挖鉆孔柱基底沉渣對基礎承載力影響

李智平 張紅 龍建輝

摘 要：針對傳統灌注樁基礎施工過程中產生沉渣影響樁基承載力發揮的問題，提出用荷載傳遞性狀現場測方法，對單樁極限承載力、樁端阻力和樁端側摩阻力受沉渣影響的機理。試驗結果表明：樁的破壞形式受到沉渣厚度的影響，沉渣厚度大，樁破壞形式為刺入破壞;沉渣厚度小，樁破壞形式為樁端土壓縮變形。相同樁頂荷載條件，沉渣厚度與樁頂沉降量成正比，與單樁極限承載力成反比。當沉渣厚度較大時，端阻最大損失可達80%，側阻損失可達70%，壓密后，樁端阻力慢慢的接近正常樁。處理沉渣的有效方式為反循環清渣工藝結合樁底高壓注漿工藝。

關鍵詞：沉渣;沉渣厚度;極限承載力;樁端阻力;樁側摩阻力

中圖分類號：TU473.1+1;TU473.1+4 ?文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0112-04

隨著建筑行業的發展，樁基礎也得到了較為廣泛的運用。在某些不能滿足上部荷載又不能使用地基處理的地基土上，就需要采用樁基礎進行施工作業。但受到施工工藝、施工隊伍技術水平的影響，樁基礎施工過程中會產生一定量的沉渣。沉渣影響樁基承載力，因此，研究沉渣厚度對樁基的影響方式和處理方法是目前研究的重點。通過改變沉渣厚度和壓縮模量，研究端承樁的荷載—沉降曲線變化規律，證實了沉渣的出現會導致樁端阻力損失嚴重，進而降低極限承載力;通過增加沉渣壓縮模量能有效控制樁頂沉降[1];嘗試用隨鉆跟管樁豎向承載特性模型試驗探究沉渣厚度對管樁承載力的影響。證實了存在樁底沉渣時，隨鉆跟管樁是以發揮側摩阻力為主的端承摩擦型樁[2]。以上學者的研究成果確定了沉渣的出現會對樁基礎強度產生影響，但對影響機理和處理方式并沒有深入探討。基于此，本文嘗試用樁靜載試驗及荷載傳遞性狀現場測試的方法，確實沉渣對樁基礎的影響機理。并對處理成渣的方式進行探討。

1 現場地質原型情況確定

本文試驗原型取福州盆地中部的某30層寫字樓。該寫字樓所處場地的土層成因主要為淤積和沖洪積。樁基礎均是采用Φ1 000 mm的鉆孔灌注樁。選擇兩根工程地質性能皆類似的兩根試裝S1和S3進行分析（其中S3正常樁，沉渣厚度約為8 cm）。S1樁身在土層分界面裝有鋼筋應力計和超聲波管;在靜載試驗完成后，對S1樁進行超聲檢測和鉆孔取芯檢驗。S3與S1距離很近，因此莊周土層土體結構類似。S3與S1具體施工參數如表1所示。

靜載試驗選擇慢速維持荷載法進行分級加荷。試驗過程中，S1樁經過第1循環后，將荷載卸除歸零，繼續進行第2次循環試驗。分別測試兩次試驗時S1樁身軸力分布變化，統計結果如圖1所示。兩樁靜載Q-S曲線如圖2所示。進行第2次循環試驗時，第1次循環造成的沉降忽略不計。

2 沉渣對單樁極限承載力的影響

通過對臨近像是場地的同類樁進行實測，以5 000 kN作為強風化土層極限短阻力換算Qpk。按照常用經驗公式，根據試樁點附近土層標準貫入基數計算Qxk。由圖2可知，S1樁底沉渣檢測厚度值為39.88 cm，經過第1次循環，單樁極限承載力的測試值為4 000 kN，僅為計算值的22.7%。端阻發揮占7.9%，側阻發揮為27.5%;將荷載卸載歸零后，測得殘余沉降度為7.383 cm，此時沉渣厚度為32.2 cm。經過第2次循環后，單樁極限承載力由4 000 kN增長至10 000 kN，對試樁增長的幅度達到了150%，達到了計算值的55.2%，其中端阻發揮為42.4%，側阻發揮60.3%。

