泛使用。但實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)由于旋挖成孔清渣不完全、成孔速度過快、后注漿堵管、后注漿壓力不足等原因，往往造成樁底沉渣過厚。近些年，國內(nèi)許多專家學(xué)者運(yùn)用各種現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段，分析了不同情況下沉渣對基樁承載力的影響[1-5]；而宋林輝等[6]、梅國雄等[7]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，得出沉渣壓實(shí)后群樁的承載力可以恢復(fù)至正常值，而帶承臺的摩擦型樁基礎(chǔ)中的沉渣對承載力影響較?。晃涑绺５萚8]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)研究注漿對旋挖灌注樁的影響，得出樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿效果最好，其次為樁端注漿，最后為樁側(cè)注漿；熊玉春[9]通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了樁底沉渣對樁側(cè)阻力具有強(qiáng)化弱化效應(yīng)，沉渣較厚或持力層強(qiáng)度較低側(cè)摩阻力往往產(chǎn)生弱化效應(yīng)，沉渣較少或持力層強(qiáng)度較高時(shí)側(cè)摩阻力又往往產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。

沉渣的存在，對灌注樁承載性能有較大影響，會使得單樁承載力下降，樁頂沉降明顯，因此樁底沉渣對灌注樁力學(xué)性能的影響顯得尤為重要，而工程中遇到的多數(shù)沉渣問題都是通過洗孔注漿法進(jìn)行處理[10-12]，也取得了不錯(cuò)的效果，然而實(shí)際處理過程中由于沉渣的厚度不同、處理后的沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度的差異對基樁承力的影響的大小，此類研究依舊很少，需要進(jìn)一步的研究和完善。

1 工程及地質(zhì)概況

福建南平地區(qū)某房建項(xiàng)目，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用旋挖鉆孔灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度為C40，有800 mm、1 000 mm、1 200 mm三種樁徑，持力層為中風(fēng)化砂巖，樁端進(jìn)入持力層大于1 m，樁長均為10 m左右的短樁。為了提高基樁承載力，降低樁頂沉降，樁基礎(chǔ)配合使用樁端后注漿工藝，對樁端土體進(jìn)行加固，單樁豎向抗壓承載力特征值根據(jù)樁徑不同分別為4 300 kN、6 800 kN、9 600 kN三種。地層從上到下依次為：雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖，場地地層及其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 現(xiàn)場檢測

施工結(jié)束后對旋挖成孔灌注樁進(jìn)行低應(yīng)變、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)等樁基檢測，發(fā)現(xiàn)部分嵌巖樁低應(yīng)變曲線異常，如圖1所示的511#樁樁底時(shí)域反射信號呈單一反射波且與錘擊脈沖信號同向，該工程同樣混凝土強(qiáng)度下低應(yīng)變波速為3 800 m/s左右，而511#樁低應(yīng)變波速只有3 474 m/s遠(yuǎn)小于正常值，推測此類樁底沉渣較厚，建議對此類樁采用鉆孔取芯法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 511#樁低應(yīng)變時(shí)域曲線

圖2為511#樁鉆孔取芯驗(yàn)證結(jié)果，從圖中可以看出樁身連續(xù)完整，持力層為完整的中風(fēng)化砂巖，但樁底有明顯沉渣且厚度達(dá)17 cm，超規(guī)范要求的5 cm。針對此類情況進(jìn)行擴(kuò)大檢測，使用低應(yīng)變、聲波透射法等進(jìn)行了全面普查，結(jié)果顯示異常樁達(dá)總樁數(shù)34.8%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證異常樁的樁端性狀及為后續(xù)的沉渣處理做準(zhǔn)備，對異常樁均進(jìn)行了鉆孔取芯試驗(yàn)，取芯結(jié)果表明87.5%的異常樁存在沉渣過厚或樁底未達(dá)持力層等情況。通過以上現(xiàn)場試驗(yàn)綜合運(yùn)用準(zhǔn)確排查出了樁底沉渣過厚的基樁為后續(xù)沉渣的處理提供了依據(jù)與條件。

