泥漿護(hù)壁灌注樁后注漿靜載對(duì)比試驗(yàn)研究

王佐，楊海龍，謝云龍，白聯(lián)杰

（1.重慶新和建筑工程有限公司，重慶 401120；2.中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司，重慶 400050；3.華誠(chéng)博遠(yuǎn)工程技術(shù)集團(tuán)有限公司重慶分公司，重慶 401120）

1 引言

鉆孔灌注樁因其施工方便、能適應(yīng)不同巖土持力層，是基礎(chǔ)工程中廣泛應(yīng)用的一種樁型。為防止塌孔，鉆孔時(shí)一般采用泥漿進(jìn)行護(hù)壁。灌注樁澆筑后，在樁身與巖土層之間就夾著一層泥皮，對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響。由于清孔不干凈，樁端存在沉渣，也影響樁端承載能力的發(fā)揮。后注漿通過(guò)對(duì)樁側(cè)和樁端土的加固能顯著提高基樁承載力和減小基樁沉降，因此，在實(shí)際工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）根據(jù)幾十根不同土層中的未注漿和后注漿灌注樁的對(duì)比靜載試驗(yàn)，提供了一種后注漿灌注樁承載力的估算方法。后注漿技術(shù)受成樁工藝、巖土條件、樁徑樁長(zhǎng)、注漿方式、受荷載方式等因素的影響很大[2-8]，加固機(jī)理理論方面的研究還不深入。雖然有研究者進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究[9-10]，但是后注漿技術(shù)是一種基于大量工程實(shí)踐的工藝，因此，有必要積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是靜載試驗(yàn)，以進(jìn)一步對(duì)后注漿樁的加固特性進(jìn)行研究。本文結(jié)合實(shí)際工程，基于4根未注漿灌注樁抗壓、4根樁端后注漿抗壓、4根樁端后注漿抗拔的靜載試驗(yàn)，對(duì)樁端后注漿的加固效果及豎向影響高度等進(jìn)行了研究。

2 后注漿加固機(jī)理

灌注樁樁端后注漿是在灌注樁澆灌完混凝土并達(dá)到一定強(qiáng)度之后,通過(guò)預(yù)埋的注漿管向樁底壓入一定配比的水泥漿，對(duì)樁底的沉渣和和土層進(jìn)行加固。后注漿對(duì)樁端的加固作用機(jī)理，根據(jù)注漿的階段和漿液壓力大小的不同，大致分為3種作用。（1）滲透作用：在注漿的初期，注漿壓力較小，漿液向樁端土層滲透，對(duì)土層的孔隙和間隙進(jìn)行填充。（2）壓密作用：隨著土層空隙被填充，漿液壓力增大，在土層中形成漿泡，對(duì)土層產(chǎn)生壓密作用并增大其應(yīng)力。（3）劈裂作用：漿液對(duì)土層的擠壓占位空間有限，漿液壓力不斷增大，克服了土體的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，對(duì)土體產(chǎn)生劈裂破壞，漿液隨著土體的劈裂裂隙向遠(yuǎn)處延伸。

不同的土層特性、不同的漿液濃度、不同的注漿壓力、不同的注漿方式，上述3種注漿作用發(fā)揮的效果不同。注漿后，在樁端形成殘余壓應(yīng)力，通過(guò)對(duì)樁端土的預(yù)加載作用，提高了樁端阻力的發(fā)揮比例[11]。注漿通過(guò)上述對(duì)樁底沉渣及樁底附近土體的滲透、壓密、劈裂和預(yù)壓作用，加固了樁底土層，提高了樁底土層的強(qiáng)度和剛度，從而提高樁端承載力和減小了基樁的沉降。樁端注漿漿液在壓力的作用下，還會(huì)沿樁身外側(cè)上返，填充樁土接觸面的孔隙，對(duì)樁周泥皮及土體產(chǎn)生滲透、壓密和劈裂作用，漿液固結(jié)后形成強(qiáng)度較高的水泥結(jié)石體，加固了樁周泥皮和土體，增大了樁側(cè)剪切界面的阻力和粗糙度，改善了樁側(cè)與土體的邊界條件，提高了樁側(cè)土的強(qiáng)度與剛度，從而對(duì)基樁承載力的提高和沉降的減小發(fā)揮了重要作用[12]。

