后注漿技術(shù)在提高鉆孔灌注樁單樁承載力的應(yīng)用分析

劉冬冬 （安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，安徽 合肥 230041）

0 引言

后注漿技術(shù)在工程上作用效果顯著、經(jīng)濟(jì)效益好，近些年廣泛應(yīng)用于地上墻面、地下連續(xù)墻體、各類型的灌注樁等建筑工程，特別是灌注樁后注漿技術(shù)能夠顯著提高基樁承載能力，在基樁施工時(shí)得到廣泛應(yīng)用。灌注樁后注漿技術(shù)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，通過漿體的劈裂和滲透作用使樁端、樁側(cè)土體得到加固，在樁端和樁側(cè)分別產(chǎn)生“擴(kuò)底”和“擴(kuò)徑”效應(yīng)，從而提高單樁承載力，減小沉降。因?yàn)樵摷夹g(shù)在不同地區(qū)、不同土層作用效果差別較大，砂石層滲透效果明顯好于粘土層，現(xiàn)場注漿參數(shù)選擇、施工條件、工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)等因素也十分關(guān)鍵，所以在施工前技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)行充分的研究和試驗(yàn)，測試其實(shí)際效果。

本文以合肥市某一大型商業(yè)廣場項(xiàng)目為案例。該項(xiàng)目在前期場地試驗(yàn)樁施工前，分別設(shè)計(jì)了兩種參數(shù)的機(jī)械鉆孔灌注樁樁型，由于靜載試驗(yàn)得出的承載力未達(dá)到預(yù)期要求，各方在分析原因后決定選擇一種樁型參數(shù)在附近區(qū)域再次施工試驗(yàn)樁并采用后注漿技術(shù)，最后通過靜載試驗(yàn)和樁身內(nèi)力測試得出了后注漿能明顯提高承載力的結(jié)論。

1 工程概況

某一大型商業(yè)廣場項(xiàng)目位于合肥市濱湖新區(qū)?？傆玫孛娣e31872.45m2，總建筑面積約236925.00m2。各主要擬建建筑物特征見表1。

表1 主要擬建建筑物特征一覽表

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

擬建場地現(xiàn)狀經(jīng)過平整后，地形總體呈四周高中間低，中間為已開挖的深基坑（含堆土及多種建筑垃圾）。根據(jù)野外鉆孔揭露、原位測試及取樣進(jìn)行的土工試驗(yàn)成果資料，本次勘探所達(dá)深度范圍內(nèi)的地層分布情況依次為以下六種。①層雜填土，雜色，層厚0.50～6.80m，松散～稍密，稍濕，含多種建筑垃圾，以粘性土為主，層底局部夾灰黑色淤泥質(zhì)土薄層。②層粘土，灰黃色、黃褐色，層厚6.90～17.90m，硬塑狀態(tài)，局部堅(jiān)硬，含灰白色粘土團(tuán)塊，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，無搖振反應(yīng)，光澤反應(yīng)有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。飽和度Sr 平均值為93.3%，樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=84kPa。③層粉質(zhì)粘土，淺黃色，層厚1.70m～12.10m，硬塑狀態(tài)，無搖振反應(yīng)，光澤反應(yīng)稍有光澤，干強(qiáng)度高，韌性中等，含鐵錳質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)侵染，局部含少量粉土、粉砂。飽和度Sr 平均值為90.6%，樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=65kPa。④層細(xì)砂與粉質(zhì)粘土互層，灰黃色、淺黃色，層厚1.10～16.60m，細(xì)砂，灰黃色，中密～密實(shí)狀態(tài)，搖振反應(yīng)中等。粉質(zhì)粘土，淺黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，無搖振反應(yīng)，光澤反應(yīng)稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。含粗砂及少量粉土，輕微膠結(jié)。樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=65kPa。⑤層強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，褐紅色，層厚3.00～5.40m，結(jié)構(gòu)密實(shí)、呈碎塊狀。樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=140kPa。⑥層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，褐紅色，該層未揭穿，最大揭露厚度為12.10m，組成礦物為長石、石英等，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，易軟化，巖石堅(jiān)硬程度為極軟巖，碎屑結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，完整程度屬較完整，巖體基本質(zhì)量等級為V 級[5-6]。該層在本次勘察深度范圍內(nèi)未揭露洞穴、臨空面、破碎巖體。樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=200kPa，樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=4500 kPa[7]。

