樁端后壓漿對群樁承載特性的影響研究

楊有蓮，吳啟紅，萬世明，謝飛鴻，董建輝

(成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106)

樁端后壓漿對群樁承載特性的影響研究

楊有蓮，吳啟紅，萬世明，謝飛鴻，董建輝

(成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106)

闡述了超長大直徑灌注樁樁端后壓漿技術及其作用機理，介紹了該技術在施工中存在的問題，以供類似工程借鑒和參考.通過某大橋超長大直徑灌注樁基礎的具體工程應用表明，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.

超長大直徑鉆孔灌注樁；樁端壓力注漿；作用機理；承載力

0 引 言

近年來，隨著橋梁工程的迅猛發展，超長大直徑鉆孔灌注樁以其承載力高的優點得到了廣泛的應用[1-2].但由于其成孔質量的不穩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，以及樁側泥皮的存在等，往往使得樁基的承載力難以發揮.同時，由于超長大直徑樁施工工期較長、造價較高，若不能有效發揮樁基承載力，將會嚴重影響工程的進度.在過去樁基設計中，為了獲得足夠大的樁基承載力，往往依靠加大樁長、樁徑、增加樁數的辦法，由此導致工期延長，工程造價增加等系列問題.針對上述問題，在實際的工程施工中，通常通過引入樁端與樁側后壓漿技術來消除樁底沉渣和下段樁側泥皮的不利影響，這不僅可以有效完善泥漿護壁鉆孔灌注樁成孔工藝，改善成樁質量，提高樁基承載力，而且還可以大大縮短施工工期，節約工程造價[3-5].為了分析樁端后壓漿技術對群樁承載特性的影響，本研究以某大橋超長大直徑灌注樁的樁基礎為例，采用自平衡靜載法，并結合樁身埋設鋼筋對5根超長大直徑試樁進行了壓漿前、后的對比實驗.

1 樁端后壓漿及加固機理

1.1 樁端后壓漿

樁端后壓漿，是指成樁后，通過預埋在樁身的2根注漿管，待混凝土澆注完成一段時間后，即可開始注漿.注漿時，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，經樁端底土層均勻地將配制好的水泥漿注入(見圖1).

圖1樁端后壓漿過程示意圖

如圖1所示，通過高壓注漿，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生物理化學反應而固化凝結成一個結構新、強度高、化學性能穩定的結石體.

1.2 樁端后壓漿加固機理

樁端后壓漿加固的機理是：在樁端后壓漿過程中，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水泥土擴大頭，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會沿著樁的側壁上升，充填于樁側壁與孔壁之間，進而改善了樁側泥皮厚度帶來的工程問題.

研究表明，通過樁端后壓漿，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壁鉆孔灌注樁承載力的樁底沉渣、樁側泥皮2大主要工藝因素，提高了樁端阻力及樁側摩阻力，進而提高了樁的承載力[2-3].

2 影響超長灌注樁承載性能的因素

在超長灌注樁采用樁端后壓漿技術施工時，以下情況會對其承載性能產生影響.

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

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

3)在泥漿護壁的環境下，因受水的浸泡作用，使得樁周土體強度降低，引起樁身砼收縮等情況出現，此均會導致樁側摩阻力的降低.

由于上述情況的出現具有很大的不確定性，使得灌注樁的單樁承載力往往表現出一定的離散性.相關實驗也證明，同一個施工場地、相同結構的樁體，其承載力最大可相差2倍以上，這不僅造成嚴重的資源浪費，還使得鉆孔灌注樁的工程質量具有很大的不確定性.

根據本工程對象試驗的測試結果，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.靠近承臺兩端邊緣的樁和承臺系梁附近的樁表現為單樁荷載傳遞特性，承臺內部的樁因群樁效應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 實例分析

3.1 工程概況

目前，超長大直徑灌注樁無論在設計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難題.作為研究對象的某大橋主塔橋墩區位于第四系土層，厚達300 m左右，地質條件復雜，屬于軟弱地基.工程施工中，對其采用了超長大直徑鉆孔灌注樁基礎.