這就說明對沉渣的壓縮，能夠快速有效提升單樁的極限承載力。但在相同的樁頂荷載下，試驗樁S1仍比正常樁S3沉降量大，單樁極限承載力也偏低。工程地質和成樁相同的條件下，樁底沉渣對沉降量和單樁極限承載力產生不良影響。經過實際考察統計證實，沉渣影響單樁極限承載力實測值與計算值的比值為0.3～1.0。

3 沉渣對端阻力的影響

圖3為Qw與Qp、Qs間關系，其中圖3（a）表示Q～QI～Qs增長趨勢，圖3（b）表示δ～Qp～Qs增長趨勢。樁端土層短阻力比沉渣強度高，可能出現“軟墊”現象。沉渣強度控制樁端土極限承載力。由圖2可知，第1次循環試驗施加荷載至5 000 kN時，樁端阻力約為647 kPa，占樁頂荷載的12.5%，轉換為強度約等于647 kPa。該強度已經大于沉渣的極限強度，因此樁出現陡降現象，出現“刺入破壞”，進而達到樁的極限承載力。樁極限承載力為4 000 kN時，樁端阻力為421.8%，僅僅是樁端土層正常值的8.3%。沉渣的壓縮會導致強度增長，端阻力也表現出穩定增長的狀態，如圖3（a）所示。在第2次循環增加荷載時，樁頂荷載一樣，第2循環和第1循環的樁端阻力實測值相近，即沉渣厚度幾乎不影響樁側和樁端荷載分擔比例。

由圖3（b）可知，樁端位移相同，樁端阻力受沉渣大小影響。沉渣越小，受到的端阻力越大。發揮相同的樁端承載力，沉渣厚度較大需要的樁土位移蓋大于沉渣較小時的樁土位移。第2次循環試驗過程中，樁沒有陡降現象出現，說明第1次循環試驗將沉渣壓縮后，改善了其強度，此時樁端阻力也慢慢接近正常樁。樁的破壞形式從“刺入破壞”緩慢變為局部剪切破壞;在Q-S曲線表現為“陡降”變成“緩變”。樁的極限承載力也慢慢轉換以樁底沉降量進行控制。此時，樁底沉渣總壓縮量為10.38 cm樁底留下的沉渣厚度為29.28 cm左右，端阻力提高至2 057 kN，對應的強度為2 096 kPa，為樁頂荷載的20.6%，是樁端土層正常值的42.7%。極限狀態下的端阻力比第1次循環有所提高，樁端阻力持續增加。

根據上述可知，對樁端阻力發揮和樁破壞形式較大影響的因素是沉渣厚度。沉渣壓密的進行，樁端阻力同步增加，并趨近于正常樁端土層強度。當沉渣厚度較大，樁的主要破壞形式為“刺入破壞”，將沉渣壓縮至允許范圍時，破壞形式逐漸變為壓縮變形。

因此通過控制柱底沉渣厚度可有效避免樁出現刺入破壞和樁頂沉降量過大的現象。對位于特定持力層的超長大直徑灌注摩擦樁，樁端阻力幾乎不超過樁頂荷載的30%。因此想要保證樁端土層強度的正常發揮，實際工程沉渣的厚度需要控制在10 cm左右。

4 沉渣對樁側摩阻力影響

表2為極限狀態下樁側土層摩阻力與樁土相對位移。

由表2可知，兩次循環荷載試驗，樁身下部土層側摩阻力都比正常值更小。說明沉渣對樁端阻力和樁身下部樁側土層的摩阻力其負作用。對樁側土層摩阻力發揮所需要的相對位移有增強作用。出現此現象的原因與樁的破壞形式有關。

沉渣厚度較大時，樁底土壓縮變形主導樁底沉降，樁端位移增加，樁端位移產生樁土相對位移傳遞方向為樁尖向上傳遞，樁下部的樁土相對位移加大，有可能在樁土界面出現剪切滑移現象。由效應應力原理可知，樁土處摩擦角降低，則側摩阻力隨降低。側阻損失隨相對位移速率增加而增加，這也解釋了端阻越大導致的樁端沉降越小，實測樁側摩阻力越大。