根據(jù)勘察資料，該場地地下水類型可分為兩類，即上層滯水，賦存于①層雜填土中，水量與大氣降水、地表水聯(lián)系密切，水量??；承壓水，賦存于④層細(xì)砂與粉質(zhì)粘土互層、⑤層強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖及⑥層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中，勘察期間水量較豐富。

3 樁型選擇及前期靜載試驗(yàn)情況

該大型商業(yè)廣場項(xiàng)目5#辦公樓是一棟42 層地上高173.2m 的超高層建筑，框筒結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)荷載大?？紤]合肥市內(nèi)機(jī)械鉆孔灌注樁在同等地層條件下施工經(jīng)驗(yàn)豐富且場地地基土較均勻，無孤石，易于該樁型的施工。前期共施工6 根機(jī)械鉆孔灌注樁作為試驗(yàn)樁，其中樁號S1#、S4#和S6#屬于樁型SZHa，樁號S2#、S3#和S5#屬于樁型SZHb，試驗(yàn)樁均位于2-2 剖面，鉆孔ZK4 和ZK5 附近，樁頂和地表齊平，試驗(yàn)樁參數(shù)詳見表2，地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

表2 試驗(yàn)樁參數(shù)

設(shè)計(jì)樁型為泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁長42.0m，屬于長樁，側(cè)阻和端阻能否充分發(fā)揮至關(guān)重要。在6 根試驗(yàn)樁鉆孔清孔完畢以及孔中泥漿內(nèi)氣泡基本消散后，利用超聲成孔質(zhì)量檢測儀檢測成孔質(zhì)量[8]。下放探頭過程中按設(shè)置的步距等速測試并記錄相互垂直的二個(gè)剖面數(shù)據(jù)，探頭上的發(fā)射換能器自動(dòng)發(fā)射超聲信號，接收換能器接收經(jīng)孔壁反射的信號，反射信號到達(dá)時(shí)間反映孔徑大小，信號強(qiáng)度反映孔壁的特性。6 根試驗(yàn)樁成孔質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)要求。以S1#試驗(yàn)樁為例，成孔中心最大偏離值150mm＜500mm，垂直度為0.36%＜1.00%，孔徑≥1100mm，其孔形超聲波測試圖見圖2。

圖2 S1#試驗(yàn)樁孔形超聲波測試圖

試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，試驗(yàn)按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）4.1 中的各條款進(jìn)行，結(jié)果見圖3、圖4和表3。

圖3 SZHa型試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)Q-s曲線、s-lgt曲線（極限承載力：24000kN）

圖4 SZHb型試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)Q-s曲線、s-lgt曲線（極限承載力：16800kN）

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，6 根試驗(yàn)樁中有4 根試驗(yàn)樁極限承載力未滿足設(shè)計(jì)要求。其中S1#、S4#和S5#試驗(yàn)樁Q-s曲線為緩變形，樁頂最大沉降量很大但未出現(xiàn)陡降，從s-lgt 曲線上看，各級荷載對應(yīng)的時(shí)程曲線均較平坦，未見明顯下彎，逐級加載過程中各級沉降達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間逐步增加。在試驗(yàn)樁加載過程中，樁身側(cè)阻力逐步增大但未充分發(fā)揮，端阻力發(fā)揮的較少，最終導(dǎo)致單樁承載力偏低。S6#試驗(yàn)樁Q-s 曲線在最大荷載加載至16800kN 后樁頂最大沉降量很大且出現(xiàn)陡降。從s-lgt曲線上看，該級荷載對應(yīng)的時(shí)程曲線已出現(xiàn)明顯下彎，之前各級荷載對應(yīng)的時(shí)程曲線均較平坦，逐漸加載過程中各級沉降達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間逐步增加，樁身側(cè)阻力發(fā)揮過程中相對位移量較大且未充分發(fā)揮，同時(shí)樁端沉渣量較大導(dǎo)致端阻力基本沒有發(fā)揮。

4 SZHb試驗(yàn)樁再次進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)情況

設(shè)計(jì)單位結(jié)合試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)結(jié)果，決定對樁型為SZHb的3根試驗(yàn)樁再次進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。由于前期試驗(yàn)后樁身側(cè)阻發(fā)揮需要的相對位移已基本完成，同時(shí)樁端阻力發(fā)揮不充分，設(shè)計(jì)單位決定把單樁豎向抗壓極限承載力由16800kN 提高至21000kN。試驗(yàn)結(jié)果見圖5和表4。

