樁端后壓漿對提高鉆孔灌注樁承載力的作用機理分析

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摘 要：本文通過工程實踐，詳細分析了灌注樁樁端后壓漿對提高樁端承載力和側(cè)阻力，改善灌注樁荷載傳遞性能，提高灌注樁的綜合承載力起到的重要作用，并對樁端注漿提高灌注樁單樁承載力的作用機理及樁端后注漿設(shè)計的優(yōu)化方法進行了深入探討。 

  關(guān)鍵詞：樁端后壓漿；鉆孔灌注樁；承載力 ；作用機理    1引言    大直徑灌注樁因其具有承載力高、適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點，在我省高層和超高層建筑中得到迅速 發(fā)展 和廣泛應(yīng)用。但是，灌注樁應(yīng)用中的二方面問題也引起了業(yè)界廣泛關(guān)注：(1)灌注樁樁底沉碴的質(zhì)量問題，降低了其單樁承載力，嚴重困擾了其應(yīng)用前景；(2)如何在保持灌注樁參數(shù)不變的情況下，又能大幅提高其單樁承載力？樁端壓力注漿是針對排土樁在成孔過程中對原地層土的擾動，樁側(cè)泥皮、樁端沉碴等不利因素造成樁的承載力不能正常發(fā)揮，質(zhì)量不穩(wěn)定以及使正常樁能大幅提高其承載力，節(jié)省工程造價而研究開發(fā)的新技術(shù)。實踐證明樁端后注漿技術(shù)可提高灌注樁單樁承載力，達到縮短樁長或減少樁數(shù)的目的。        2樁端后注漿對提高樁基承載力的工程實踐分析        2.1后注漿提高樁基承載力分析    湖南某項目A為主樓30層，高約100m，二層地下室，建筑面積約5萬m 2 ，設(shè)計基礎(chǔ)原擬采用強風(fēng)化花崗巖層作為持力層的鉆孔灌注樁。為確定單樁承載力，在施工圖設(shè)計前，先進行兩根試樁靜載荷試驗，兩根試樁均為樁徑1 m，樁長58m，樁端嵌入強風(fēng)化花崗巖層大于1 m。靜載荷試驗結(jié)果：A樁加荷至9MN時因樁頭破碎而終止試驗，B樁加荷至10MN時沉降明顯增大，單級沉降為31mm，累計沉降約46mm，Q-S曲線呈明顯的陡降段，繼續(xù)加荷至11 MN時，試樁急劇沉降而破壞，單樁極限承載力為9 MN。    　     基礎(chǔ)改采用樁端后注漿灌注樁，持力層為卵石混粘性土II。為確定注漿樁單樁承載力，在工程樁施工之前，又進行了五根試樁，試樁樁徑均為0.8m( 較原設(shè)計小0.2m)，樁長約35m（較原設(shè)計約短23 m），每根樁的樁端注入水泥2.5噸。五根試樁的Q- S曲線如圖1所示，試樁在最大試驗荷載下的總沉降量不超過15 mm，卸載后的殘余沉降小于5mm，試樁的極限承載力不小于9MN。5根試樁樁身應(yīng)變實測值的軸向荷載傳遞以樁身摩阻力為主，在最大試驗荷載下，樁端承受的荷載不大于樁頂荷載10％，但從摩阻力分布的 規(guī)律 已看出注漿后樁端以上一定范圍內(nèi)土層的樁周摩阻系數(shù)有顯著地提高。    2.2后壓漿對灌注樁樁端注漿效果分析    項目B為地上24層，地下1層，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，持力層為卵石層，樁長45m，工程樁施工前，打兩根試樁做靜載荷試驗，試樁TP6樁徑為0.9m，樁端注入水泥漿2噸，試樁TP7樁徑為0.8m，樁端未注漿。兩根試樁的Q-S曲線如圖2所示，TP6最大試驗荷載加至9MN，相應(yīng)的樁頂沉降為24.67mm，TP7加荷至7.2MN時，樁頂沉降明顯增大，總沉降超過40mm后終止加荷，按規(guī)范TP7達到極限承載狀態(tài)，比較兩根試樁承載能力，注漿明顯增大了單樁承載力。