圖2不同荷載階段下樁軸力分布

3.2 自平衡測試及試樁參數

自平衡測試，是利用預埋在樁身的荷載箱進行的一種靜載實驗法.此方法利用了所測樁自身的反力來平衡加載力，通過液壓泵對荷載箱內腔施加向上、向下壓力，將箱蓋和箱底同時推開，從而調動樁周側摩阻力和樁端阻力，其測試原理如圖3所示.

圖3自平衡現場實驗原理示意圖

在試驗中，采用慢速維持進行加載法，并按《樁承載力自平衡測試技術規程》相關規范進行，各試樁的樁身按土層界面布置鋼筋應力計算，每個截面對稱布置.測試參數如表1、表2所示.

3.3 壓漿前、后測試值的對比分析

由于該大橋施工工期長，成樁質量受施工因素的影響很大，樁底沉渣厚度及樁側泥皮厚度變化顯著，使得樁端阻力和樁側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

表2 壓漿參數

圖4 壓漿前、后樁承載特性對比示意圖

圖4表明，從壓漿效果來看，壓漿后的樁承載性能明顯得到改善.但從承載力設計角度來看，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計中，難以反映壓漿的具體效果.對此，有必要進行消除施工工藝因素影響后的壓漿效果對比.

綜合本研究相關的試驗數據可以看出，壓漿前、后樁的承載特性如下：

1)樁端后壓漿技術可有效消除泥漿護壁工藝的不利影響.在壓力作用下，水泥漿液下對樁端持力層進行滲透、劈裂和擠密等作用，在樁的端部形成一個較大直徑的水泥土固結體，這樣使得樁端阻力大幅度提高.同時下段樁身的樁側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.根據試驗結果可知，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，由摩擦樁轉變為端承摩擦樁.

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

4 消除樁底沉渣影響的措施

通過試驗發現，影響樁底沉渣厚度的主要因素有：土層、泥漿比重、施工工藝、施工技術及管理水平等.其中，對泥漿護壁的超長灌注樁來說，施工技術與工藝的影響較大.常規正循環工藝施工時，受泥漿泵排渣效率限制，清渣效果不理想，尤其當孔深超過50 m時，排渣效率更低.同時，為增強泥漿的懸浮能力，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，將會造成樁側摩阻力的損失較大.而在反循環工藝施工時，一般采用較小比重的泥漿(一般<1.1)，清渣時可根據孔深采用泵吸反循環或氣舉反循環清渣工藝，效果較好，從而使單樁承載力得到正常發揮.

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

5 結 論

本研究通過對某大橋超長直徑灌注樁基礎的樁端壓漿前、后樁的承載性特性的對比試驗發現：利用自平衡靜載荷法，可充分調動樁周土的側阻力與端阻力，從而為研究超長大直徑試樁的承載特性創造了條件；樁端壓漿后，單樁極限承載力提高了約55%～100%，其中總的樁側摩阻提高了約12%～53%，樁總端阻提高了約5～25倍；經樁端壓漿，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%，樁的承載形態由壓漿前的摩擦型樁變為壓漿后的端承摩擦樁.

本研究證實，樁端后壓漿技術可大幅度提高單樁的承載力，改變了過去主要依靠增大樁長、擴大樁徑的方法來提高樁的承載力的工藝.同時，采用該技術可大大縮短施工工期，降低工程造價，具有廣闊的應用前景.但需要說明的是，由于施工場地和施工條件的復雜多變，樁端后壓漿技術在實際工程的應用中仍有很多問題有待進一步研究.

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

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

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

[4]龔維明，戴國亮，蔣永生.樁自平衡測試理論與實踐[J].建筑結構學報，2002，23(1)：82-88.

[5]車志強.鉆孔灌注樁樁底后注漿技術及應用[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工程研究.