濱海軟土中后注漿樁樁側負摩阻力研究

鐘 杰 李糧綱 胡龍飛

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

后注漿的滲透固結、充填擠密及劈裂等加固作用，在固化樁底沉渣和樁側泥皮上效果顯著，可有效提高樁的承載力、減小沉降、提高施工質量。在土質松軟或基巖埋深較大的濱海軟土中，樁基的支承較多地依靠樁側摩阻力發揮作用。而樁側摩阻力的提高，主要得益于漿液的壓密和滲透，使得樁側泥皮固化，有效地改善了樁側摩擦性能[1]。故該技術在近年來的運用日益增多，尤其是在大型橋梁和超高層建筑之中。對于存在的樁側負摩阻力，產生的原因各有不同，已有部分學者對其提出了自己的觀點和研究成果，例如鄒健等人[2]對樁端后注漿樁的殘余應力理論研究；劉前進等人[3]從樁側土體液化和孔隙水壓力變化等角度的分析；姚海林等人[4]從加固機理的角度提出的分析；梁仁旺等人[5]對濕陷性黃土地基支盤后注漿樁工程性狀的試驗研究等。但就目前而言，對于負摩阻力產生原因的探討，較多地集中于理論分析，與實際實測數據聯系還不夠緊密。本文以后注漿的加固機理與施工工藝作為出發點，在總結歸納已有研究成果的基礎上分析負摩阻力形成的機理，并結合某主塔樓樁基工程的后注漿靜載試驗實測數據，分析探討可能造成樁側產生負摩阻力的其他因素，對后注漿技術的理論研究和現場運用有較大的參考意義。

1 負摩阻力來源分析

在已有研究成果的基礎上進行分析，在濱海軟土中使用后注漿技術的鉆孔灌注樁，樁側負摩阻力主要來源于以下四個方面。

1.1 后注漿工藝的殘余應力

在樁端后注漿過程中，漿液在加固機理上可以分為填充緊密、滲透固結及劈裂等作用。若在卵礫石層中，后注漿的漿液大多通過填充作用占據土顆粒間的空隙，并通過滲透作用向外擴散，且注漿的擴散半徑會在一定范圍內持續增大，更多地表現出滲透和填充作用的效果。而在濱海軟土中，由于孔隙一般比較大，土體顆粒之間的結構不連續，通常還具有壓縮性比較高的特點，故在注漿前期，注入的漿液在樁端形成漿泡，加固作用主要以填充和壓密為主，并在樁端形成雙向的作用力F1與F2，F1向上推動樁端上移，F2向下擠壓樁端下部土體。由于存在樁側摩阻力且F1的數值較小，難以對樁體位移產生實質性影響，但對于樁身下部而言，卻能起到一定程度的壓縮變形作用，使其樁身下部產生負摩阻力。

由于漿泡具有內壓，該負摩阻力便會隨著漿液滲透而部分消散，故最終在靜載試驗前，會留有殘余負摩阻力。該部分殘余負摩阻力將在靜載試驗中逐步增加至0值，后再增加到極限正摩阻力。

1.2 土的剪縮、剪脹

在劉前進等人[3]的研究中，通過測算樁身軸力和樁側摩阻力表明：松砂土體顆粒受剪時伴隨的剪縮、正常固結粘土在受剪時伴隨的剪縮、密實細砂土在低圍壓時表現的剪脹、超固結粘土具有的剪脹趨勢，均會使得土層厚度變化而造成負摩阻力樁段。具體而言，剪縮會在土層上部產生負摩阻力區，下層產生正摩阻區，而剪脹是在上部產生正摩阻區，下部產生負摩阻區。

1.3 高靈敏土的液化、濕陷性土體

在高靈敏土的樁段，由于外界的輕微擾動，均會使土體原有結構受到一定程度的破壞，使土地喪失原有的穩定性而趨近于像液體一樣的流動，也就出現了部分土體相對于樁體的向下運動。