2根試樁樁身應(yīng)變實測值的軸向荷載傳遞規(guī)律可以分析出注漿明顯地增大了樁端附近土層的摩阻力，由于樁頂荷載尚未使TP6達到極限承載狀態(tài)，所以TP6的樁端承載力未能充分發(fā)揮。    2.3樁端注漿提高了持力層的承載能力    項目C為上部結(jié)構(gòu)20層，l層地下室，基礎(chǔ)采用樁端注漿灌注樁，為了確定單樁承載力以及注漿前后的荷載傳遞特征，在工程樁施工前，先進行三根試樁，TP8和TP9設(shè)計樁徑為Φ900，TP10設(shè)計樁徑為Φ800，樁長約54m，樁端持力層為含礫中砂層，每根試樁的樁底注水泥2.5噸，其中TP8試樁在注漿前后都作了靜載試驗。三根試樁的四次靜載荷對比試驗的Q-s曲線如圖3所示。未注漿的TP8試樁當(dāng)試驗荷載加至7.2MN時，樁頂發(fā)生急劇的沉降，所以將前一級試驗荷載6.4MN確定為極限荷載；TP8試樁注漿后重薪做了一次靜載荷試驗，最大試驗荷載加至8MN，相應(yīng)的樁沉降為21.32 m，試樁尚未達到極限狀態(tài)，比較注漿前后承載能力的變化，注漿使單樁承載力提高了25％以上。TP10試樁的靜載試驗也達到極限狀態(tài)，其極限承載力確定為7.2MN。3根試樁樁身應(yīng)變實測值的軸向荷載傳遞分析出樁端持力層未注漿時極限承載力為0.87MPa，注漿后樁端持力層極限承載力為3.94MPa，表明樁端注漿極大地提高了持力層的承載能力。 3注漿提高鉆孔灌注樁承載力作用機理分析        從以上工程實例分析可以看出，采用后壓漿的灌注樁樁端、樁身及周圍土體綜合效應(yīng)使其承載力得到大幅度的加強，其作用機理及作用過程描述如下：    3.1灌注樁的可灌性    灌注樁成孔對樁周土的擾動降低了樁端土體強度；灌注樁水下作業(yè)使樁周及樁端土體遇水軟化，土的強度急劇下降；灌注樁樁周泥皮存在如同樁與土體之間加上潤滑劑大大降低了樁側(cè)摩阻力。土體擾動、樁底沉碴嚴重影響了灌注樁端承力發(fā)揮。灌注樁施工中存在的土體擾動、樁底沉碴和樁周泥皮，一方面對灌注樁承載力產(chǎn)生負面影響，另一方面正是這些薄弱面的存在才使得其具有可灌性。    3.2改善持力層、提高端承力    樁端注漿使?jié){液在高壓作用下對沉碴及樁周土劈裂、滲擴、填充、壓密、固結(jié)等作用使樁端持力層在一定范圍內(nèi)形成漿液和土的結(jié)石體，從而改善持力層的物理力學(xué)性能，消除了沉碴對端承力發(fā)揮的不良影響（圖4為某樁樁端注漿前后的低應(yīng)變動力測試曲線。曲線表明樁端注漿前其樁端持力層強度明顯偏低，經(jīng)取芯證實其樁端未能按設(shè)計要求進入中風(fēng)化巖，而是落在厚達9.28 m的殘積土層上。經(jīng)樁端高壓注漿后，樁端持力層強度已有明顯提高) 。    3.3大幅提高樁側(cè)摩阻力    樁端注漿在高壓作用下，漿液沿樁土界面上浸，通過滲擴、填充、膠結(jié)綜合作用，對樁周泥皮置換，使樁與泥皮及土層膠結(jié)成整體并在樁周形成脈狀結(jié)石體，如同樹根植入土中。注漿不僅可以完全消除樁周泥皮對樁側(cè)摩阻力的負面影響，而且注漿膠結(jié)體在置換樁周泥皮同時還擠占樁周部分原狀土，增大了樁的平面幾何尺寸，從而使樁側(cè)摩阻力大幅度提高。    3.4改善持力層受力狀態(tài)和荷載傳遞性能    樁端注漿在高壓漿液作用下通過劈裂、滲擴、擠密和膠結(jié)使樁端附近土層產(chǎn)生較大的壓縮變形形成樁端擴大頭，增大了樁端受力面積，改善了其受力狀態(tài)。