樁端后壓漿對(duì)群樁承載特性的影響研究

楊有蓮，吳啟紅，萬(wàn)世明，謝飛鴻，董建輝

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106)

樁端后壓漿對(duì)群樁承載特性的影響研究

楊有蓮，吳啟紅，萬(wàn)世明，謝飛鴻，董建輝

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106)

闡述了超長(zhǎng)大直徑灌注樁樁端后壓漿技術(shù)及其作用機(jī)理，介紹了該技術(shù)在施工中存在的問(wèn)題，以供類似工程借鑒和參考.通過(guò)某大橋超長(zhǎng)大直徑灌注樁基礎(chǔ)的具體工程應(yīng)用表明，利用樁端后壓注漿可大大提高灌注樁的樁基承載力，為克服灌注樁施工工藝上的局限性提供了一種有效的方法.

超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁；樁端壓力注漿；作用機(jī)理；承載力

0 引 言

近年來(lái)，隨著橋梁工程的迅猛發(fā)展，超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁以其承載力高的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2].但由于其成孔質(zhì)量的不穩(wěn)定性以及施工工藝上固有的局限性，如樁底沉渣常常難以清除干凈，以及樁側(cè)泥皮的存在等，往往使得樁基的承載力難以發(fā)揮.同時(shí)，由于超長(zhǎng)大直徑樁施工工期較長(zhǎng)、造價(jià)較高，若不能有效發(fā)揮樁基承載力，將會(huì)嚴(yán)重影響工程的進(jìn)度.在過(guò)去樁基設(shè)計(jì)中，為了獲得足夠大的樁基承載力，往往依靠加大樁長(zhǎng)、樁徑、增加樁數(shù)的辦法，由此導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，工程造價(jià)增加等系列問(wèn)題.針對(duì)上述問(wèn)題，在實(shí)際的工程施工中，通常通過(guò)引入樁端與樁側(cè)后壓漿技術(shù)來(lái)消除樁底沉渣和下段樁側(cè)泥皮的不利影響，這不僅可以有效完善泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁成孔工藝，改善成樁質(zhì)量，提高樁基承載力，而且還可以大大縮短施工工期，節(jié)約工程造價(jià)[3-5].為了分析樁端后壓漿技術(shù)對(duì)群樁承載特性的影響，本研究以某大橋超長(zhǎng)大直徑灌注樁的樁基礎(chǔ)為例，采用自平衡靜載法，并結(jié)合樁身埋設(shè)鋼筋對(duì)5根超長(zhǎng)大直徑試樁進(jìn)行了壓漿前、后的對(duì)比實(shí)驗(yàn).

1 樁端后壓漿及加固機(jī)理

1.1 樁端后壓漿

樁端后壓漿，是指成樁后，通過(guò)預(yù)埋在樁身的2根注漿管，待混凝土澆注完成一段時(shí)間后，即可開(kāi)始注漿.注漿時(shí)，一根管作為壓漿管，另一根管作為溢漿管.樁端后壓漿的具體步驟是：首先，用高壓泵先注清水(或泥漿)清洗孔底；然后，利用高壓注漿泵壓力作用，經(jīng)樁端底土層均勻地將配制好的水泥漿注入(見(jiàn)圖1).

圖1樁端后壓漿過(guò)程示意圖

如圖1所示，通過(guò)高壓注漿，樁端底的沉渣一部分被排出，另一部分和樁端底土體一起與水泥漿充分混合發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而固化凝結(jié)成一個(gè)結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定的結(jié)石體.

1.2 樁端后壓漿加固機(jī)理

樁端后壓漿加固的機(jī)理是：在樁端后壓漿過(guò)程中，隨著注漿量的增加及注漿壓力的提高，一方面，水泥漿不斷地向樁端持力層中滲透，在樁端底部形成一個(gè)水泥土擴(kuò)大頭，改善了樁端的支撐條件，從而大幅度提高了單樁的承載力；另一方面，當(dāng)注漿壓力升高、注漿量不斷增加，注入樁端的水泥漿在壓力作用下，在樁端以上一定高度范圍內(nèi)會(huì)沿著樁的側(cè)壁上升，充填于樁側(cè)壁與孔壁之間，進(jìn)而改善了樁側(cè)泥皮厚度帶來(lái)的工程問(wèn)題.

研究表明，通過(guò)樁端后壓漿，水泥漿充填樁身與樁周土體的間隙并滲入到樁周土層一定寬度范圍，在很大程度上解決了影響泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁承載力的樁底沉渣、樁側(cè)泥皮2大主要工藝因素，提高了樁端阻力及樁側(cè)摩阻力，進(jìn)而提高了樁的承載力[2-3].

2 影響超長(zhǎng)灌注樁承載性能的因素

在超長(zhǎng)灌注樁采用樁端后壓漿技術(shù)施工時(shí)，以下情況會(huì)對(duì)其承載性能產(chǎn)生影響.