圖2 511#樁鉆孔取芯驗(yàn)證結(jié)果

3 沉渣處理

經(jīng)過探討研究后，決定使用二重管高壓洗孔注漿方案對沉渣進(jìn)行處理。其施工工藝大致為：對于沉渣過厚且需要處理的樁，在原有取芯孔的基礎(chǔ)上再加鉆一個(gè)孔，高壓洗孔時(shí)一個(gè)作為進(jìn)水孔一個(gè)作為出水孔，兩孔均應(yīng)進(jìn)入中風(fēng)化砂巖不少于1 m。洗孔時(shí)對樁端缺陷段進(jìn)行重復(fù)高壓空氣、高壓水反復(fù)噴洗，做到盡可能的清除樁端與持力層間的沉渣顆粒，高壓洗孔的氣壓不應(yīng)低于0.7 MPa，水壓最好大于30 MPa，當(dāng)孔口上返為清水時(shí)即可結(jié)束洗孔。然后對兩個(gè)取芯孔埋設(shè)2根DN15注漿花管，花管底部及側(cè)面開孔，待孔口封閉后即可開始高壓注漿，注漿壓力至少2.5 MPa，最終滿足設(shè)計(jì)要求即可終止注漿。

二重管高壓洗孔注漿處理后為了驗(yàn)證處理后樁基礎(chǔ)質(zhì)量，對處理后的樁基礎(chǔ)全數(shù)進(jìn)行了低應(yīng)變復(fù)檢，并對部分樁基礎(chǔ)進(jìn)行鉆孔取芯抽檢及靜載試驗(yàn)驗(yàn)證。從圖3—圖6沉渣處理前后244#、517#、519#樁的低應(yīng)變及鉆孔取芯試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過二重管高壓洗孔注漿處理后的效果明顯更好。低應(yīng)變復(fù)檢發(fā)現(xiàn)很多異常樁樁底已經(jīng)沒有明顯同向反射，而呈現(xiàn)樁底更好的反向反射；鉆孔取芯驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)處理后樁底沉渣均被混凝土所置換，244#樁膠結(jié)完好，517#、519#樁上下形成明顯二次膠結(jié)面，對比可知樁底缺陷越大的注漿效果越完整，缺陷小的完整性略差。

圖3 244#、517#、519#樁處理前后低應(yīng)變對比圖

通過截取沉渣置換區(qū)域的芯樣到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行芯樣抗壓試驗(yàn)，從表2的沉渣置換區(qū)域芯樣抗壓結(jié)果看出沉渣最厚的244#樁芯樣抗壓強(qiáng)度達(dá)43.2 MPa與樁身強(qiáng)度相符，沉渣最小的519#僅有10.1 MPa與設(shè)計(jì)樁身強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn)。沉渣越厚處理后芯樣抗壓強(qiáng)度越高，表明由于樁底的空間大小對于高壓洗孔及后續(xù)的高壓注漿有很大影響，尤其是狹小的空間不利于高壓水流洗孔，并影響了高壓注漿后的強(qiáng)度。

圖4 244#樁鉆孔取芯前后對比圖

圖5 517#樁鉆孔取芯前后對比圖

圖6 519#樁鉆孔取芯前后對比圖

最終通過靜載及高應(yīng)變試驗(yàn)驗(yàn)證了處理后基樁承載力情況，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，所以通過各種樁基檢測試驗(yàn)綜合分析、相互驗(yàn)證得出二重管高壓洗孔注漿處理后的成樁效果良好。但是，由于樁底沉渣厚度差異、地層的差異及沉渣成分的不同，往往導(dǎo)致處理效果差異很大，表現(xiàn)在芯樣抗壓強(qiáng)度差異明顯，而對于依靠端阻力承受荷載的短樁，沉渣處理的好壞直接影響了樁的受力性能，所以為了探究沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度差異、厚度差異、樁底擴(kuò)大頭的差異對基樁受力性能影響有多大，我們通過數(shù)值模擬做了進(jìn)一步的研究。

