鉆孔灌注樁樁端及樁側后壓漿承載力特性研究

周 亞 軍

(武漢地質勘察基礎工程有限公司,湖北 武漢 430072)

鉆孔灌注樁樁端及樁側后壓漿承載力特性研究

周 亞 軍

(武漢地質勘察基礎工程有限公司,湖北 武漢 430072)

以武漢環球貿易中心項目為工程研究案例，基于靜荷載現場試驗與數值理論仿真計算，對鉆孔灌注樁樁端及樁側后壓漿承載力特性展開了綜合研究，分別對未壓漿的單樁極限承載力、樁側壓漿樁極限承載力、極端壓漿樁極限承載力等進行了計算，并將計算結果與現場靜載荷試驗展開對比分析，獲得了后壓漿對鉆孔灌注樁承載力的提升效果。

鉆孔灌注樁，后壓漿，數值仿真計算，極限承載力

隨著我國經濟建設的快速發展，水利、建筑等建設領域的進步非常明顯。地下工程開挖范圍越來越廣，建設規模也越來越大。在城市建設發展中，土地資源的利用率一直是個非常緊迫的問題。地下工程技術的發展為地下空間的利用開辟了一條新的途徑，這也是未來城市建設的發展方向[1]。因此，越來越多的高樓大廈、錯綜復雜的地下交通軌道以及各種規模龐大的地下商場不斷出現。由于場地地質條件的復雜程度越來越高，因而推動了深基礎特別是樁基礎的迅速發展。國內外諸多研究表明[2-5]：后壓漿技術應用于鉆孔灌注樁對其承載力的提高起到了顯著的作用。鉆孔灌注樁后壓漿技術是指在鉆孔灌注樁施工過程中，預先在樁身或樁周埋設注漿管路，當樁身混凝土強度達到一定程度后用高壓注漿泵均勻地注入特殊的漿液(工程中大多數為純水泥漿液、水泥砂漿等)的過程。漿液經過滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結等物理或化學形式的單獨或共同作用，改變了樁端及樁側周圍土體的物理力學性質，使樁端阻力和樁側阻力得到不同程度的提高，使樁的沉降量得以減小，樁的承載能力得到提高[6]。但是，國內外對鉆孔灌注樁樁端及樁側后壓漿作用機理的研究還存在一定的不足，后壓漿對鉆孔灌注樁承載力提升的程度尚沒有統一的認識[7]。鑒于此，本文基于靜荷載現場試驗與數值理論計算方法，對鉆孔灌注樁樁端及樁側后壓漿承載力特性展開了綜合研究，獲得了后壓漿對鉆孔灌注樁承載力提升的幅度大小，研究結論能夠為同類工程的設計施工及鉆孔灌注樁后壓漿作用機理的理論研究提供一定的指導作用。

1 工程概況

工程重要性等級均為一級，場地等級為二級，地基等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，巖土工程勘察等級為甲級。

2 后壓漿樁現場靜載荷試驗

2.1 試驗概況

B棟寫字樓共設計240根φ1 000 mm抗壓鉆孔灌注工程樁，本次選取B棟寫字樓4根后壓漿工程樁兼試樁進行現場靜荷載試驗，鉆孔灌注樁有效樁長為42.3 m～46.7 m，空孔約15.5 m，入巖8 m，普通工程樁樁身混凝土強度為C40，工程樁兼試樁混凝土強度為C45。

2.2 試驗方法

現場試驗采用慢速維持荷載法，由鋼梁、工字鋼和預制塊組成壓重反力裝置，采用電動油泵逐級加載，然后通過電子靜載儀測度并實時上傳質量監督站。根據甲方及設計單位要求，其最大加載力為19 000 kN。依據《建筑地基基礎檢測技術規范》[8]，本次試驗分8級進行加載，第一級、第二級加載量為分級荷載的2倍，以后每級加載量為1/8，當達到其極限荷載時，該樁若沒有被破壞，則進行回彈試驗。