3 試樁概況

天津武清某大型商業(yè)，建筑面積19.8萬(wàn)m2，地上4層地下2層。項(xiàng)目地質(zhì)勘察鉆探揭露地層主要是粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂層，地下水埋深約2 m。根據(jù)勘察報(bào)告，擬采用樁端后注漿鉆孔灌注樁。為了獲得樁基的實(shí)際承載力，優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)，進(jìn)行了4根未注漿灌注樁、4根樁端后注漿抗壓樁、4根樁端后注漿抗拔樁的靜載試驗(yàn)。試樁為泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁徑均為600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。

第1組試樁（SZ1-1～SZ1-4）以9-3黏土層為樁端持力層，樁長(zhǎng)24 m，未注漿，抗壓靜載試驗(yàn)；第2組試樁（SZ2-1～SZ2-4）以11-4粉砂層為樁端持力層，樁長(zhǎng)39 m，樁端后注漿，抗壓靜載試驗(yàn)；第3組試樁（SZ3-1～SZ3-4）以11-4粉砂層為樁端持力層，樁長(zhǎng)39m，樁端后注漿，抗拔靜載試驗(yàn)。第2組、第3組每根試樁對(duì)稱布置2根φ25 mm注漿管，注漿管等效替代樁縱向主筋。注漿管固定于鋼筋籠內(nèi)側(cè)，頂部高出樁頂200 mm，下部超出鋼筋籠底部300 mm，出漿口采用單向截流閥并伸入樁底土中。灌注樁混凝土澆筑后24 h內(nèi)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，清除單向閥周圍沉渣中的混凝土和泥漿。3 d后進(jìn)行注漿，樁端后注漿采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.55，最大注漿壓力4 MPa，注漿水泥用量1.3～1.6 t。第2組和第3組各選1根樁（SZ2-3、SZ3-2）做應(yīng)力測(cè)試，以測(cè)試和分析樁側(cè)阻力分布規(guī)律。樁身每隔2 m布設(shè)1層應(yīng)力計(jì)測(cè)試截面，每層截面對(duì)稱布置2個(gè)振弦式應(yīng)力傳感器，共19層。在SZ2-3的樁底部截面對(duì)稱布置2個(gè)壓力盒，用來(lái)測(cè)量樁端阻力。注漿25 d后進(jìn)行靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)荷載采用慢速維持荷載法，荷載的加卸載方式按JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[13]進(jìn)行。

4 試樁極限承載力

各組試樁基本參數(shù)、靜載試驗(yàn)極限承載力及對(duì)應(yīng)樁頂沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)地勘報(bào)告提供的未注漿樁基設(shè)計(jì)參數(shù)和試樁附近鉆探孔揭示的各地層巖性及厚度，按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.5式計(jì)算了各組試樁未注漿時(shí)的極限承載力（見(jiàn)表1）。

表1 試樁靜載結(jié)果

第1組試樁靜載試驗(yàn)抗壓極限承載力平均值為2 134 kN，與按地勘報(bào)告參數(shù)計(jì)算的抗壓極限承載力2 02 9kN很接近，相差約5%。4根試樁的靜載極限承載力數(shù)據(jù)離散性很大，極差與平均值的比達(dá)到了44%。這4根試樁位置相差不太遠(yuǎn)，地勘報(bào)告揭示該區(qū)域各地層土的分布和厚度均比較穩(wěn)定，巖土條件不存在大的差別。該組樁靜載承載力離散性很大，說(shuō)明在該地層條件下，樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，泥漿護(hù)壁鉆孔樁質(zhì)量受施工影響很大，成樁質(zhì)量不穩(wěn)定，承載力不可靠。

