基于軟土地區(qū)超長(zhǎng)鉆孔灌注樁試驗(yàn)研究

孫仁福

文章編號(hào)：2095-6835（2016）13-0100-02

摘 要：以軟土地區(qū)為研究對(duì)象，利用靜荷載試驗(yàn)、軸力試驗(yàn)分析了該地區(qū)超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的荷載及承載性狀。試驗(yàn)研究顯示，軟土地區(qū)常采用樁端后注漿工藝，同時(shí)其超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的荷載主要為樁側(cè)摩阻力。另外，樁端阻力在注漿過(guò)程中也扮演著重要的角色。在全面考慮上述因素的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮樁的承載性能。

關(guān)鍵詞：軟土地區(qū)；超長(zhǎng)鉆孔灌注樁；靜荷載試驗(yàn)；樁側(cè)摩阻力

中圖分類號(hào)：U445.55+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.100

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種建設(shè)工程項(xiàng)目規(guī)模不斷擴(kuò)大。在高層建筑、橋梁建設(shè)等方面，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁均有著廣泛的應(yīng)用，其最為特殊的優(yōu)點(diǎn)便是具有較高的承載能力。但由工程實(shí)踐可知，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的優(yōu)勢(shì)在軟土地區(qū)并未充分發(fā)揮。造成此情況的主要原因是工作人員未掌握其荷載傳遞及承載性狀。為了有效解決上述問(wèn)題，我們應(yīng)明確超長(zhǎng)樁承載力的影響因素，即樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。經(jīng)試驗(yàn)研究，掌握二者的作用，以此促進(jìn)此類樁設(shè)計(jì)水平的提高。

1 超長(zhǎng)鉆孔灌注樁及樁端后注漿工藝

1.1 超長(zhǎng)鉆孔灌注樁

在工程建設(shè)過(guò)程中，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁扮演著重要的角色，因其具有較高的承載能力，可滿足不同工程建設(shè)的需求。根據(jù)工程實(shí)踐可知，此類樁的長(zhǎng)度均在50 m以上，并且具有以下特點(diǎn)：①樁頂沉降是由樁身壓縮和樁端沉降構(gòu)成的。由于樁身直徑與其壓縮量呈正相關(guān)，而樁身彈性模量與樁身壓縮量呈負(fù)相關(guān)，因此，為了控制樁頂沉降，此類樁應(yīng)盡量選用直徑較長(zhǎng)的樁身材料。②樁端沉降是因樁端下土體壓縮而出現(xiàn)的，其影響因素主要為樁端荷載。如果工程位于軟土地區(qū)，受連續(xù)性軟土高壓縮性的影響，則會(huì)出現(xiàn)樁側(cè)摩阻力傳遞。此后，樁端附近的土地將會(huì)受到壓縮的影響，進(jìn)而出現(xiàn)樁端沉降。③在軟土地區(qū)應(yīng)用的超長(zhǎng)鉆孔灌注樁基本都為大直徑樁。在此情況下，樁鉆孔施工時(shí)間較長(zhǎng)，成孔難度較大。同時(shí)，孔壁周圍的土體也會(huì)出現(xiàn)不同程度的松弛問(wèn)題，嚴(yán)重情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)孔壁土泡水軟化現(xiàn)象，樁側(cè)摩阻力便會(huì)隨之下降。

1.2 樁端后注漿工藝

樁端后注漿工藝主要是指鉆孔灌注樁成樁后，借助預(yù)埋壓力注漿管將漿液均勻注入到樁端地層。這樣，不僅可以促進(jìn)樁承載力的提高，還可以減少樁基的沉降量。因此，在實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)全面考慮不同的因素，比如漿液性狀、注漿參數(shù)、土層特性，同時(shí)，還要關(guān)注壓力漿液的不同作用，比如填充、滲透、置換、固結(jié)等。

樁端后注漿工藝的優(yōu)點(diǎn)為：①促進(jìn)了各種灌注樁作用的發(fā)揮。②保證了樁承載力的提高，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。與常規(guī)灌注樁相比，前者的承載力提高了2倍左右，成本節(jié)約了50%左右。③解決了灌注樁的相關(guān)問(wèn)題，在先進(jìn)樁端壓力注漿工藝的支持下，樁端虛土組成結(jié)構(gòu)有所改變，從而避免了樁底沉渣問(wèn)題的出現(xiàn)。