2.3 荷載及沉降測量

骨結合，是種植體表面與骨組織在形成緊密結合情況下形成的一種永久性、功能性的生化反應，其一旦形成后即使在承受咬合力的情況下種植體也不會發生移動[1]。以往的研究發現，有諸多因素對骨結合的過程產生影響，其中種植體形態及特征至關重要，對種植體表面進行處理或功能化的改性后，可有效加快骨結合的速度并提高其質量[2-4]。同時，術者的操作對骨結合也會產生影響，因此在種植體植入過程中應嚴格無菌操作、采用微創化植入方式以及遵循必要的生物功能性需求。

荷載值通過壓力傳感器測量，試樁沉降則通過對稱布置于樁頭的位移傳感器測量，所有百分表均用磁性表座固定于基準梁上，基準梁在獨立的基準樁上安裝，基準樁中心與試樁中心的距離為4.0 m，基準樁中心與壓重平臺的墩邊的距離為4.0 m，試樁中心與壓重平臺的墩邊的距離為6.0 m。

2.4 試驗設備

試驗設備主要為5 000 kN千斤頂，FP-50型數顯百分表，YL-PLT型壓力傳感器，YL-PLT型靜載荷測試儀。

2.5 試驗結果

限于篇幅，現選取B1-54號試驗樁的試驗結果進行分析。在分級加載時，B1-54號試驗樁的分級荷載、時間以及沉降的試驗結果如表1所示。

表1 B1-54號試驗樁分級荷載、時間及沉降試驗結果

B1-54號試驗樁的Q—s荷載—位移曲線和s—lgt位移—時間曲線分別如圖1，圖2所示。

全部4根工程樁兼試樁的試驗總結果為：

從圖1，圖2可知，B1-54號樁試驗加載到19 000 kN時，總沉降量13.23 mm，且Q—s荷載—位移曲線無明顯陡降段，s—lgt位移—時間曲線尾部未出現明顯陡降段，因此單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥19 000 kN。

B-106號樁試驗加載到19 000 kN時，總沉降量13.05 mm，且Q—s荷載—位移曲線無明顯陡降段，s—lgt位移—時間曲線尾部未出現明顯向下彎曲，因此單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥19 000 kN。

BS3-237號樁試驗加載到19 000 kN時，總沉降量12.97 mm，且Q—s荷載—位移曲線無明顯陡降段，s—lgt位移—時間曲線尾部未出現明顯向下彎曲，因此單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥19 000 kN。

上述試驗結果匯總表見表2。

表2 試驗樁靜載荷試驗結果

3 數值理論仿真計算

為對比后壓漿對鉆孔灌注樁承載力提升的作用效果，現采用數值仿真計算方法對鉆孔灌注樁承載力展開理論計算，分別計算未壓漿的單樁極限承載力、樁側壓漿樁極限承載力、樁端壓漿樁極限承載力、樁側與樁端混合壓漿極限承載力，以此理論計算結果與現場靜載荷試驗展開對比分析。

3.1 數值模型的建立

本文利用Flac3D有限差分數值仿真計算軟件對鉆孔灌注樁進行理論分析計算，為提高計算精度，建立的鉆孔灌注樁模型為原比例模型，且對重點研究部位的網格劃分進行了加密處理。所建模型的樁徑為1 m，樁長58 m，根據Flac3D有限差分計算樁周土的影響范圍，所建模型的計算范圍為x方向80 m，y方向80 m，z方向80 m，其中z方向包括樁身長度58 m，樁底巖土厚22 m。樁周土體采用圓柱體放射形狀網格radcylinder，樁身采用圓柱體形狀網格cylinder。

所建壓漿單樁模型如圖3所示(圖中，外邊界為樁周長方體土體，中心為鉆孔灌注樁)。

3.2 數值計算結果

數值計算z方向的位移結果云圖如圖4所示。

數值計算最大主應力結果云圖如圖5所示。

在最大加載時未壓漿鉆孔灌注樁的塑性區如圖6所示。

選取未注漿的數值計算結果，其樁身軸力分布如圖7所示，樁側摩阻力如圖8所示。

從計算結果圖7，圖8可知，未注漿的鉆孔灌注樁數值計算的單樁極限承載力為14 362.6 kN。樁身軸力隨樁深的增加而呈減小趨勢，其減小趨勢線較為均勻。但當軸向力小于15 000 kN時，樁側摩阻力隨樁深增加，首先呈增大趨勢，但一定程度后開始減小，而當軸向力等于15 000 kN后，樁側摩阻力隨樁深增加而持續增加。