第2組試樁按未注漿的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的抗壓極限承載力為3 953 kN，樁端注漿后靜載試驗(yàn)抗壓極限承載力平均值為5 846 kN，提高了48%，離散性很小，極差與平均值的百分比為10%，其中3根試樁的極限承載力相同。顯示后注漿對(duì)樁端沉渣和樁側(cè)泥皮等薄弱部位加固效果良好，加固后承載力提高明顯。而且由于對(duì)可能存在的缺陷進(jìn)行了加固，試樁質(zhì)量穩(wěn)定，承載力穩(wěn)定可靠。

第3組試樁按未注漿的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的抗拔極限承載力為2 511 kN，樁端注漿后靜載試驗(yàn)抗拔極限承載力平均值為3 484 kN，提高了39%，離散性比較小，極差與平均值的百分比為17%。顯示樁端注漿對(duì)樁側(cè)的加固效果明顯，質(zhì)量比較穩(wěn)定，抗拔承載力可靠。第3組抗拔承載力提高的比例略小于第2組抗壓承載力提高的比例，推測(cè)是注漿對(duì)樁端阻力的提高比例大于對(duì)樁側(cè)阻力的提高比例所致。

5 試樁端阻力及側(cè)阻力

5.1 抗壓試樁端阻力

第2組抗壓試樁SZ2-3樁底埋設(shè)的壓力盒，注漿后靜載試驗(yàn)在極限荷載時(shí)檢測(cè)得樁端極限端阻力qp為2 958 kPa，地勘報(bào)告提供的未注漿時(shí)極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=1 100 kPa，注漿后提高了169%，相當(dāng)于注漿后樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp為2.69。樁端持力層為粉砂時(shí)規(guī)范對(duì)樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp的取值范圍是2.4～2.8，試驗(yàn)值與規(guī)范值吻合好。

5.2 抗壓試樁側(cè)阻力

在試樁加載的過(guò)程中，樁身埋設(shè)的19組振弦式應(yīng)變計(jì)量測(cè)樁身對(duì)應(yīng)截面的軸向應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)樁身截面的軸力，由相鄰截面的軸力差，可以計(jì)算出該段樁身外側(cè)的摩阻力。由樁頂在極限荷載作用下的樁身各截面軸力計(jì)算出樁身的分段極限側(cè)阻力，再根據(jù)應(yīng)力計(jì)與樁周各土層的位置關(guān)系，計(jì)算出各土層的極限側(cè)阻力。第2組抗壓試樁SZ2-3樁側(cè)各土層的名稱及厚度、地勘報(bào)告建議的未注漿時(shí)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik、注漿后靜載檢測(cè)計(jì)算所得極限側(cè)阻力qsi及提高百分比見(jiàn)表2。從表2中可見(jiàn)，8-2粉土層（層底距樁底18.4 m）以上各土層注漿與未注漿側(cè)阻力幾乎一致，顯示未受注漿影響。9-1粉質(zhì)黏土層（層頂距樁底18.4 m）以下各土層注漿后側(cè)阻力明顯提高，說(shuō)明樁端注漿漿液沿樁身外側(cè)上返，對(duì)樁側(cè)泥皮和土層的加固實(shí)際高度為18.4 m，超出規(guī)范取值12 m約50%。各土層側(cè)阻的提高比例為30%～69%，比規(guī)范取值（40%～100%）略偏小。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以計(jì)算得，樁端以上12 m高度范圍未注漿時(shí)按地勘報(bào)告提供參數(shù)計(jì)算的側(cè)阻力為1 468 kN，樁端以上18.4 m高度范圍樁的注漿后側(cè)阻力比未注漿時(shí)提高了1 208 k N。用18.4 m樁長(zhǎng)提高的側(cè)阻力1 208 kN除以未注漿時(shí)12 m樁長(zhǎng)的側(cè)阻力1 468 kN，得到0.82，即等效到12 m樁長(zhǎng)的注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs為1.82，在規(guī)范的增強(qiáng)系數(shù)取值范圍內(nèi)（βsi=1.4～2.0）且略大于其中值。越往下土層的側(cè)阻力提高比例越大，顯示越靠近樁端注漿口，由于漿液壓力大，對(duì)樁側(cè)泥皮和土層的填充、滲透、壓密和劈裂作用越強(qiáng)，加固效果越好。

