鉆孔灌注樁后壓漿的作用機理及承載特性分析

安 靜

隨著高層建筑和橋梁工程建設的發展,樁基礎的用量日益劇增。建筑荷載的增加和橋梁跨度的不斷超越給基礎的承載力提出了更高要求,各種超長大直徑灌注樁隨之大量涌現。鉆孔灌注樁具有對地層適應性強、側向擠土效應極小、施工簡單便捷和造價經濟等優點[1]。灌注樁的承載力主要來源于樁側摩阻力和樁端阻力。而樁側摩阻力和樁端阻力除與土層條件有關外,還受施工工藝的影響。試驗研究和眾多的工程實踐均證明,樁端后壓漿技術可以有效降低上述影響,提高樁基承載力。新版的《公路橋涵地基與基礎設計規范》和《建筑樁基技術規范》均吸收了這種先進的工藝,并給出了評價方法和技術要求[4]。

1 后壓漿的作用機理

1.1 力學機理

力學機理一般可歸納為滲透固結效應、擠密充填效應、劈裂加筋效應和壓密效應[3,4]。1)滲透固結效應是指漿液可以滲透到樁端土體的一定范圍內,形成結石體,一定程度上增加樁端的承載面積和樁基的有效樁長。2)擠密充填效應是指通過提高持力層的強度來提高樁端阻力。樁端后壓漿可以壓密樁端周圍存在的松散虛土。漿液在樁端膠結形成擴大的樁端固結體,上竄過程中擠壓樁側土形成樁側固結體,從而提高樁端和樁側的阻力。3)加筋效應是指通過改善樁端以上一定范圍內樁土相互作用來提高側壁摩阻力[2,3]。注漿壓力增大到一定程度會致使樁端土層劈裂。漿液充填裂隙,呈脈狀網絡分布,對持力層起加筋作用。4)預壓效應是指注入漿液可使樁端一定范圍內的土層受到預壓作用,從而提高基礎的整體性,有利于控制基礎沉降。

1.2 化學機理

后壓漿的漿液可以加固土體,產生一定的化學效應,如化學膠凝作用、充填膠結作用、離子交換作用和固化效應[2,3]。硅酸鹽水泥發生水化反應會減少土層中的含水量,增加土顆粒間的粘結。水化反應生成的各種礦物質填充于土體顆粒間的空隙,改善了土體的物理力學性能。

2 后壓漿工藝流程

注漿伊始,漿液對樁端沉渣和土體起到壓密和滲透作用。隨著注漿量和注漿壓力的增加,樁底擴大頭逐漸形成,也逐漸改變了樁底土層的應力路徑和固結狀態[1]。對滲透性差的土層,注漿壓力增大會在后期形成劈裂注漿。對滲透性好的土層,注漿量的增加會進一步擴散注漿半徑,形成壓密注漿狀態。在注漿過程中,根據持力層滲透性的不同和注漿壓力的變化,會出現注漿壓力泵壓力下降和回升的反復波動現象,但總的趨勢是隨著注漿量的增加和注漿半徑的擴大,注漿壓力不斷升高。樁端注漿流程見圖1。

3 后壓漿工藝關鍵技術

1)注漿裝置。注漿裝置包括注漿導管和注漿閥,也可以利用聲測管作為注漿導管。樁基施工時將注漿管與鋼筋籠一起埋置,注意管底預留注漿孔并臨時封閉以防混凝土堵塞。2)漿液濃度。漿液水灰比過大容易造成漿液流失,降低后壓漿的有效性。水灰比過小會增大注漿阻力,降低可注性。因此漿液濃度的控制應根據土層類別、土的密實度、土是否飽和諸因素確定。對于飽和土宜為 0.45～0.65,對于非飽和土宜為 0.7～0.9,對于松散碎石土、砂礫宜為0.5～0.6。3)注漿量與注漿壓力。壓漿控制原則:以壓漿量控制為主,注漿壓力為重要參數,并嚴格控制樁頂上抬量。壓漿量為第一指標,注漿壓力為第二指標,樁頂上抬量為第三指標。合理的注漿量由土層性質、滲透性能、樁徑樁長、沉渣量等因素決定。注漿量可以根據正式注漿前的試驗數據、以往的工程經驗和已有的經驗公式估算得出(見表1)。在注漿實施過程中,需根據壓水試驗情況及注漿過程的反應適當調整注入量。也可以參考下述公式計算:Gc=αpd。其中,Gc為壓漿量;d為樁基直徑;αp為壓漿系數,取值參考文獻[9]。