5 減少沉渣影響的措施

樁底沉渣主要由場地土層、泥漿密度和施工工藝等原因導致。沉渣厚度對超長灌注樁施工技術與工藝產生影響。泥漿泵排渣效率影響正循環工藝，從而影響沉渣的處理效果。另外，正循環工藝采用較大的泥漿密度和較厚泥皮，以增強砂漿懸浮砂礫的能力，這也導致了樁側摩阻力損失較大。反循環工藝選用較小泥漿密度，清理沉渣時。可以根據鉆孔深度用泵吸反循環或是氣舉反循環對沉渣進行清理。該方法清理效果較為理想，因此單樁的承載能力可以正常發揮。本文選擇的兩個試驗樁中，S3樁采用的是反循環工藝對沉渣進行清理，處理后樁底沉渣厚度變薄，單樁承載力變大，樁底沉降隨之減小。

樁底高壓注漿工藝時，利用高壓水泥漿對沉渣起物理作用，沉渣強度有所增加，從而消除沉渣的不利影響。

6 結語

本文通過靜載試驗結合傳遞性狀現場測試，分析了柱底沉渣的單樁極限承載力、樁端和側摩阻力的影響機理，得到的具體結論為：

（1）由沉渣對單樁極限承載力分析可知，沉渣厚度不符合允許范圍內標準時，樁以“刺入破壞”為主，在Q-S曲線上為“陡降”趨勢。樁的承載力極限狀態控制單樁的極限承載力。沉渣厚度在允許范圍內，樁主要為樁端土壓縮變形的破壞形式，在Q-S曲線上是“緩變”趨勢。樁頂沉降量控制單樁極限承載力;

（2）由沉渣對端阻力影響分析結果可知。在相同樁頂荷載條件下，樁頂沉降量隨沉渣厚度的增加而增加，沉渣厚度增加導致單樁極限承載力降低。所以計算單樁極限承載力時應考慮沉渣厚度影響，對非嵌巖的端承摩擦樁，沉渣厚度不宜超過10 cm;

（3）由沉渣對樁側摩阻力影響分析結果可知，沉渣厚度對樁側、樁端荷載分擔比例幾乎沒有影響。樁底沉渣“軟墊”效應影響超長樁樁端阻力，對上部樁側土層摩阻力發揮影響較小。當沉渣厚度較大時，端阻最大損失能達80%，側阻損失可達70%。將沉渣壓密后，樁端阻力慢慢與正常樁端土層強度接近，且樁側土發揮相同摩阻力需的樁土位移也隨之增加;

（4）樁底成渣有效處理方式為反循環清渣工藝和樁底高壓注漿工藝結合，使單樁承載力可以正常發揮。

【參考文獻】

[1] 原方，李志謙，張健，等.樁底沉渣對端承樁豎向承載性能的影響研究[J].河南科技，2018（8）：114-117.

[2] 劉春林，唐孟雄，胡賀松，等.考慮樁底沉渣的隨鉆跟管樁豎向承載特性模型試驗研究[J].巖土力學，2021，42（1）：177-185.

[3] 高壇，周傳波，周小勇，等.沉渣對軟巖嵌巖樁承載力影響的模型試驗研究[J].安全與環境工程，2019，26（1）：198-202.

[4] 徐志軍，李志謙，原方，等.考慮樁底沉渣的基樁豎向承載力目標可靠度[J].科學技術與工程，2019，19（3）：189-195.

[5] 何偉，徐志軍.考慮樁底沉渣的摩擦樁豎向承載力可靠度研究[J].鐵道建筑技術，2018（10）：22-25.

[6] 劉客，侯龍清，李明東，等.鉆孔灌注樁沉渣厚度檢測技術發展和展望[J].土工基礎，2019，33（3）：379-383.

[7] 方巽科，王玉松，吳映棟，等.鉆孔灌注樁缺陷處理技術探討及工程應用[J].浙江建筑，2019，36（4）：28-30.

[8] 周強.沖擊成孔嵌巖樁事故分析及處理[J].地質裝備，2020，21（4）：40-44.

[9] 孫玉剛，鮑伏波，呂英明，等.鉆孔成像技術在樁底沉渣厚度檢測中的應用[J].土工基礎，2020，34（3）：366-368.

[10] 魏奎燁，張宏兵，宋新江，等.聲波透射法測樁波形畸變系數計算與分析[J].振動.測試與診斷，2019，39（5）：1 098-1 102.