樁端后注漿灌注樁承載力計算的等代樁法

魏建華

(上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海 200070)

鉆(沖)孔灌注樁因其施工工藝成熟、地層適應性強、單樁承載力較高等特點已經成為目前超高層項目的首選樁型。但因其水下澆筑混凝土，不可避免的在樁體與土體之間形成的“泥皮”、成孔引起的樁孔壁土體的應力松弛、樁端沉渣及持力層擾動、水下混凝土的澆筑質量等問題［2］，導致單樁承載力的離散性較大及承載力大幅降低。為克服上述因素對承載力的不利影響，目前通常采用樁端后注漿、樁側后注漿及樁端樁側復合式注漿的方法提高樁基承載力。后注漿工藝的技術核心之一就是注漿量的確定。由于各地區巖土工程地質條件、施工設備、工藝、質量及對后注漿作用機理認識角度的差異，各地對樁端后注漿灌注樁承載力計算值的差別較大。

1 后注漿灌注樁承載力計算常用方法

JGJ 94-2008建筑樁基技術規范5．3．10條“后注漿灌注樁的單樁極限承載力，應通過靜載試驗確定。”在符合本規范第6．7節后注漿技術實施規定的條件下，其后注漿單樁極限承載力標準值可按下式估算:Qu=u∑qsjklj+u∑βsiqsiklgi+βpqpkAp。其中，u為樁身周長;lj為后注漿非豎向增強段第j層土厚度;lgi為后注漿豎向增強段內第i層土厚度:對于泥漿護壁成孔灌注樁，當為單一樁端后注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m，當為樁端、樁側復式注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m及各樁側注漿斷面以上12 m，重疊部分應扣除，對于干作業灌注樁，豎向增強段為樁端以上、樁側注漿斷面上下各6 m;qsik，qsjk，qpk分別為后注漿豎向增強段第i土層初始極限側阻力標準值、非豎向增強段第j土層初始極限側阻力標準值、初始極限端阻力標準值;βsi，βp分別為后注漿側阻力、端阻力增強系數。同時，規范也給出了各類土層中βsi，βp的建議值，且總體來說粘性土中提高系數較低，砂性土中提高系數較高。

張忠苗［2］提出了三種計算后注漿灌注樁承載力的方法，并建議采用三種方法計算的最小值作為設計承載力。

方法一按側阻、端阻分項增強系數計算:Quk=u∑βsiqsikli+βpqpkAp。該方法βsi，βp的建議值在粘性土中較規范取值小，但在粉性土、砂性土中較規范相差較大，且將灌注樁通長考慮為后注漿增強段。方法二按總極限承載力增強系數計算:Quk=βu(u∑qsikli+qpkAp)。其中，βu為后注漿承載力增強系數，根據土層的由軟至硬，取值為1．1～1．35。該方法不區分樁側、樁端后注漿增強系數，而采用統一的后注漿增強系數，且將灌注樁通長考慮為后注漿增強段。方法三采用預制樁的側阻力和端阻力參數計算:Quk=u∑qsik預li+qpk預Ap。從公式的形式上比較方法一和方法三，可得，區別是 βsi，βp的經驗值通過為數不多的后注漿工程實例歸納出，尚待更多工程實例的驗證與修正。而采用預制樁和灌注樁的工程實例較后注漿實例要多得多，其側阻力和端阻力之間的相對關系具有相對更高的可靠性。

2 樁端后注漿漿液擴散機理

2．1 樁端漿液擴散的機理

根據注漿球形擴散理論，樁端漿液的體積為理想球體的體積，球體的半徑為漿液的滲透范圍。考慮到護壁泥漿(摻入膨潤土，對粘度和比重均有要求)及注漿漿液(一般水灰比為0．55)經過持力層(一般為砂性土)“過濾”后，大大降低了樁端附近土體的滲透性，形成了具有封閉水泥漿液作用的“填充區域”，如圖1所示。“填充區域”及灌注樁樁側泥皮在樁端附近圍合成一個相對密閉的“封閉空腔”，阻礙了漿液的進一步擴散。灌注樁施工時一般孔底均留有沉渣，成孔也會擾動樁端一定深度以下的持力層土體，形成一個較為軟弱的區域。因此在“封閉空腔”內注漿，水泥漿液首先將樁端附近一定范圍內的沉渣和擾動土置換出。樁側泥皮對“封閉空腔”的密閉作用是有限的，存在一個閥值。根據工程經驗，一般較低的注漿壓力(如1 MPa～2 MPa)就可沖破阻礙。樁端“封閉空腔”一旦泄壓并形成漿液沿樁側流動通路后，樁端漿液的體積將基本穩定，漿液將“推擠”著泥皮沿著樁側往上移動。

2．2 樁側漿液擴散的機理

同理，樁側土層的孔隙經過護壁泥漿及注漿漿液的填充，滲透性大大降低，漿液滲透損失量較少，并可承受一定的注漿壓力(徑向壓力)。根據上海中心后注漿灌注樁基坑開挖至坑底的情況，如圖2所示，雖然樁側為⑦層細砂，滲透性較高，但僅在樁側形成了厚度約1 cm的水泥漿皮、厚度約為5 cm～8 cm泥漿、砂以及少量水泥的混合物形成的“填充區域”。周邊砂土中未見明顯的水泥漿脈、大塊水泥結石等水泥漿擴散、滲透的跡象。