表1 壓漿量與最大壓漿壓力統計一覽表[9]

4 后壓漿的承載特性分析

4.1 樁基承載力的測試

現階段對后壓漿承載力特性的研究主要依靠大量的試驗數據分析,因此有必要對壓漿后的樁端阻力和樁側阻力進行檢測。自平衡測試法[6]是樁基承載力測試的常用靜載荷試驗方法之一。該法用預埋在樁身的荷載箱進行靜載荷試驗。試驗從樁頂通過高壓油管對荷載箱內腔施加壓力,箱頂與箱底被推開,產生向上與向下的推力,從而調動樁周土的側阻力與端阻力,直至破壞。

4.2 荷載傳遞機理

考慮土體的連續性引起的變形,對各樁段實測的摩阻力與位移關系進行修正,可真實反映出壓漿后摩阻力沿樁身的分布規律。采用傳遞函數對摩阻力與位移關系進行擬合,從而得出各樁段的摩阻力極限值,有利于對后壓漿的加固效果進行客觀分析。

4.3 樁側阻力的影響

影響灌注樁側摩阻力的主要因素是護壁泥皮的影響及樁身混凝土固時縮徑。樁端壓漿的漿液一部分作用于樁端土體,另一部分作用于樁端以上一定范圍內的樁側土體。早期的研究認為樁端后壓漿主要提高樁端的承載能力。近期通過對新鄭黃河二橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋和東海大橋等超長樁的實測資料進行分析,發現樁端后壓漿不僅可以提高樁端阻力,還可大幅提高樁側阻力[5]。在部分超長大直徑樁基工程實踐中,樁側摩阻力的增量成了樁基極限承載力提高的主要原因[6]。

4.4 壓漿后承載力計算方法

東南大學龔維明等人在統計大量實測資料的基礎上,總結出了符合一定條件[9]的大直徑鉆孔灌注樁后壓漿單樁承載力容許值計算公式:

式中各參數的取值詳見文獻[9]。其中,[Ra]為壓漿后單樁承載力容許值;βsi為第i層土的側阻力增強系數;βp為端阻力增強系數;qsi為與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值;qp為樁端處土的極限承載力;li為各土層厚度;μ為樁身周長;Ap為樁端截面;n為土的層數。此外,文獻[8]和[12]也總結了后壓漿單樁極限承載力的計算公式。

表2 后壓漿樁基承載力增幅一覽表[9]

4.5 注漿效果分析

表2為部分特大橋梁后壓漿樁基承載力增幅情況。從表中可以看出,后壓漿對提高大直徑超長樁基承載力具有明顯的效果。

5 結語

1)本文總結了灌注樁后壓漿技術的物理化學機理,鉆孔灌注樁后壓漿可以同時提高樁端阻力和樁側摩阻力。2)介紹了后注漿的工藝流程及其影響注漿效果的關鍵技術。漿液配置主要根據土層類別、密實度和是否飽和等因素確定。壓漿量為注漿工藝的第一控制指標,注漿壓力次之。3)后壓漿技術是一項理論落后于實踐的工藝。目前對壓漿后樁基承載力的研究主要停留在對試驗數據的統計分析上,尚無普遍適用的承載力計算公式。

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[12]管義軍.樁端后壓漿在蘇通大橋基礎工程中的應用與研究[J].公路交通科技,2006,23(7):100-103.