水下鉆孔灌注樁后注漿承載特性試驗研究

劉煥存 孫鳳玲 劉 濤

(中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

在地下水豐富的以細(xì)顆粒為主的沉積、沖洪積地層中，水下鉆孔灌注樁是一種常用樁型。為了保持孔壁穩(wěn)定，鉆孔時常常采用泥漿護(hù)壁措施。膨潤土泥漿形成的泥皮和沉渣使得樁側(cè)及樁端承載力發(fā)揮受到較大影響。后注漿技術(shù)通過漿液的化學(xué)固化、擠壓、劈裂、滲透、填充等多重作用，改變了樁側(cè)、樁端與巖、土之間的接觸條件，固化樁側(cè)泥皮、消除樁端沉渣隱患，從而提高樁的承載力以及減少樁頂?shù)某两盗縖1-8]。對深厚黏性土地層，選擇相對硬土層作為樁端持力層、嚴(yán)控孔底沉渣或采用后注漿增強(qiáng)等措施具有重要的工程意義[9-11]。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[1]給出了后注漿灌注樁的單樁極限承載力計算公式，其中側(cè)阻力和端阻力的增強(qiáng)系數(shù)根據(jù)數(shù)十根不同地層的后注漿灌注樁與未注漿灌注樁靜載對比試驗給出，具有指導(dǎo)性和局限性。

武漢市基本屬于長江一級階地，場地強(qiáng)風(fēng)化泥巖埋深大于60 m，上覆蓋層主要由第四系全新世沖積層和第四系晚更新世沖洪積層組成，并由黏性土過渡到砂性土，土顆粒逐漸變粗，且砂土都不是純凈砂，多為砂?；旌橡ば酝?，樁身抗力主要為樁側(cè)摩擦力。要獲得較大的單樁承載力，擴(kuò)大樁徑、增加樁長是基本思路，但擴(kuò)大樁徑最不經(jīng)濟(jì)，增加樁長使樁身穿越深厚黏土夾砂層時沉渣控制難度較大，相應(yīng)地會增加工程量。針對本工程，通過試驗樁工作對不同樁徑、不同樁長、相同的旋挖鉆孔工藝、相同的樁端持力層，采取不同的后注漿措施，獲得各工況下的單樁豎向抗壓承載力，為優(yōu)化樁基設(shè)計提供依據(jù)，也為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況與試驗樁方案

1.1 工程與地質(zhì)概況

項目場地位于武漢市東西湖區(qū)，該項目主要由變形敏感、抗微震要求高的多棟大跨多層廠房組成，無地下室，樁頂標(biāo)高為現(xiàn)有地面，單柱最大軸力達(dá)42200 kN，基礎(chǔ)埋深約2.5 m，地質(zhì)構(gòu)造為漢口—新界復(fù)式背斜的核部，典型地質(zhì)剖面圖見圖1。

①1素填土：黃褐色—褐灰色，稍密，稍濕，以粉質(zhì)黏土為主，含少量建筑垃圾，新近堆填土。

勘察揭露50 m深度范圍內(nèi)的地層由上至下為：表層人工填土、一般第四系成因的黏性土及砂類土，土層物理指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 場地地層主要參數(shù)

1.2 試驗樁方案及施工參數(shù)

試驗樁參數(shù)：采用旋挖成孔、泥漿護(hù)壁、水下灌注工藝，樁身混凝土等級C40，以④1層粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土為持力層；按樁徑試驗分為兩組：第一組試驗樁直徑800 mm、樁長30 m；第二組試驗樁直徑1000 mm、樁長35 m。試驗樁位置由結(jié)構(gòu)設(shè)計按勘察報告結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載選取。試驗樁設(shè)計參數(shù)見表2和表3。

表3 1000 mm直徑試驗樁SZ7—SZ13設(shè)計參數(shù)表

表2 800 mm直徑樁SZ1—SZ6設(shè)計參數(shù)表

注漿參數(shù)：樁端設(shè)置注漿管兩根，樁側(cè)在④1層頂部設(shè)置一根；注漿水泥標(biāo)號P·O 42.5，水灰質(zhì)量比為0.5～0.6，第一組后注漿灌注樁樁側(cè)注漿量不少于0.8 t，樁端注漿量不少于1.2 t；第二組后注漿灌注樁樁側(cè)注漿量不少于1.0 t，樁端注漿量不少于1.5 t。