表2 244#、517#、519#樁沉渣置換區(qū)域芯樣抗壓結(jié)果

4 數(shù)值模擬

4.1 參數(shù)選取

以沉渣處理后517#樁為例開展研究，圖7為517#樁有限元的模型裝配圖，根據(jù)模型和變形受力特點(diǎn)建立以樁中心為對稱軸的三維軸對稱模型。樁長9.3 m，沉渣厚度0.2 m，樁徑1.2 m；土體深度取樁長2倍(19.0 m)，土體為樁半徑30倍(18.0 m)的半圓柱，成樁后對樁頂施加豎向力以模擬單樁豎向靜載試驗(yàn)。

圖7 模型裝配圖

模型中灌注樁簡化成剛體模型，土體及沉渣采用的是Mohr-Coulomb模型?；炷翉椥阅Ａ扛鶕?jù)規(guī)范[13]選取，土體彈性模量根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場試驗(yàn)情況適當(dāng)選取，517#樁地層分布從上到下依次為：全風(fēng)化砂巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。樁與土接觸面設(shè)置面與面的接觸類型，切向方向采用罰函數(shù)接觸并根據(jù)不同土層設(shè)置摩擦系數(shù)，法向方向采用“硬”接觸，保證接觸面的應(yīng)力傳遞，模型中具體物理力學(xué)參數(shù)取值見表3。

表3 樁、土及沉渣置換區(qū)域物理力學(xué)參數(shù)取值

4.2 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比

圖8中給出了沉渣處理后517#樁靜載實(shí)測值與模擬值的Q-S曲線，從圖上可以看出兩者的沉降在前半部分荷載下基本重合，變形趨勢基本一致，隨著荷載的增加模擬樁頂沉降量略大于現(xiàn)場實(shí)測值?，F(xiàn)場實(shí)測加載至11 520 kN時(shí)位移小幅走大后又趨于平緩，應(yīng)該是沉渣置換區(qū)域由于荷載增大破壞了沉渣置換區(qū)域水泥的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，而由于沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度高、剛度大，重新壓實(shí)后位移變小。數(shù)值模擬得出的累計(jì)沉降量為54.73 mm，現(xiàn)場試驗(yàn)累計(jì)沉降量為45.83 mm，根據(jù)規(guī)范[14]兩者均能滿足設(shè)計(jì)的19 200 kN極限承載力要求，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4.3 沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度差異對承載力影響

鉆孔取芯后的沉渣置換區(qū)域芯樣抗壓差異很大，理論上若沉渣置換區(qū)域彈性模量不小于持力層，基樁的承載力應(yīng)該均能滿足設(shè)計(jì)值，但是體現(xiàn)在沉降上的差異有多大不得而知。所以在原模型的基礎(chǔ)上只改變沉渣置換區(qū)域彈性模量來研究此類差異對基樁承載力的影響，設(shè)置方式見表4。

圖8 靜載實(shí)測值與模擬值Q-S曲線對比

表4 不同工況下對應(yīng)彈性模量

圖9中可以看出，沉渣置換區(qū)域隨著強(qiáng)度的減小E1-E3沉降曲線基本重合，E4、E5沉降曲線接近且大于前三條，這與對應(yīng)彈性模量設(shè)置密切相關(guān)，雖然E4、E5彈性模量明顯小于前三者，但是引起的沉降并沒有明顯差異，尤其是E5當(dāng)強(qiáng)度降到持力層的60%后對沉降的影響仍然有限，所以沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度應(yīng)該是存在某一閾值，當(dāng)強(qiáng)度到達(dá)某一閾值后再提高強(qiáng)度對樁的性能提高并不明顯。

圖9 彈性模量差異下荷載-沉降關(guān)系曲線

4.4 沉渣置換區(qū)域厚度對承載力影響

由于實(shí)際工程中沉渣厚度差異很大，為了對比沉渣厚度對承載力的影響，在強(qiáng)度差異的基礎(chǔ)上增加了30 cm、50 cm沉渣工況下對基樁承載力的影響進(jìn)行對比研究。