其次，對于濕陷性黃土地區，當發生浸水現象時，也會發生不同程度的濕陷，使得土體豎直向下運動[5]。

樁側土體若為這類高靈敏土或濕陷性土，則將因為產生流滑或濕陷現象而使得樁側產生負摩阻力。

1.4 樁體因注漿變徑

在鉆孔灌注樁的后注漿技術中，若對樁側進行后注漿，其漿液的劈裂和壓密作用會在樁周形成比樁徑略大的固結體[3,6]。在靜載實驗中，由于豎向荷載的作用，樁身發生的壓縮或豎向的沉降變形均會導致固結體的上部出現臨空區。當臨空區到達一定大小后，臨空區上部土體失穩且在自重作用下向下填充，故而也會出現樁側摩阻力的負值。

綜上，各已有研究成果所提及的影響因素及其負摩阻力樁段位置可歸納為表1。

表1 負摩阻力來源分析

2 產生負摩阻力其他原因探討

2.1 工程概述

某工程的主塔樓是核心筒結構的大型超高層建筑，地上96層，總高度530 m；場地下設4層地下室，基底開挖深度標高-29 m。

2.2 靜載試驗概述

主塔樓部分的其中1根受壓試驗樁，長度為97.5 m，設計樁徑為1 000 mm，設計混凝土標號為水下C45，充盈系數為1.08，設計注漿方量76.96 m3，實際方量83.0 m3。試驗采用錨樁法，采用慢速維持荷載法按雙循環方式加載，即第一循環分6個等級從6 000 kN加至21 000 kN，之后逐級卸載，第二循環分9個等級從6 000 kN加至30 000 kN，之后逐級卸載。雙循環Q—S曲線如圖1所示。

在靜載試驗時，設置了15個測量截面，如表2所示，每個截面對稱布置2只應力計。

表2 應力計測量截面明細

同時，在標高-29 m的有效樁頂處設置沉降桿。標高-29 m以上采用雙套筒來設置非摩擦段，以便于隔離樁土接觸。

2.3 樁側摩阻力分析

若假定同一截面鋼筋與混凝土變形協調、樁身在整段上的混凝土應力—應變關系相同、樁側摩阻力為均布荷載，則根據應力計實測數據可算出在各級荷載下的樁身軸力，每兩截面之間的樁側摩阻力。

由靜載試驗結果可知，在第二循環中，樁側摩阻力存在負值區域，且主要集中于約-49 m以上的樁段，如圖2所示。

從后注漿工藝導致殘余應力的角度分析，由于注漿后首先進行了荷載試驗的第一循環，漿泡內壓導致的負摩阻力已經增加到正值，故在第二循環中部分樁段的負摩阻力，不應歸于此因素。

從土的性質角度分析，該地區上部地層多為粘土和粉質粘土，且多交替互層，但勘察中超固結比大多接近于1，靈敏度均小于2，故由于此因素影響而造成負摩阻力的可能性存在但較小。

從樁體注漿變徑而受載產生臨空區的角度分析，由于實測樁徑為1 010 mm，增加量較小，計算中采用的是成孔后的實測樁徑，且樁側為全注漿，故不應歸因于此因素。

從雙循環靜載試驗角度來分析，第一循環結束后，樁頂因回彈過程而上移，故靠近樁頂一定樁身長度內的樁側摩阻力會反向。此時雖已開始進行第二循環的加載，但因前面幾級荷載值較小，如小于18 000 kN，則該部分樁段的樁側摩阻力尚不足以立即改變方向。所造成的現象在于：1)樁的中部會出現樁身軸力大于樁頂荷載的情況，該現象已在第二循環的樁身軸力圖中得到印證，如圖3所示；2)該段的樁側摩阻力會隨著加載值增加，逐步由負值歸零，再增加到正值。

3 結語

1)在濱海軟土后注漿樁中，可能造成樁側負摩阻力的原因包括：后注漿工藝的殘余應力、土的剪縮與剪脹、高靈敏土的液化、濕陷性土體、樁體因注漿變徑、雙循環靜載試驗等等，可歸類于土質因素、工藝因素、試驗條件因素這三類；

2)雙循環靜載試驗中，第二循環加載較小時，樁的中部會出現樁身軸力大于樁頂荷載的情況；

3)雙循環靜載試驗的負摩阻力主要來源于樁體的回彈，若回彈儲能的消散時間足夠，應力得到釋放，測得的負摩阻力將趨于極小值。