圖1 樁端后注漿形成物示意圖

樁側土層在徑向壓力作用下，將產生一定量的徑向壓縮量，該部分壓縮量也將由水泥漿液填充，如圖3所示。漿液對側壁土體的徑向壓縮量，取決于該處土體的強度、位置(泥漿水頭高度)以及該處以上泥皮的封閉效果。總體來說，對于均勻地層，越接近地表，由于泥皮的封閉效果越差，漿液位置水頭越高，作用在樁側土體上的漿液壓力越小，對樁側的徑向擠土位移越小，所形成的“水泥皮”越薄。

圖2 樁側后注漿形成物

圖3 樁側后注漿形成物示意圖

3 樁端后注漿灌注樁承載力計算方法

3．1 假定條件

本文提出的樁端后注漿灌注樁承載力計算方法基于以下假定條件:1)樁側后注漿量所形成的“水泥皮”厚度為水泥漿排開樁周土體的間隙，主要包括水泥漿置換樁側泥皮的間隙以及注漿壓力引起樁側土體徑向位移而排開的土體位移。2)注漿漿液與周圍土體的作用形式以“擠密”為主［2］，不考慮滲透、劈裂等形成的水泥漿脈。3)基于柱(孔)擴張理論計算漿液“擠密”樁側土體的位移。4)水泥漿液從樁端擴散至樁側后，對樁側泥皮及土體進行擠壓置換。樁側某點水泥漿液的最大壓力為該點樁側土體的承載力極限值、該點以上泥皮阻力(極限承載力)兩者之間的小值。5)“水泥皮”與樁體之間可傳遞足夠的剪應力。樁—水泥皮—土體三者之間的破壞發生在水泥皮—土體之間。因此，可將樁—水泥皮視作一整體分析，視為“等代樁”。6)“等代樁”與土體之間的側阻力與端阻力采用預制樁的設計參數。該條假定同張忠苗［2］方法三的處理方式。預制樁一般為擠土樁或者半擠土樁，在沉樁過程中，樁周土體及樁端土體受到劇烈擠壓，土體由于擠密作用而強度得以提高(飽和高靈敏度土需控制樁間距和打樁速率方可達到類似效果)。該過程所產生的擠密效果與樁側土體受到注漿壓力擠密的效果類似，因此將預制樁設計參數作為樁端后注漿樁的設計參數是合理的。

3．2 注漿引起的樁側土體的壓縮量

某層土中樁側土體的壓縮量可由柱擴張理論計算得到［2］:δi=其中，p為水泥漿液壓力;p0為土體初始壓力;E，υ分別為土體的變形模量與泊松比;p－p0為土體的原位強度(極限承載力)，可由原位測試手段獲得。樁側土體的承載力極限值可以依據TB 10018-2003鐵路工程地質原位測試規程確定［3］，計算表達式如下:一般性粘土(Q4):pu=0．94p0．8s+8(700＜ ps＜ 3 000)。砂土:pu=3．74p0．58s+47(1 500 ＜ ps＜24 000)。其中，ps為樁身所穿越土層的比貫入阻力平均值，MPa。計算點處泥皮阻力(極限承載力)由泥皮的自重(包括灌注樁空鉆段的護壁泥漿傳遞的靜水壓力)和泥皮與樁及樁間土的摩阻力組成。但獲取泥皮與樁及樁間土的摩阻力計算參數較為困難。根據張忠苗［2］對泥皮的室內物理力學性質的研究，泥皮的重度、強度指標、壓縮模量等參數較樁間土略小(約為90% ～95%)，含水量較樁間土略高(約為105%～110%)。保守起見，可將泥皮的各項力學指標按照樁間土的75%考慮，即可粗略認為泥皮的強度約為樁間土的75%，即樁側某點可達到的最大水泥漿壓力為0．75pu。土體變形模量根據《工程地質手冊》［4］與靜力觸探比貫入阻力存在以下關系:對于軟土及飽和粘性土:E0=6．03p1．45s+0．8。對于粉、砂性土:E0=3．57p0．684s。

3．3 承載力計算公式

綜上，樁端后注漿灌注樁的承載力可將后注漿灌注樁簡化為“等代樁”后計算，即:Quk= π(D+2δi+2ai)∑qsik預li+qpk預Ap。其中，δi為注漿壓力引起的樁周土體的徑向位移;ai為泥皮厚度，一般可取 0．5 cm ～1．0 cm，與灌注樁成樁工藝有關;qsik預，qpk預分別為地層預制樁的側阻和端阻強度標準值;Ap為等代樁的樁端面積，采用持力層的δi計算。