圖5 SZHb型試驗(yàn)樁再次進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)Q-s曲線、s-lgt曲線（極限承載力：21000kN）

表4 SZHb型試驗(yàn)樁再次進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)匯總表

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大試驗(yàn)荷載加大后，試驗(yàn)樁極限承載力仍然能夠滿足設(shè)計(jì)要求。3 根試驗(yàn)樁Q-s 曲線均為緩變形，樁頂最大沉降量較大但未出現(xiàn)陡降，從s-lgt 曲線上看，各級荷載對應(yīng)的時(shí)程曲線均較平坦，未見明顯下彎，逐級加載過程中各級沉降較前期達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間有所減少。在試驗(yàn)樁加載過程中，樁身和樁端阻力均較充分發(fā)揮，樁頂最大沉降量接近緩變型曲線S=0.05D的標(biāo)記值（55mm），表明試驗(yàn)最大荷載已經(jīng)接近極限承載力。

5 SZHa的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和樁身應(yīng)力測試

采用后注漿技術(shù)再次施工一組樁型為SZHa 的試驗(yàn)樁并進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和樁身應(yīng)力測試。端承摩擦樁在豎向受壓荷載作用下，樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力承擔(dān)，且樁側(cè)和樁端的發(fā)揮是不同步的，二者的發(fā)揮過程反映了樁土體系荷載的傳遞過程。在初始受荷階段，樁頂位移小，荷載由樁上側(cè)表面的土阻力承擔(dān)，以剪應(yīng)力形式傳遞給樁周土體，樁身應(yīng)力和應(yīng)變隨深度遞減。隨著荷載的增大，樁頂位移加大，樁側(cè)摩阻力由上至下逐步發(fā)揮出來，端阻力也開始發(fā)揮，在側(cè)阻力接近極限值后，繼續(xù)增加的荷載則全部由樁端土阻力承擔(dān)。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長速度加大，在樁端阻力達(dá)到極限值后，位移迅速增大而破壞，此時(shí)樁所承受的荷載為樁的極限承載力[9]。

從樁的承載機(jī)理看，樁土間的相對位移是側(cè)摩阻力發(fā)揮的必要條件。本工程使用泥漿護(hù)壁鉆孔樁，為非擠土樁，成孔時(shí)樁因孔壁側(cè)向應(yīng)力解除而出現(xiàn)應(yīng)力松弛等問題，導(dǎo)致側(cè)摩阻力發(fā)揮需要的相對位移較大，同時(shí)該工藝或多或少存在樁底沉渣，這直接影響樁頂最大位移量[10]。

該工程設(shè)計(jì)使用的泥漿護(hù)壁鉆孔樁為超長樁且樁端沉渣難以控制，樁側(cè)和樁端承載力充分發(fā)揮需要的位移量很大，在不增加基樁數(shù)量的情況下，設(shè)計(jì)單位決定采用樁側(cè)和樁端后注漿技術(shù)來減少基樁總沉降量、提高基樁承載力。后注漿主要參數(shù)：注漿作業(yè)于成樁3 天后且樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后進(jìn)行，樁內(nèi)均勻布置三根公稱直徑為25mm、壁厚為3.25mm 的鋼管注漿管與鋼筋籠加勁筋焊接固定，注漿器采用單向閥式注漿器，分別在距樁頂11m、17m、23m、30m 處設(shè)置樁側(cè)注漿閥，注漿管管底位于樁底以下20～50cm，預(yù)估單樁注漿量Gc=αp×d+αs×n×d=1.5×1.1+0.5×4×1.1=3.85t。注漿采用P42.5 新鮮普通硅酸鹽水泥，考慮樁側(cè)為非飽和土層，漿液水灰比0.7～0.9，樁端注漿終止標(biāo)準(zhǔn)以注漿量控制為主，注漿壓力控制在3～10MPa。注漿保持低速慢注，注漿流量不超過75L/min，先樁端后樁側(cè)，樁側(cè)注漿先上后下，樁端樁側(cè)注漿間隔時(shí)間不少于2h。

施工單位再次施工一組樁型為SZHa 的試驗(yàn)樁，采用后注漿工藝，樁號分別為S7#、S8#和S9#，設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓極限承載力由24000kN 提高至26000kN，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖6。

圖6 SZHa型后注漿試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)Q-S曲線、S-lgt曲線（極限承載力：26000kN）