1)為避免在成孔過(guò)程中出現(xiàn)坍塌和縮徑現(xiàn)象，工程中一般采用泥漿護(hù)壁.泥漿中的黏土粒在循環(huán)過(guò)程中吸附于孔壁，形成樁側(cè)泥皮，從而起到護(hù)壁的作用.但由于泥皮的存在，相當(dāng)于在樁土之間涂了一層潤(rùn)滑油，削弱了樁身混凝土與樁間土的黏結(jié)性能，從而在一定程度上降低了樁側(cè)的摩阻力.

2)施工過(guò)程中，由于使用泥漿作為沖洗介質(zhì)，無(wú)論采取何種清孔工藝，都很難將孔內(nèi)沉渣全部消除干凈.尤其是當(dāng)泥漿比重和黏度都較大，且清孔不徹底時(shí)，往往造成樁底沉渣較厚，從而嚴(yán)重影響灌注樁的承載力.

3)在泥漿護(hù)壁的環(huán)境下，因受水的浸泡作用，使得樁周土體強(qiáng)度降低，引起樁身砼收縮等情況出現(xiàn)，此均會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的降低.

由于上述情況的出現(xiàn)具有很大的不確定性，使得灌注樁的單樁承載力往往表現(xiàn)出一定的離散性.相關(guān)實(shí)驗(yàn)也證明，同一個(gè)施工場(chǎng)地、相同結(jié)構(gòu)的樁體，其承載力最大可相差2倍以上，這不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，還使得鉆孔灌注樁的工程質(zhì)量具有很大的不確定性.

根據(jù)本工程對(duì)象試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，各排樁樁頂軸力在不同階段荷載下樁軸力分布如圖2所示.

圖2顯示，由于樁土相互作用，在不同位置處的樁受到相鄰樁的樁土相互作用的影響程度不同，使得不同位置的樁的受力變形特性有較大的不同.靠近承臺(tái)兩端邊緣的樁和承臺(tái)系梁附近的樁表現(xiàn)為單樁荷載傳遞特性，承臺(tái)內(nèi)部的樁因群樁效應(yīng)大而使得其樁頂軸力值差別較小，在各階段荷載作用下，各排樁樁頂軸力呈W形分布.

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

目前，超長(zhǎng)大直徑灌注樁無(wú)論在設(shè)計(jì)上還是在施工工藝上，尤其是在清渣、混凝土澆注等方面都存在很多技術(shù)難題.作為研究對(duì)象的某大橋主塔橋墩區(qū)位于第四系土層，厚達(dá)300 m左右，地質(zhì)條件復(fù)雜，屬于軟弱地基.工程施工中，對(duì)其采用了超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ).

圖2不同荷載階段下樁軸力分布

3.2 自平衡測(cè)試及試樁參數(shù)

自平衡測(cè)試，是利用預(yù)埋在樁身的荷載箱進(jìn)行的一種靜載實(shí)驗(yàn)法.此方法利用了所測(cè)樁自身的反力來(lái)平衡加載力，通過(guò)液壓泵對(duì)荷載箱內(nèi)腔施加向上、向下壓力，將箱蓋和箱底同時(shí)推開(kāi)，從而調(diào)動(dòng)樁周側(cè)摩阻力和樁端阻力，其測(cè)試原理如圖3所示.

圖3自平衡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)原理示意圖

在試驗(yàn)中，采用慢速維持進(jìn)行加載法，并按《樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，各試樁的樁身按土層界面布置鋼筋應(yīng)力計(jì)算，每個(gè)截面對(duì)稱布置.測(cè)試參數(shù)如表1、表2所示.

3.3 壓漿前、后測(cè)試值的對(duì)比分析

由于該大橋施工工期長(zhǎng)，成樁質(zhì)量受施工因素的影響很大，樁底沉渣厚度及樁側(cè)泥皮厚度變化顯著，使得樁端阻力和樁側(cè)摩阻力的大小具有很大差異.壓漿前、后樁承載特性如圖4所示.

表1 試樁參數(shù)

表2 壓漿參數(shù)

圖4 壓漿前、后樁承載特性對(duì)比示意圖

圖4表明，從壓漿效果來(lái)看，壓漿后的樁承載性能明顯得到改善.但從承載力設(shè)計(jì)角度來(lái)看，由于受施工工藝因素的影響，使得樁基承載力，包括樁端阻力和側(cè)阻力，提高的幅度具有較大的離散性，故在樁基承載力理論設(shè)計(jì)中，難以反映壓漿的具體效果.對(duì)此，有必要進(jìn)行消除施工工藝因素影響后的壓漿效果對(duì)比.

綜合本研究相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，壓漿前、后樁的承載特性如下：

1)樁端后壓漿技術(shù)可有效消除泥漿護(hù)壁工藝的不利影響.在壓力作用下，水泥漿液下對(duì)樁端持力層進(jìn)行滲透、劈裂和擠密等作用，在樁的端部形成一個(gè)較大直徑的水泥土固結(jié)體，這樣使得樁端阻力大幅度提高.同時(shí)下段樁身的樁側(cè)泥皮和一定范圍的土體也得到加固，從而使樁的承載力得到了提高.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，壓漿后樁的極限承載力提高了約55%～100%，其中總的樁側(cè)摩阻力提高了約12%～50%，總的樁端阻力提高了約2.5～25倍.