樁端后注漿工藝的缺點(diǎn)為：①施工要求較高，在施工過(guò)程中極易出現(xiàn)各種問(wèn)題，比如注漿管堵塞與被包裹、地面冒漿、地下竄漿等。為了提高注漿施工質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格要求各施工程序。②施工周期較長(zhǎng)。壓力注漿對(duì)樁身混凝土強(qiáng)度有一定的要求，在滿足其要求的前提下方可施工，進(jìn)而延長(zhǎng)了施工周期。③施工質(zhì)量影響因素較多，比如在注漿過(guò)程中，會(huì)受到灌注樁成孔及成樁工藝等因素的影響。為了提高施工質(zhì)量，應(yīng)對(duì)上述因素予以關(guān)注。

樁端后注漿工藝具有較廣的適用性，基本任何土層均可使用。在實(shí)際施工過(guò)程中，唯一的要求便是需要具備樁端預(yù)留壓力注漿裝置。

2 試驗(yàn)研究

我國(guó)幅員遼闊，在施工建設(shè)過(guò)程中常見(jiàn)軟土層主要是由黏性土、粉性土和砂性土等構(gòu)成的。在實(shí)際施工時(shí)，受土質(zhì)因素的影響，極易出現(xiàn)流砂問(wèn)題。同時(shí)，土質(zhì)的壓縮性也對(duì)工程有著較大的影響。

本文以某軟土地區(qū)工程的鉆孔灌注樁為研究對(duì)象，其樁長(zhǎng)為55 m，直徑為800 mm。為了促進(jìn)灌注樁豎向承載力的提高，選用了樁端后注漿工藝，并且對(duì)AS2和AS4兩根試驗(yàn)樁開(kāi)展了靜荷載試驗(yàn)和軸力試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)實(shí)施

2.1.1 靜荷載試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)分別于AS2成樁后30 d、AS4樁端注漿后28 d開(kāi)展，選用的試驗(yàn)設(shè)備和儀器包括全自動(dòng)基樁靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)、鋼弦式頻率儀、錨樁反力裝置、千斤頂、位移測(cè)讀裝置等。在加載過(guò)程中，主要是利用錨樁反力裝置實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)其加載分級(jí)與沉降測(cè)讀均要符合相關(guān)的規(guī)范要求。通常情況下，沉降觀測(cè)時(shí)間分別為加載后5 min、15 min、30 min、45 min和60 min。在沉降量穩(wěn)定后，方可再次加載。在卸載過(guò)程中，卸載量為2倍的加載量，時(shí)間間隔為60 min，直至卸載為零。

2.1.2 軸力試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)主要是借助振弦式應(yīng)力計(jì)及樁身變形協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)的，要求應(yīng)力計(jì)上的應(yīng)力和樁身鋼筋上的應(yīng)力一致，同時(shí)前者應(yīng)變與混凝土應(yīng)變應(yīng)相互協(xié)調(diào)。通常情況下，樁身截面軸力可利用應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算。在2個(gè)試驗(yàn)樁成樁過(guò)程中，在樁身預(yù)埋應(yīng)力計(jì)，其常位于樁身主要土層分界面與樁頂附近。其中，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算斷面主要為樁頂附近埋設(shè)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上可以獲得不同荷載條件下樁身的彈性模量，利于減小計(jì)算誤差。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1.1 AS2樁

此樁端未注漿，開(kāi)展試驗(yàn)后，結(jié)果為：荷載在1 900 kN、2 600 kN、3 200 kN、3 900 kN、4 500 kN、5 200 kN、5 900 kN、6 500 kN、7200 kN、7 900 kN、6 500 kN、5 200 kN、3 900 kN、1 900 kN時(shí)，沉降分別為2.54 mm、3.76 mm、5.99 mm、7.09 mm、 8.54 mm、10.04 mm、11.46 mm、12.43 mm、80.87 mm、83.65 mm、80.74 mm、78.97 mm、75.75 mm、73.13 mm，其中，最大沉降量為83.65 mm。同時(shí)，結(jié)合Q-S曲線和S-lgt曲線可知，此樁加載荷載達(dá)到6 500 kN時(shí)，樁頂沉降量為12.43 mm。之后持續(xù)加載，則沉降量大幅度增加，為80.87 mm。此值為最大加載值，表示試驗(yàn)樁已經(jīng)接近破壞狀態(tài)。在7 200 kN時(shí)，沉降量持續(xù)增加；而在7 900 kN時(shí)，沉降量趨于穩(wěn)定。通過(guò)上述分析可知，AS2樁底可能伴有較厚的沉渣與虛土，在壓實(shí)后，此樁的豎向承載力有所恢復(fù)。依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求可知，此試驗(yàn)樁的承載力在6 500 kN左右。

