壓密注漿樁材料設計要點解讀
——《壓密注漿樁技術規范》解讀(二)

秦 強 彭春雷

(1.湖南水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007；2.湖南水利電力工程建設監理咨詢有限公司，湖南 長沙,410007;3.湖南宏禹工程集團有限公司，湖南 長沙 410117)

一、標準要求

3.3.3 壓密注漿樁加固形成的復合地基的沉降變形，應為壓密注漿樁群樁范圍內的壓縮變形和壓密注漿樁底部未被加固土體的壓縮變形之和。宜符合下列規定：

1 壓密注漿樁群樁范圍內的壓縮變形宜根據建筑物荷載、樁長、樁身強度、天然地基土強度、置換率、復合地基的變形模量等按式(1)和式(2)估算。

(1)

Esp=mEp+(1-m)Es

(2)

式中S1——加固區的沉降變形量，m；

Pz——壓密注漿樁復合土層頂面的附加壓力值，kPa；

Pzi——壓密注漿樁復合土層底面的附加壓力值，kPa；

m——面積置換率；

l——壓密注漿樁樁長，m；

Esp——壓密注漿樁復合土層的壓縮模量，kPa；

Ep——壓密注漿樁的壓縮模量，可取(100～120)fcm，kPa；

Es——樁間土的壓縮模量，kPa。

2 壓密注漿樁樁端以下未加固土層的壓縮變形量，可按GB50007的有關規定進行計算。

二、標準要點解讀

壓密注漿樁是一種適用于砂土、粉土、黏性土、碎石土、人工填土等地基的加固處理技術。主要是通過高壓泵將低坍落度注漿材料通過注漿管壓入到預定土層，通過自下而上分段注入形成一個似圓柱形或葫蘆狀形的均質樁固結體；同時漿料不斷壓密土體中的孔隙，將原來松散土粒壓縮并密實周邊地基土，提高樁周邊一定半徑范圍內土的干密度，達到提高復合地基承載力的目的。

1 壓密注漿樁加固機理

壓密注漿通過鉆孔將極稠的漿液擠入土體，在注漿處形成漿泡。漿泡將土體壓縮，在漿泡臨近區存在大的塑性變形區。離漿泡較遠區域土體發生彈性變形，因而土的密度明顯增加。鉆桿自下而上注漿形成樁體。壓密注漿樁施工開始時，壓力方向主要是水平徑向方向。隨著漿泡體積的增加，將產生較大的上抬力，因而壓密注漿的擠密作用和上抬力對沉降基礎加固和抬升是非常有效的。壓密注漿樁加固地基土體的作用主要體現在以下四個方面：

a.樁頂受荷。注漿過程中，隨著高塑性細石混凝土在注漿壓力的作用下擠開土體，形成一條自下而上的樁體，可起到類似復合地基中樁體的作用。

b.樁側摩擦力。因土體沉降速率遠大于樁體，土體通過樁側摩擦力將部分荷載轉移給樁體承擔；土體被注漿材料擠開時，產生超孔隙水壓力，隨著超孔隙水的排出，樁土接觸面的土體逐漸密實，兩者之間的摩擦力亦逐漸增大。

c.擠密作用。壓密注漿是采用干密性的漿料在外部壓力作用下克服地下水孔隙壓力和土體上覆應力，擠密土體孔隙形成球形漿泡，并逐段灌注形成樁式柱體，使周圍土體不斷壓縮密實，見圖1。壓密注漿的漿液坍落度低，漿液在土體中的運動是推擠周圍土體，起置換作用，其注漿壓力對土體產生擠壓作用，使周圍土體發生塑性變形，而不會對土體產生滲透或劈裂，從而達到對地基產生壓密效應、形成理想的圓柱體或橢圓球體的效果。

圖1 壓密注漿示意

2 壓密注漿樁復合地基沉降計算方法

2.1 復合地基沉降計算方法概述

目前，復合地基沉降計算主要有三類方法：經驗公式法、以有限元為代表的數值計算法和以彈性理論為基礎的解析法。由于豎向增強體的存在，并且增強體的材料種類繁多，使得沉降計算結果誤差較大。當前，釆用解析法進行變形計算非常復雜，數值計算方法雖為復合地基變形計算提供了一種新的方法，但是由于樁間土與增強體的本構關系復雜，正確選取計算參數較為困難，導致這兩種方法在工程中的應用均不成熟。

在各類實用計算方法中，通常把復合地基沉降分為兩部分。加固區的壓縮量S1，下臥層的壓縮量S2，復合地基的總沉降S為兩部分壓縮量之和，沉降示意見圖2。

圖2 復合地基沉降示意

對下臥層沉降量S2，采用分層總和法計算，而對加固區范圍內的壓縮量S1，則針對各類復合地基的特點采用一種或幾種計算方法。

2.1.1 加固區地基壓縮量計算方法

2.1.1.1 復合模量法

復合模量法是加固區壓縮量計算方法中計算結果與實際觀察數據吻合較好的方法，也是《建筑地基基礎設計規范》(GB 5007—2011)規范推薦方法。復合模量法計算的公式見式(3)、式(4)：

(3)

Ecs=mEps+(1-m)Ess

(4)