靜載荷試驗采用堆載法，單樁承載力特征值根據(jù)勘察報告所提供的指標(biāo)以及樁位附近的地質(zhì)鉆孔，按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)進(jìn)行計算確定，最大加荷載為3～4倍的單樁承載力特征值。

2 單樁靜載荷試驗結(jié)果分析

將本場地13根試驗樁的單樁靜載荷試驗結(jié)果匯總于表4、表5，Q-s曲線匯總見圖2、圖3。

表4 800 mm直徑樁單樁靜載荷試驗成果表

表5 1000 mm直徑樁單樁豎向靜載荷試驗成果表

圖2 SZ1—SZ6 D=800 mm單樁靜載荷試驗Q-s圖

圖3 SZ7—SZ13 D=1000 mm單樁靜載荷試驗Q-s圖

對比分析可知：(1)兩組共13根樁Q-s曲線中，未進(jìn)行注漿的4根樁曲線均出現(xiàn)明顯的陡降段(SZ3、SZ6、SZ8、SZ10)，達(dá)到極限荷載；而經(jīng)后注漿的9根樁Q-s曲線均呈為緩變型且最大沉降未達(dá)到40 mm。(2)未注漿單樁極限荷載值與勘察報告所提供的參數(shù)計算值基本一致。(3)經(jīng)后注漿處理后，單樁豎向承載力提高明顯，試驗一組800 mm直徑樁后注漿綜合提高系數(shù)為1.47，試驗二組1000 mm直徑樁后注漿綜合提高系數(shù)為1.37，且相同樁頂荷載作用下沉降量明顯減小。

3 樁身軸力分析

3.1 樁身鋼筋應(yīng)力計布置

本項目4根試驗樁(SZ1、SZ3、SZ4、SZ11)的樁身主筋上預(yù)設(shè)鋼筋應(yīng)力計，應(yīng)力計規(guī)格根據(jù)樁身主筋直徑20 mm確定，用于測試加載、卸載過程中鋼筋應(yīng)力的變化。鋼筋應(yīng)力計埋設(shè)間距為自樁頂沿樁身向下每隔6 m為一個測量斷面。其中3根試驗樁，每根樁設(shè)置6個量測斷面；另外1根試驗樁，設(shè)置7個量測斷面。每測試斷面埋設(shè)3只應(yīng)力計(呈120°中心夾角均勻布置)，每個灌注樁合計埋設(shè)18個(3根樁)、21個(1根樁)鋼筋應(yīng)力計，4根樁共計75個應(yīng)力計。

3.2 單樁受力特征分布曲線

單樁在樁頂荷載作用下，荷載通過樁身向樁端傳遞，隨著荷載的增加，其傳遞規(guī)律因樁側(cè)地質(zhì)特征的差異以及樁端地質(zhì)條件的差異而呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。實測4根單樁鋼筋應(yīng)力經(jīng)過上述原理計算后繪制樁身軸力隨樁頂荷載變化的分布曲線、樁身側(cè)摩阻力分布曲線見圖4—圖11。

圖11 加載階段SZ11側(cè)摩阻力分布曲線

圖4 SZ1加載階段樁身軸力分布曲線

圖5 SZ3(未注漿)加載階段樁身軸力分布曲線

圖6 SZ4加載階段樁身軸力分布曲線

樁身軸力-樁頂荷載隨深度變化關(guān)系曲線見圖4—圖7，在兩種工況條件下，樁身軸力傳遞呈現(xiàn)出一致規(guī)律，即隨樁頂荷載增加，樁身軸力隨深度分布呈現(xiàn)上大下小，由上往下逐步遞減。由于本次試驗樁SZ3、SZ11加載到極限破壞，而SZ1、SZ4未到極限破壞，其樁端軸力發(fā)揮小于達(dá)到極限破壞的SZ3、SZ11。

圖7 SZ11加載階段樁身軸力分布曲線

圖9 加載階段SZ3(未注漿)側(cè)摩阻力分布曲線

圖10 加載階段SZ4側(cè)摩阻力分布曲線

樁身側(cè)摩阻力-樁頂荷載隨深度變化曲線見圖8—圖11,樁身側(cè)摩阻力隨樁身分布形態(tài)呈現(xiàn)出一致規(guī)律，且都表現(xiàn)為正摩阻力隨著樁頂荷載的增加，樁身各截面?zhèn)饶ψ枇χ鸩皆黾?。在樁頂荷載加載到最大值時，樁身側(cè)摩阻力達(dá)到最大值，SZ4側(cè)阻力最大峰值高達(dá)520.1 kPa，平均值為424.36 kPa。