2.2.1.2 AS4樁

此樁端注漿，開(kāi)展試驗(yàn)后，結(jié)果為：荷載在1 700 kN、2 600 kN、3 500 kN、4 500 kN、5 200 kN、6 000 kN、7 200 kN、7 900 kN、8 700 kN、9 600 kN、10 500 kN、8 700 kN、6 000 kN、3 500 kN、1 700 kN時(shí)，沉降分別為0.54 mm、0.96 mm、1.59 mm、2.29 mm、3.04 mm、4.04 mm、5.46 mm、7.43 mm、8.87 mm、10.65 mm、12.74 mm、11.97 mm、10.75 mm、8.13 mm、6.16 mm，其中，最大沉降量為12.74 mm。同時(shí)，結(jié)合Q-S曲線與S-lgt曲線可知，此樁加載荷載達(dá)到10 500 kN時(shí)，沉降值最大為12.74 mm，但其加載尚未達(dá)到極限值。受試驗(yàn)反力的影響未繼續(xù)試驗(yàn)，此后開(kāi)始卸載。因此，此試驗(yàn)樁的承載力應(yīng)該在10 500 kN左右。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析可知，由于AS2樁未采用樁端后注漿工藝，其豎向抗壓極限承載力僅為6 500 kN，而AS4樁在采用后注漿工藝后，其豎向抗壓極限承載力達(dá)到10 500 kN。二者相比，后者承載力明顯提高。此試驗(yàn)結(jié)果顯示，軟土地區(qū)超長(zhǎng)鉆孔灌注樁在樁端處理時(shí)利用注漿工藝促進(jìn)了灌注樁豎向抗壓極限承載力的提高。

2.2.2 軸力試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2.1 AS2樁

通過(guò)對(duì)AS2樁進(jìn)行軸力試驗(yàn)分析可知，在1 900 kN時(shí)，樁端阻力為30 kN，此后增加迅速，樁端阻力作用發(fā)揮得更早。同時(shí)，如果樁端沉渣過(guò)厚或者樁端土性較差，樁側(cè)土的壓縮也會(huì)迅速向下傳遞，并且會(huì)對(duì)中下部樁身產(chǎn)生一定的下拽力，而中下部樁身壓縮，則會(huì)導(dǎo)致樁端阻力過(guò)早出現(xiàn)。在樁頂荷載不斷增大的基礎(chǔ)上，中下部樁身和樁側(cè)土?xí)蜓杆倩贫茐摹Ｔ诖饲闆r下，中下部樁側(cè)摩阻力也會(huì)大幅度降低。此結(jié)果表明，灌注樁如果缺少樁端土，則難以保證樁側(cè)摩阻力。

根據(jù)傳統(tǒng)理論可知，單樁豎向承載力是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力構(gòu)成的。為了保證樁端阻力作用的充分發(fā)揮，要求樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值。根據(jù)靜載荷試驗(yàn)可知，AS2樁的樁側(cè)摩阻力為6 500 kN時(shí)，樁端阻力作用已經(jīng)喪失。對(duì)于軟土地區(qū)超長(zhǎng)樁而言，其最為顯著的特點(diǎn)之一便是樁端阻力和樁側(cè)摩阻力二者相互影響、共同作用。當(dāng)AS2樁荷載持續(xù)增加，達(dá)到6 500 kN時(shí)，樁身中下部樁側(cè)摩阻阻力及樁頂沉降均為最大值。在持續(xù)加載過(guò)程中，樁身和樁側(cè)土因向下拉拽而出現(xiàn)滑移破壞，同時(shí)，中下部樁側(cè)摩阻力也會(huì)迅速減小。在樁端沉渣壓實(shí)后，樁端土阻力將有所恢復(fù)，中下部樁身受樁端阻力的影響也會(huì)持續(xù)壓縮，進(jìn)而使樁側(cè)摩阻力不斷增大。

通過(guò)對(duì)AS2樁的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，其極限阻力主要是指樁側(cè)摩阻力，其中，占較大比例的為樁身中上部樁側(cè)摩阻力。造成此情況的主要原因?yàn)樵摌妒艹猎绊懴鄬?duì)較大，在樁側(cè)摩阻力發(fā)揮作用的過(guò)程中，對(duì)樁土相對(duì)位移有較大的需求。在此情況下，樁身軸力難以實(shí)現(xiàn)有效傳遞。而此時(shí)，樁身中下部受向下拉拽的影響，即便樁頂沉降相對(duì)較大，但樁土相對(duì)位移量較小，因此，制約了樁側(cè)摩阻力作用的發(fā)揮。經(jīng)過(guò)分析可知，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁受較厚沉渣及較差樁端土性等因素的影響，在樁端阻力減小的過(guò)程中，樁側(cè)摩阻力也不斷減小，樁頂沉降逐漸增大。為了促進(jìn)樁側(cè)摩阻力作用的充分發(fā)揮，對(duì)樁端土有較高的要求。如果樁端土土性較差，則樁端阻力作用消失得較快。