表2 抗壓樁SZ2-3樁身極限側(cè)阻力

5.3 抗拔試樁側(cè)阻力

第3組抗拔試樁SZ3-2樁周各土層的名稱及厚度、地勘報(bào)告建議的未注漿時(shí)抗拔極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q′sik、注漿后靜載檢測(cè)結(jié)果計(jì)算所得抗拔極限側(cè)阻力q′si及提高百分比見(jiàn)表3。從表3中可見(jiàn)，8-1粉質(zhì)黏土層（層底距樁底18.4 m）以上各土層注漿與未注漿側(cè)阻力相比比較接近，相差百分比在11%以內(nèi)，可以認(rèn)為未受注漿影響。9-1粉質(zhì)黏土層（層頂距樁底18.4 m）以下各土層注漿后側(cè)阻力明顯提高，說(shuō)明樁端注漿漿液沿樁身外側(cè)上返加固實(shí)際高度為18.4 m。樁端注漿加固高度18.4 m范圍內(nèi)整體趨勢(shì)是越往下土層側(cè)阻力提高比例越大，提高比例為19%～74%，比規(guī)范取值范圍（40%～100%）偏小。根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得樁端以上12 m高度范圍未注漿時(shí)按地勘報(bào)告提供參數(shù)計(jì)算的側(cè)阻力為978 kN，樁端以上18.4 m高度范圍樁的注漿后側(cè)阻力比未注漿時(shí)提高了650kN。用18.4 m樁長(zhǎng)提高的側(cè)阻力650 kN除以未注漿時(shí)12 m樁長(zhǎng)的側(cè)阻力978 k N，得到0.66，即等效到樁端12 m長(zhǎng)的注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs為1.66，在規(guī)范增強(qiáng)系數(shù)的取值范圍內(nèi)（βsi=1.4～2.0）但略偏小。在第3組的4根試樁里，SZ3-2的抗拔極限承載力是最低的，比平均值低10%。用第3組試樁承載力平均值推算得抗拔側(cè)阻力提高比例為83%，在規(guī)范的增強(qiáng)系數(shù)取值范圍內(nèi)且略大于其中值。

表3 抗拔樁SZ3-2樁身極限側(cè)阻力

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際工程3組共12根泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁的靜載試驗(yàn)及應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果分析，顯示樁的成樁質(zhì)量及后注漿加固效果如下，可供類似巖土條件的樁基設(shè)計(jì)和研究參考。

1）該場(chǎng)地地層未注漿泥漿護(hù)壁灌注樁承載力平均值與按地勘報(bào)告參數(shù)計(jì)算值接近，但離散性很大，顯示其受施工影響很大，成樁質(zhì)量不穩(wěn)定。

2）采用文中的工藝及參數(shù)進(jìn)行樁端注漿后，抗壓樁和抗拔樁靜載試驗(yàn)極限承載力比未注漿計(jì)算值有明顯提高，且離散性較小，承載力穩(wěn)定可靠，顯示樁端后注漿對(duì)樁的加固效果良好。

3）樁端注漿后對(duì)樁底沉渣和土層的滲透、壓密、劈裂加固作用明顯，樁端阻力提高顯著，提高比例與規(guī)范取值吻合。

4）樁端后注漿漿液沿樁側(cè)上返加固樁側(cè)泥皮和土體的實(shí)際高度達(dá)18.4 m，大于規(guī)范的豎向增強(qiáng)段高度取值12 m。

5）不論是抗壓樁還是抗拔樁，在樁端注漿實(shí)際豎向增強(qiáng)段高度范圍內(nèi)，樁周土層的側(cè)阻力提高比例在規(guī)范取值范圍內(nèi)但略偏小。等效到規(guī)范的12 m豎向增強(qiáng)段高度后，樁周土層側(cè)阻力提高比例比規(guī)范取值范圍的中值略大。