4 工程實例

4．1 案例一:上海中心超高層項目

上海中心項目主樓采用鉆孔灌注樁后注漿工藝。工程樁樁徑1．0 m，有效樁長 63．0 m，后注漿水泥用量約 7．0 t(試樁SYZC01)。試樁采用雙套管技術，即基底以上部分樁體的摩阻力被隔離，不計入試樁承載力。采用“等代樁”法計算的總樁側阻力為23 124 kN，端阻力為7 923 kN，承載力極限值為31 048 kN。試樁結果表明承載力極限值大于31 000 kN，試樁曲線如圖4所示。地層主要力學指標及側阻力如表1所示。

4．2 案例二:昆明萬達廣場(主樓)項目

昆明萬達廣場項目主樓采用鉆孔灌注樁后注漿工藝。工程樁樁徑1．0 m，有效樁長50．7 m，采用雙套管技術，后注漿水泥用量約6．0 t。采用“等代樁”法計算的總樁側阻力為17 209 kN，端阻力為7 982 kN，承載力極限值為25 192 kN。試樁結果表明承載力極限值為25 200 kN，試樁曲線如圖5所示。地層主要力學指標及側阻力如表2所示。

圖4 上海中心試樁曲線

圖5 昆明項目試樁曲線

4．3 案例三:吳江濱湖新城核心區B1地塊項目

吳江濱湖新城核心區B1地塊項目主樓采用鉆孔灌注樁后注漿工藝。工程樁樁徑為1．0m，有效樁長為69．0m，后注漿水泥用量約5．0 t(根據注漿量計算公式約6．0 t，未達到最大注漿量)。采用“等代樁”法計算的總樁側阻力為21 921 kN，端阻力為7 923 kN，承載力極限值為29 844 kN。試樁結果表明承載力極限值為28 000 kN，扣除基底以上部分樁側摩阻力后，實際承載力僅為23 000 kN左右。該值略小于計算值根據注漿量等比例折減后的值29 844×5/6=24 870 kN。試樁曲線如圖6所示。地層主要 力學指標及側阻力如表3所示。

表1 灌注樁側摩阻力計算表(案例一)

表2 灌注樁側摩阻力計算表(案例二)

圖6 吳江項目試樁曲線

5 結語

本文通過對樁端后注漿漿液擴散機理的研究，對目前基于工程經驗的后注漿量灌注樁承載力計算方法提出了改進，提出了后注漿“等代樁”法計算承載力。“等代樁”的直徑為原灌注樁直徑加上泥皮及樁側水泥漿形成的“水泥皮”厚度。“水泥皮”厚度根據柱孔擴張理論計算的樁側水泥漿在注漿壓力作用下對樁側土體的徑向擠壓位移。土體的側阻強度及端阻強度通過注漿壓力的擠壓之后可提升至預制樁(擠土樁)的強度。通過對三個灌注樁后注漿工程案例的計算分析，采用“等代樁”法計算的后注漿灌注樁承載力極限值(破壞值)與試樁的結果非常吻合。

表3 灌注樁側摩阻力計算表(案例三)

此外，本方法計算的承載力基于低壓、慢速的樁端后注漿注漿工藝，即假定樁端、樁側均達到了最大有效的注漿量(參見筆者本次會議的另一論文)。因此，如注漿量不滿足要求，承載力計算值應適當折減。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范［S］．

［2］張忠苗．灌注樁后注漿技術及工程應用［M］．北京:中國建筑工業出版社，2009．

［3］TB 10018-2003/J 216-2003，鐵路工程地質原位測試規程［S］．

［4］《工程地質手冊》編寫組．工程地質手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2007．

［5］張忠苗，唐朝文．關于鉆孔樁樁底后注漿的技術要點［J］．巖石力學與工程學報，2002，21(11):1740-1743．

［6］張忠苗，張乾青．后注漿抗壓樁受力性狀的試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(3):1475-1478．

［7］張忠苗，辛公鋒．不同持力層鉆孔樁樁底后注漿應用效果分析［J］．建筑結構學報，2003，23(6):85-90．

［8］張忠苗，吳世明，包 風．鉆孔灌注樁樁底后注漿機制與應用研究［J］．巖土工程學報，1999，21(6):681-686．

［9］張忠苗，何景愈，鄒 健．軟土中注漿與未注漿抗拔樁受力性狀對比試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2010，29(12):2565-2572．

［10］郭全全，李 珠．擴底后注漿樁的現場試驗研究與分析［J］．巖土力學，2003，24(5):804-808．

［11］何 劍．后注漿鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究［J］．巖土工程學報，2002，24(6):743-746．

［12］張忠苗，辛公鋒，夏唐代，等．軟土地基灌注樁、擠擴支盤樁和注漿樁應用效果分析［J］．巖土工程學報，2004，26(5):709-711．

［13］張忠苗，鄒 健，劉俊偉，等．樁端后注漿漿液上返高度的理論研究［J］．巖土力學，2010，31(8):2535-2540．

［14］張忠苗，鄒 健．樁端后注漿上返高度及樁頂冒漿處理［J］．土木建筑與環境工程，2010，32(5):1-8．

［15］鄒金鋒，安愛軍，鄧宗偉，等．深厚軟土地區長鉆孔灌注樁后注漿試驗研究［J］．中南大學學報(自然科學版)，2011，42(3):823-828．