2)經(jīng)樁端壓漿后，樁端剛度得到大幅度提高.壓漿前，樁端阻力占總承載力的比例約為2%～12%，基本屬摩擦型樁；壓漿后提高到22%～35%，屬端承摩擦樁，由摩擦樁轉(zhuǎn)變?yōu)槎顺心Σ翗?

3)鉆孔灌注樁的壓漿效果受諸多因素的影響，如壓漿量、樁長(zhǎng)和土層條件等.但樁越長(zhǎng)，直徑越大，壓漿效果越差.而在其他條件相似時(shí)，壓漿效果將受壓漿參數(shù)影響，在一定范圍內(nèi)，承載力會(huì)隨壓漿壓力的增大而增大.

4 消除樁底沉渣影響的措施

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響樁底沉渣厚度的主要因素有：土層、泥漿比重、施工工藝、施工技術(shù)及管理水平等.其中，對(duì)泥漿護(hù)壁的超長(zhǎng)灌注樁來(lái)說(shuō)，施工技術(shù)與工藝的影響較大.常規(guī)正循環(huán)工藝施工時(shí)，受泥漿泵排渣效率限制，清渣效果不理想，尤其當(dāng)孔深超過(guò)50 m時(shí)，排渣效率更低.同時(shí)，為增強(qiáng)泥漿的懸浮能力，施工中一般采用較大比重的泥漿(一般為1.1～1.25)，使得泥皮的厚度較大，將會(huì)造成樁側(cè)摩阻力的損失較大.而在反循環(huán)工藝施工時(shí)，一般采用較小比重的泥漿(一般<1.1)，清渣時(shí)可根據(jù)孔深采用泵吸反循環(huán)或氣舉反循環(huán)清渣工藝，效果較好，從而使單樁承載力得到正常發(fā)揮.

另外，采用樁端后壓漿工藝，可通過(guò)高壓水泥漿對(duì)樁底沉渣的劈裂滲透、置換擠密、化學(xué)膠結(jié)等作用使得沉渣強(qiáng)度得以提高，從而消除其不利影響.

5 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)某大橋超長(zhǎng)直徑灌注樁基礎(chǔ)的樁端壓漿前、后樁的承載性特性的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：利用自平衡靜載荷法，可充分調(diào)動(dòng)樁周土的側(cè)阻力與端阻力，從而為研究超長(zhǎng)大直徑試樁的承載特性創(chuàng)造了條件；樁端壓漿后，單樁極限承載力提高了約55%～100%，其中總的樁側(cè)摩阻提高了約12%～53%，樁總端阻提高了約5～25倍；經(jīng)樁端壓漿，樁端剛度可大幅度提高，壓漿后，總的樁端阻力所占比例提高到了22%～35%，樁的承載形態(tài)由壓漿前的摩擦型樁變?yōu)閴簼{后的端承摩擦樁.

本研究證實(shí)，樁端后壓漿技術(shù)可大幅度提高單樁的承載力，改變了過(guò)去主要依靠增大樁長(zhǎng)、擴(kuò)大樁徑的方法來(lái)提高樁的承載力的工藝.同時(shí)，采用該技術(shù)可大大縮短施工工期，降低工程造價(jià)，具有廣闊的應(yīng)用前景.但需要說(shuō)明的是，由于施工場(chǎng)地和施工條件的復(fù)雜多變，樁端后壓漿技術(shù)在實(shí)際工程的應(yīng)用中仍有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究.

[1]黃根生，龔維明.蘇通大橋一其超長(zhǎng)大直徑樁承載特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(19)：3370-3375.

[2]李昌馭.大直徑鉆孔灌注樁樁端后壓漿試驗(yàn)研究[J].公路，2004，49(5)：55-59.

[3]申建宇，李少彬.后注漿技術(shù)的應(yīng)用研究[J].巖土工程界，2001，4(10)：40-41.

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[5]車志強(qiáng).鉆孔灌注樁樁底后注漿技術(shù)及應(yīng)用[J].巖土工程界，2002，5(11)：35-36.

StudyonInfluenceofPile-endPost-groutingTechnologyonBearingCharacteristicsofPileGroups

YANGYoulian,WUQihong,WANShiming,XIEFeihong,DONGJianhui

(School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

In this paper,the pile-end post-grouting technology and its mechanism of bored piles of super-long diameters are discussed,and the problems existing in the construction are introduced in order to provide reference for similar projects.Based on the study of a specific engineering application of filling pile foundation of a bridge with a large diameter,this paper shows that the bearing capacity of pile foundation can be greatly improved by using the pile-end post-grouting technology which provides a very effective method to overcome the limitations of the construction technology of filling piles.

bored-piles of super long diameter;pile-end pressure grouting;mechanism of action;bearing capacity

U441+.2

A

1004-5422(2017)04-0417-04

2017-10-03.

楊有蓮(1976 — )，女，博士，講師，從事土木工程軟基加固與基礎(chǔ)工程研究.