式中φ——沉降計算修正系數，根據當地沉降觀測資料及經驗確定；

ΔPi——第i層復合土上附加應力增量,kPa；

Hi——第i層復合土層的厚度,m；

m——復合地基置換率；

Eps——樁變形模量,MPa；

Ess——樁間土壓縮模量,MPa。

復合模量法有兩個缺點，一是無法反映出樁長效應；二是無法反映樁端阻的作用。

2.1.1.2 應力修正法

在采用應力修正法計算加固區壓縮量時，根據樁間土分擔的荷載，按照樁間土的壓縮模量，忽略增強體的存在。豎向增強體復合地基中樁間土分擔的荷載見式(5)：

(5)

式中p——復合地基平均荷載密度,kPa；

μs——應力減少系數或稱應力修正系數；

n——復合地基樁土應力比。

2.1.1.3 樁身壓縮法

假設樁端刺入下臥層的沉降量為Δi，樁頂向上刺入量為Δb，樁體本身壓縮量為sp，則加固區的壓縮量見式(6)：

s1=Δi+Δb+sp

(6)

在樁身壓縮法中根據作用在樁體上的荷載和樁體變形模量計算樁身壓縮量。樁分擔的荷載可用式(7)表示。

(7)

式中μp——應力集中系數。

若樁側摩阻力均勻分布，樁底端承載力密度pb0，樁體本身壓縮量sp的表達式見式(8):

(8)

式中pp(z)——樁身應力沿深度變化的表達式；

Ep(z,p)——樁身變形模量，可以是深度z和樁身應力p的函數。

2.1.1.4 沉降折減法

沉降折減法計算加固區的最終沉降s1的表達式見式(9)、式(10)：

s1=βs0

(9)

(10)

式中s0——與樁間土同性質的天然地基最終沉降量,mm；

β——沉降折減系數，0<β<1。

沉降折減法，根據樁間土的變形參數，按天然地基計算其最終沉降量。折減系數可根據沉降觀測資料對比確定，結果準確與否關鍵在于折減系數的取值。

2.1.1.5 直接計算法

直接計算法計算加固區的最終沉降S1的表達式見式(11)：

(11)

式中φ——復合地基沉降折減系數；

p0——對應于荷載標準值時的基礎地面處附加壓力,kPa；

αh——基礎底面至復合地基底面平均應力系數；

h——由基礎底面算起的復合地基的厚度,m；

Esp——復合地基變形模量,kPa，可由荷載試驗直接測得。

直接計算方法簡單，但參數的選取至關重要，包括沉降折減系數、基礎底面至復合地基底面平均附加應力系數、復合地基變形模量等。

2.1.2 下臥層壓縮量計算方法

下臥層壓縮量S2主要采用分層總和法計算，其表達式見式(12)：

(12)

式中n——土層分層數；

p0——荷載效應準永久組合的基礎底面處的附加應力,kPa；

Esi——基底下第i層土的壓縮模量,MPa；

zi、zi-1——基底至第i層土、第i-1層土底面的距離,m；

φ——沉降計算修正系數。

使用分層總和法計算下臥層的壓縮量S2時，下臥層上的荷載是比較難以精確計算的。在實際計算中，常采用以下幾種方法來確定下臥層上的荷載。

2.1.2.1 壓力擴散法

壓力擴散法計算下臥層上附加應力示意見圖3。復合地基上作用荷載為p，復合地基加固區壓力擴散角為β，則作用在下臥土層上的荷載pb可用式(13)計算：

(13)

式中B——復合地基上荷載作用寬度,m;

D——復合地基上荷載作用長度,m；

h——復合地基加固區厚度,m。

圖3 應力擴散法應力示意

壓力擴散法的計算精度主要影響因素是擴散角，擴散角的不確定性很容易引起計算結果發生較大的偏差。

2.1.2.2 等效實體法

等效實體法計算下臥層上附加應力示意見圖4。將復合地基加固區視為等效實體，作用在下臥層上的荷載與作用在復合地基上的相同，在等效實體四周作用有側摩阻力f，則復合地基加固區下臥層上荷載密度pb的表達式見式(14)：

(14)

式中f——復合地基上側摩阻力,kPa。

等效實體法的計算誤差主要來自對側摩阻力值的合理選擇。

圖4 等效實體法法應力示意

2.2 壓密注漿樁復合地基沉降計算方法分析

壓密注漿樁是塑性細石混凝土硬化后形成的一種樁體，抗壓強度接近于混凝土灌注樁或CFG樁，但因未置入鋼筋，其抗彎、抗剪能力則介于剛性樁和柔性樁之間。壓密注漿樁復合地基與剛性樁復合地基的承載機理相似，都是應力向樁體集中，通過樁體將荷載傳遞到深層土體，從而提高地基的承載能力；壓密注漿樁復合地基屬于半剛性樁復合地基，作用機理與水泥土攪拌樁相似，因此，壓密注漿樁復合地基的沉降計算方法可以參考水泥土攪拌樁進行。結合《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79—2012)7.3.2.9條規定，豎向承載壓密注漿樁復合地基的變形包括壓密注漿樁復合土層的平均壓縮變形量S1與樁端下未加固土層的壓縮變形S2。

從工程實用的角度出發，以上的幾種加固區沉降計算方法除復合模量法外都存在參數不易確定的難題，復合模量法可以作為壓密注漿復合地基加固區沉降計算的推薦方法，同時也是《建筑地基基礎設計規范》(GB 5007—2011)規范推薦方法。因此，壓密注漿樁復合土層的平均壓縮變形量S1推薦采用復合模量法進行計算，下臥持力層壓縮量計算推薦采用分層總和法，下臥層上的荷載計算推薦采用應力擴散法或者等效實體法。