圖10可以看出當(dāng)沉渣置換區(qū)域厚度達(dá)到30 cm時(shí)，沉降的差異逐漸體現(xiàn)，隨著彈性模量的降低沉降量逐漸增大，但增幅有限最大的沉降也未超過60.00 mm。圖11當(dāng)厚度達(dá)到50 cm時(shí)，彈性模量降低引起的沉降就更加明顯，尤其是E4、E5最大沉降均超過60.00 mm，但是數(shù)據(jù)上的增幅并不明顯。所以當(dāng)沉渣厚度增大且沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度減小時(shí)雖然會引起沉降的增大，端承受力短樁只要持力層強(qiáng)度不低，且沉渣置換區(qū)域有足夠強(qiáng)度不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，就不至于引起影響承載力明顯沉降的情況。

圖10 30 cm厚彈性模量差異下荷載-沉降關(guān)系曲線

圖11 50 cm厚彈性模量差異下荷載-沉降關(guān)系曲線

4.5 沉渣置換區(qū)域擴(kuò)大頭對承載力影響

二重管高壓洗孔注漿處理通過長時(shí)間高壓洗孔及高壓注漿，不僅僅置換了樁底沉渣，也能進(jìn)一步對樁底高壓范圍進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，為了模擬這一工況，我們對沉渣置換區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)大，即在原有模型基礎(chǔ)上對沉渣置換區(qū)域直徑進(jìn)行擴(kuò)大處理，模型樁樁徑1.2 m，設(shè)置了1.2 m、1.6 m、2.0 m三種擴(kuò)大頭。有學(xué)者研究得出當(dāng)沉渣厚度大于30 cm時(shí)，樁端阻力降低幅度明顯[15]，故統(tǒng)一設(shè)置沉渣置換區(qū)域厚度30 cm進(jìn)行對比研究。

圖12 不同擴(kuò)大頭影響下荷載-沉降關(guān)系曲線

圖12可以看出，擴(kuò)大頭的增大對沉降的影響非常明顯，1.6 m的擴(kuò)大頭沉降相較于1.2 m減小了10%，2.0 m的擴(kuò)大頭沉降相較于1.2 m的減小了28%。而1.6 m的擴(kuò)大頭在最后一級加載中沉降速率明顯增大，應(yīng)該是擴(kuò)大頭部分在受壓過程中因結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生剛度弱化[9]而地下有限空間的三相土壓力使得結(jié)構(gòu)破壞經(jīng)充分壓實(shí)后又產(chǎn)生剛度強(qiáng)化，不至于發(fā)生明顯沉降。這也就很好的解釋了為何現(xiàn)場實(shí)測沉渣處理后的517#樁靜載沉降數(shù)據(jù)比模擬沉降小。故二重管高壓洗孔注漿不僅對沉渣區(qū)域進(jìn)行了置換，還能對持力層及周邊土體進(jìn)行加固，并擴(kuò)大了樁端受力區(qū)域。

5 結(jié) 論

(1) 不同的樁基檢測方式綜合運(yùn)用，不僅可以很好的發(fā)現(xiàn)端承旋挖樁的樁底缺陷，還可以有效的驗(yàn)證沉渣處理后的效果，尤其對短樁的檢測試驗(yàn)效果尤其明顯。

(2) 使用二重管高壓洗孔注漿可以對沉渣進(jìn)行很好的處理，通過試驗(yàn)對比沉渣厚的樁沉渣置換區(qū)域完整性及強(qiáng)度都要好于沉渣少的。

(3) 通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)沉渣置換區(qū)域厚度越大受力引起沉降越大，沉渣置換區(qū)域強(qiáng)度應(yīng)該是存在某一閾值，當(dāng)強(qiáng)度到達(dá)某一閾值后再提高強(qiáng)度對樁的承載力性能提高并不明顯，而高壓注漿引起的樁端持力層及樁周土體強(qiáng)度增強(qiáng)，樁端受力區(qū)擴(kuò)大等對樁的承載力增強(qiáng)明顯。