3.3 數值計算結果與試樁試驗對比分析

現提取未壓漿的單樁極限承載力、樁側壓漿單樁極限承載力、樁端壓漿單樁極限承載力、樁側與樁端混合壓漿單樁極限承載力的數值計算結果與后壓漿樁的現場靜載荷試驗值進行對比，其結果見表3。

表3 數值計算結果與試樁試驗對比分析匯總表

從表3可知，對于樁側、樁端都壓漿的情況下，單樁極限承載力的數值理論計算結果為21 865.4 kN，比后壓漿處理的現場靜載荷試驗值19 000 kN大15.1%，表明理論計算與現場實際有一定誤差，但誤差不大，具有實際參考意義。未注漿的理論計算結果為14 362.6 kN，與現場靜載荷結果相比，經過后壓漿處理后，單樁極限承載力提升32.3%，充分體現了后壓漿對于鉆孔灌注樁極限承載力的提升效果。與未壓漿樁極限承載力理論計算值相比較，樁側壓漿的單樁極限承載力提高幅度為27.0%，樁端壓漿的單樁極限承載力提高幅度為18.6%，樁側及樁端混合壓漿的單樁極限承載力提高幅度高達52.2%。

4 結語

本文經過研究，得到以下結論：1)鉆孔灌注樁樁端及樁側后壓漿承載力特性是十分復雜的，對樁側及樁端進行后壓漿處理后的單樁極限承載力提高幅度也不具有統一的解答，這與樁周及樁端巖土體的性質有直接聯系。2)本文中樁側壓漿承載力提升幅度略大于樁端承載力提升幅度，因為樁端入巖較深，使得樁側土體壓漿后的提升作用較為明顯。3)后壓漿的現場試驗值比未壓漿的理論計算值提高幅度為32.3%，表明樁長達到60 m左右后，其有效側摩阻力效應明顯，從而減弱了后壓漿的強化作用。4)對于不同的地層條件，要具體問題具體分析，但總體來說，后壓漿的作用效果較為明顯，對單樁極限承載力有較為明顯的提升。

[1] 胡春林,李向東,吳朝暉.后壓漿鉆孔灌注樁單樁豎向承載力特性研究[J].巖石力學與工程學報,2001(4):546-550.

[2] 陶興文.上海地區鉆孔灌注樁后壓漿技術的設計與施工[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2001(4):35-36,38.

[3] 趙珍云,周紅波.鉆孔灌注樁后壓漿承載性能的分析與模擬[J].公路交通科技,2005(S1):115-118.

[4] 陳 飛,蘭 凱.鉆孔灌注樁后壓漿作用機理與應用[J].地質科技情報,2005(S1):97-100,104.

[5] 黃生根,張曉煒,曹 輝.后壓漿鉆孔灌注樁的荷載傳遞機理研究[J].巖土力學,2004(2):251-254.

[6] 張鐵富,王靖濤.鉆孔灌注樁后壓漿技術研究[J].土工基礎,2008(3):4-7.

[7] 苑 敏,吳建友.天津奈倫國貿大廈鉆孔灌注樁后壓漿施工技術[J].施工技術,2009(5):77-79.

[8] DB 42/269-2003,建筑地基基礎檢測技術規范[S].

Research on bearing capacity characteristics of post grouting on bored pile end and pile side

ZHOU Ya-jun

(WuhanGeologicalSurveyandFoundationEngineeringCo.,Ltd,Wuhan430072,China)

This paper has taken the world trade center project in Wuhan as the object of engineering research. Based on the theory of static load field test and numerical simulation calculation, the end lientang grouting and pile bearing capacity of bored cast-in-situ pile feature launched a comprehensive study. Calculated the single pile limit bearing capacity of grouting, bearing capacity of pile side grouting, grouting pile ultimate bearing capacity, further more, the theoretical calculation results with the field static load test analysis, the grouting on the bearing capacity of bored piles after ascending the size of the size.

bored pile, post grouting, numerical simulation calculation, ultimate bearing capacity

2014-07-16

周亞軍(1985- )，男，碩士，助理工程師

TU473.14

A