樁底沉碴在漿液置換、滲擴、填充、壓密、固結(jié)作用下，使其壓縮變形提前完成，減少了樁在荷載作用下的豎向變形，使樁端承載力得以充分發(fā)揮。試驗結(jié)果表明，樁端注漿后，樁側(cè)摩阻力提高先于樁端承力提高。當(dāng)樁端鄰近土層的樁-土相對位移Sz ≤So ( 4~10mm) 時，隨荷載增加Sz 增大，樁側(cè)摩阻力提高增大，此時樁側(cè)摩阻力提高(△Qs)對單樁承載力提高起主導(dǎo)作用，而樁的端承力潛能尚未被充分發(fā)揮當(dāng)SzSo時，樁側(cè)摩阻力下降，而樁的端承力提高(△Qp)迅速增加，此后樁的端承力提高對單樁承載力提高起主導(dǎo)作用(如圖5)。        4樁端后注漿施工過程中優(yōu)化措施        4.1合理的注漿設(shè)計是實現(xiàn)目標的前提    為使樁端注漿施工合理、有效，有必要對注漿目標的土巖特性、地下水條件、地下埋設(shè)物分布狀況和周圍環(huán)境進行詳細調(diào)查和分析，并在分析相關(guān)資料基礎(chǔ)上進行樁端注漿設(shè)計。樁端注漿設(shè)計主要包括漿液配比，漿液濃度、注漿率、注漿量和注漿壓力等參數(shù)確定。    4.2合理的注漿工藝是實現(xiàn)目標的保證    1）注漿管埋設(shè)    樁端注漿處理大直徑灌注樁需在樁中心造一注漿孔直至樁端持力層一定深度，然后埋人注漿管至孔底，并封閉孔口一定范圍注漿管與孔之間空隙；或成孔后，將注漿管隨鋼筋籠埋至孔底。    2）壓水試驗    壓水試驗不僅起到疏通注漿通道的作用，而且注漿設(shè)計的有關(guān)參數(shù)也應(yīng)根據(jù)壓水試驗結(jié)果做相應(yīng)調(diào)整。    3）合理控制注漿參數(shù)有利于提高樁端注漿效果在樁端注漿過程中，注漿壓力、漿液濃度、注入率和注漿量是變化的。合理的確定和控制其變化對提高樁端注漿效果十分重要。樁端注漿壓力隨注漿進展呈現(xiàn)出由低到高的變化 規(guī)律 。若注漿過程中壓力突然急劇下降，表明發(fā)生冒漿或漏漿現(xiàn)象，應(yīng)在漿液中加入相應(yīng)的添加劑和采取間歇灌漿措施以確保樁端注漿效果。在樁端注漿中，漿液濃度經(jīng)歷了由稀漿向濃漿變化過程。稀漿滲透性強可擴大樁端注漿加固范圍，濃漿有利于提高樁端注漿加固區(qū)土體強度。    4.3樁端注漿灌注樁承載力取值    大直徑灌注樁經(jīng)樁端壓力注漿，其單樁極限承載力可提高30％以上，實測中最大的可達155％。由于樁端壓力注漿后，單樁承載力提高的幅度范圍較大，這給設(shè)計者如何確定注漿后的樁承載力帶來困難。試驗表明排土樁經(jīng)壓力注漿后其樁周極限摩阻力和樁端極限承載力的數(shù)據(jù)縮小了與擠土樁的差距，根據(jù)排土樁在注漿的有效范圍內(nèi)接近于擠土樁的特征可對注漿樁承載力進行 計算 。表1是部分實例的對比數(shù)據(jù)，排土樁擠土樁按規(guī)范取值計算求得，其中，長樁qp取低值，短樁qp取中值。        5結(jié)論        綜上所述，大直徑鉆孔灌注樁經(jīng)樁端壓力注漿，明顯改善了灌注樁樁端持力層和樁周土體的力學(xué)性能，提高了樁端承力和側(cè)阻力，大大改善了灌注樁荷載傳遞性能，使灌注樁的綜合承載力得到大幅度提高。大量工程實踐表明，其單樁極限承載力可提高30％~50％以上。工程設(shè)計可根據(jù)灌注樁( 排土樁) 經(jīng)壓力注漿后其樁周極限摩阻力和樁端極限承載力的數(shù)據(jù)縮小了與擠土樁的差距，可按接近于擠土樁特征對其注漿樁進行設(shè)計取值。