2.2.2.2 SA4樁

通過(guò)對(duì)AS4樁進(jìn)行軸力試驗(yàn)分析可知，在加載初期，樁身上部混凝土壓縮會(huì)導(dǎo)致樁身及樁周土出現(xiàn)相對(duì)位移，同時(shí)，樁周土對(duì)樁產(chǎn)生摩阻力。在荷載增大的過(guò)程中，樁身軸力將發(fā)生傳遞，其方向?yàn)橛缮现料?，樁身混凝土也?huì)發(fā)生壓縮，其方向也為由上至下，在此情況下，樁身摩阻力作用十分凸顯。當(dāng)加載達(dá)到10 500 kN時(shí)，樁端阻力所占比例較小。此結(jié)果顯示，與樁側(cè)摩阻力相比，樁端阻力的作用相對(duì)較小。樁頂沉降主要為樁身壓縮，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)于極限承載力，不能只考慮樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。如果考慮不夠全面，則會(huì)造成樁過(guò)長(zhǎng)，從而增加建設(shè)成本。

2.2.2.3 樁端阻力

通過(guò)上述試驗(yàn)可知，兩根試驗(yàn)樁的樁端阻力為35 kN時(shí)，AS2的加載力為1 900 kN，而AS4的加載力則為6 000 kN。此時(shí)，中下層土的樁側(cè)摩阻力處于增加階段，樁側(cè)摩阻力未達(dá)到極限值。經(jīng)分析可知，樁端阻力與樁側(cè)土體壓縮有一定聯(lián)系——樁側(cè)土對(duì)樁作用，會(huì)產(chǎn)生向上的摩阻力，同時(shí)，樁對(duì)樁側(cè)土也會(huì)產(chǎn)生向下的作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了樁側(cè)軟土體壓縮。如果樁頂荷載較小，樁側(cè)土壓縮將受下層土的影響；如果樁頂荷載較大，樁側(cè)土壓縮將逐漸向下轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到樁端土。此外，樁端處的樁側(cè)土也會(huì)對(duì)樁造成一定的影響。在下拽力的作用下，樁端處樁身將發(fā)生一定的變化，在壓縮后將出現(xiàn)樁端阻力。上述情況主要發(fā)生在軟土地區(qū)，主要是因土體抗壓縮性差造成的。根據(jù)AS4樁端阻力作用可知，在加載達(dá)到6 000 kN時(shí)，樁端阻力開(kāi)始發(fā)揮作用，此后逐漸增大，但其增幅相對(duì)較小。造成此情況的原因主要為，在樁頂荷載達(dá)到一定程度后，樁側(cè)土受中高壓縮性土的影響而產(chǎn)生壓縮，同時(shí)受低壓縮性土的作用，將其傳遞至樁端土。在此情況下，中高壓縮性土的摩阻力已經(jīng)趨于極限值，甚至可能被破壞，而中低壓縮性土的壓縮相對(duì)較小，因此樁身中下部壓縮也減少，最終樁端阻力逐漸穩(wěn)定，并且在后者摩阻力達(dá)到極限值時(shí)，樁端阻力才能夠得到充分的發(fā)揮。

對(duì)于軟體地區(qū)而言，樁端阻力的作用發(fā)揮得較早，無(wú)需樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合樁頂沉降量，以此保證超長(zhǎng)灌注樁豎向承載力的合理性和準(zhǔn)確性。再者，軟土地區(qū)樁端阻力的作用還受其他因素的影響，比如樁側(cè)土性質(zhì)、樁長(zhǎng)、樁端土性質(zhì)等。樁端阻力作用與樁側(cè)土性、樁長(zhǎng)等呈負(fù)相關(guān)——前者作用越早，后者土性越差，樁長(zhǎng)越短。

3 總結(jié)

綜上所述，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的過(guò)程中，軟土地區(qū)的施工建設(shè)規(guī)模相對(duì)較大。為了滿足實(shí)際施工需求，應(yīng)對(duì)其灌注樁予以高度的關(guān)注，特別是超長(zhǎng)鉆孔灌注樁。此類樁的應(yīng)用具有廣泛性和普遍性。為了控制建設(shè)成本，保證灌注樁的質(zhì)量，本文以某軟土地區(qū)工程為例，對(duì)其超長(zhǎng)鉆孔灌注樁展開(kāi)了試驗(yàn)分析，通過(guò)靜荷載試驗(yàn)與軸力試驗(yàn)分析，明確了樁側(cè)摩阻力與樁端阻力對(duì)其的影響。相信，在充分考慮各影響因素的基礎(chǔ)上，樁設(shè)計(jì)質(zhì)量將不斷提高。

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〔編輯：劉曉芳〕