圖8 加載階段SZ1側(cè)摩阻力分布曲線

對4根樁加載階段的荷載分擔(dān)比進(jìn)行分析，見表6—表9。

表6 800 mm直徑樁SZ1加載階段荷載分擔(dān)比

表7 800 mm直徑樁SZ3加載階段荷載分擔(dān)比(未注漿)

表8 800 mm直徑樁SZ4加載階段荷載分擔(dān)比

表9 1000 mm直徑樁SZ11加載階段荷載分擔(dān)比

對于摩擦型長樁，樁頂一旦受壓，樁側(cè)樁端即同時受力，可以劃分為以下4個階段：

(1)在彈性階段，各樁樁側(cè)和樁端荷載分擔(dān)比隨樁頂荷載的增加，各樁分擔(dān)比值基本穩(wěn)定，波動幅度較小，平均幅度不大于2.0%，樁端平均分擔(dān)比為4.51%，樁側(cè)平均分擔(dān)比為95.49%。

(2)在極限荷載下，直徑800 mm樁，樁端軸力實測平均值是理論平均值的0.301倍，樁側(cè)阻力實測平均值是理論平均值的1.485倍，直徑1000 mm樁，樁端軸力實測平均值是理論平均值的0.728倍，樁側(cè)阻力實測平均值是理論平均值的1.462倍。

(3)在樁頂豎向荷載作用下，水下鉆孔灌注樁的樁側(cè)阻力分布形態(tài)近似呈現(xiàn)“K”型形狀特征，隨樁頂荷載增加，樁側(cè)阻力增量在0～L/3(L為樁長)最大、L/3～2L/3最小、2L/3～L處比L/3～2L/3變大。出現(xiàn)“K”型形狀特征的原因在于樁身與樁周土相對位移量大小以及樁端土層特性好壞：0～L/3段，樁身與樁周土相對位移量大，所以樁側(cè)阻力大；2L/3～L段，雖然樁身與樁周土相對位移量小，但是樁端附近土特性好，即樁的極限側(cè)阻力特征值大，所以樁側(cè)阻力也大；L/3～2L/3段，樁身與樁周土相對位移量小且土的特性不好，即樁極限側(cè)阻力特征值小，導(dǎo)致L/3～2L/3段側(cè)阻力最小。

(4)SZ3、SZ11樁超過極限荷載5005 kN、8160 kN作用后，荷載分擔(dān)比發(fā)生明顯變化，樁側(cè)分擔(dān)比減小，樁端分擔(dān)比增加，這一現(xiàn)象與Q-s判斷單樁豎向極限荷載值也相互對應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)試驗共13根樁，根據(jù)Q-s曲線可知，未進(jìn)行注漿的4根樁Q-s曲線均出現(xiàn)明顯的陡降段，達(dá)到極限荷載；而經(jīng)后注漿的9根樁Q-s曲線均呈緩變型且最大沉降未達(dá)到40 mm。

(2)采用后注漿措施，直徑800 mm樁綜合性價比高。直徑800 mm、樁長30 m的后注漿單樁承載力實測值與理論值均呈正偏差，偏差均值約15%且后注漿處理后單樁承載力綜合平均提高系數(shù)達(dá)1.47；直徑1000 mm、樁長35 m的后注漿單樁承載力實測值與理論值相差小，正負(fù)偏差都存在，承載力發(fā)揮穩(wěn)定性相對差，單樁豎向承載力綜合平均提高系數(shù)約1.37。

(3)彈性階段，各樁樁側(cè)和樁端荷載分擔(dān)比隨樁頂荷載的增加，各樁分擔(dān)比值基本穩(wěn)定，波動幅度較小，平均幅度不大于2.0%，樁端平均分擔(dān)比為4.51%，樁側(cè)平均分擔(dān)比為95.49%；超過極限荷載后，荷載分擔(dān)比發(fā)生明顯變化，樁側(cè)分擔(dān)比減小，樁端分擔(dān)比增加。

(4)在樁頂豎向荷載作用下，水下鉆孔灌注樁的樁側(cè)阻力分布形態(tài)近似呈現(xiàn)“K”型形狀特征，隨樁頂荷載增加，樁側(cè)阻力增量在0～L/3(L為樁長)最大、在L/3～2L/3最小、在2L/3～L處比L/3～2L/3變大。