表5 SZHa型后注漿試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)匯總表

按建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位要求，在對3 根試驗(yàn)樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行樁身內(nèi)力測試。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）附錄A（樁身內(nèi)力測試）的有關(guān)規(guī)定和地質(zhì)勘察報(bào)告以及施工記錄相關(guān)資料，鋼筋籠焊接完成后，分別在距樁頂深度1.50m、13.00m、17.00m、30.00m、36.00m 和41.00m 共6 個(gè)剖面安裝傳感器，每個(gè)剖面對稱安裝3 個(gè)FY-GJ16 型振弦式鋼筋測力計(jì)，采用1 臺JDZX-2振弦式測讀儀與傳感器延伸至地表的連線進(jìn)行連接，在單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)每級荷載施加后的第5min、60min 及該級荷載穩(wěn)定后各測讀一次測力計(jì)的頻率值，通過公式計(jì)算傳感器測試截面的軸向力，進(jìn)而計(jì)算出每段樁側(cè)土阻力，最后一個(gè)量測斷面的軸力即為樁端支承力。樁身內(nèi)力測試結(jié)果見圖7～圖12。

圖7 S7#試驗(yàn)樁各級荷載下樁身軸力沿深度分布線

圖8 S7#試驗(yàn)樁各級荷載下樁側(cè)摩阻力分布圖

圖9 S8#試驗(yàn)樁各級荷載下樁身軸力沿深度分布線

圖10 S8#試驗(yàn)樁各級荷載下樁側(cè)摩阻力分布圖

圖11 S9#試驗(yàn)樁各級荷載下樁身軸力沿深度分布線

圖12 S9#試驗(yàn)樁各級荷載下樁側(cè)摩阻力分布圖

從單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3根試驗(yàn)樁Q-S 曲線均為緩變形，樁頂最大沉降量較大但未出現(xiàn)陡降。從S-lgt曲線上看，各級荷載對應(yīng)的時(shí)程曲線均較平坦，未見明顯下彎。從各級荷載作用下樁身軸力分布圖可以看出，樁頂受豎向荷載后，樁身壓縮而產(chǎn)生向下位移，樁側(cè)產(chǎn)生向上的摩阻力，樁頂荷載通過發(fā)揮出來的摩阻力傳遞到樁周土層中去，從而使樁身軸力隨深度遞減，且荷載的傳遞深度也逐漸加深。遞減速率反映樁身周邊土體摩阻力發(fā)揮的情況，在0～30m 間樁身軸力遞減迅速，表明30m以上樁側(cè)阻力發(fā)揮較充分，其下樁身軸力遞減速率逐漸減小，在荷載達(dá)到13000kN 后30m 以下土層樁身軸力遞減速率較大，說明此時(shí)30m 以下土層樁側(cè)阻力發(fā)揮較為充分。從各級荷載下樁側(cè)摩阻力分布圖可以看出，隨著樁頂荷載逐漸施加，樁側(cè)阻力從上至下逐步發(fā)揮，后期樁端阻力開始發(fā)揮，在最大加載至26000kN 后，樁側(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮均較為充分，且相比勘察報(bào)告提供的預(yù)估值有一定幅度提高。通過以上分析，3 根后注漿的試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓承載力均不小于26000kN，還有部分余量，滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論

在合肥地區(qū)泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工較為普遍，本案例中鉆孔灌注樁為較長樁，樁側(cè)阻力占比較大，樁側(cè)阻力發(fā)揮需要的相對位移較多，同時(shí)樁端因?yàn)槌蓸豆に囈蛩卮嬖谥蚨嗷蛏俪稍?，其單樁豎向抗壓承載力往往不能充分發(fā)揮。由于本地區(qū)土層較為簡單，粉質(zhì)粘土中含有粉土、粉砂、細(xì)砂，樁端為風(fēng)化巖，在成樁后進(jìn)行高壓注漿，漿液通過滲入、劈裂、填充、擠密等作用與樁體周圍土體結(jié)合，固化樁底沉渣和樁側(cè)泥皮，可以有效減少樁土相對位移，顯著提高樁側(cè)、樁端阻力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

后注漿技術(shù)在灌注樁施工中得到廣泛使用，不過各地區(qū)土層差異巨大，該樁型設(shè)計(jì)情況、施工技術(shù)水平參差不齊，同時(shí)后注漿參數(shù)選定也相當(dāng)重要，這就要求施工前工程人員務(wù)必進(jìn)行充分調(diào)查，注重施工過程和試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過論證后方可采用。