印尼軟土地區后注漿鉆孔灌注樁現場試驗研究

門青波 喬建偉 夏玉云 馬佳儀 邵兵廠

（1.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室，陜西西安 710043）

0 引言

鉆孔灌注樁因其具有較好的經濟性、施工便捷性和承載力高等優點而廣泛應用于高層建筑、橋梁和海上石油平臺等工程[1]。但由于其在施工過程中對樁周土和樁端土產生擾動，形成泥皮和樁底沉渣，而對樁側摩阻力和樁端阻力的發揮產生不利影響。

大量研究結果表明，樁端后注漿技術不僅能有效消除上述不利影響，還能大幅度提高樁基承載力并減小樁基沉降量，在國內外不同工程中得到廣泛應用[2-7]。如無錫江海西路快速路工程采用樁端后注漿后，樁基性能顯著提高[5]；鄭州某工程采用樁端后注漿后，樁端阻力顯著提升[6]；唐山LNG 項目接收站采用樁端后注漿后，樁側摩阻力顯著增加[7]。然而，受加固方式多樣性和地質條件復雜性等因素的影響，樁端后注漿理論研究滯后于工程實踐，樁端后注漿研究仍處于初級階段，目前尚未形成統一的后注漿設計和施工規范[8-10]。

我國學者結合工程建設對軟土地區后注漿灌注樁的承載特征開展了大量研究，發現后注漿鉆孔灌注樁在軟土地區具有較好的經濟性、施工便捷性、適用性等優點[11-13]。隨著“一帶一路”倡議的持續推進，我國對外工程總承包呈蓬勃發展態勢。印尼是我國海外工程建設的主要地區之一，在工程建設中發現該區淺地表廣泛發育軟土[14]，地基基礎方案多建議采用后注漿灌注樁。然而，目前關于印尼軟土地區后注漿灌注樁承載特征的研究和工程應用還相對較少，本文依托印尼某工程，通過靜載試驗、鉆孔取芯和標貫試驗對比分析了普通鉆孔灌注樁和后注漿灌注樁的承載特性，在此基礎上對后注漿加固機制進行了探討，研究成果可為印尼軟土地區后注漿灌注樁的工程應用提供借鑒。

1 場地地質條件與試驗方案設計

1.1 場地地層特征

場地地表多被植物殘體或腐殖質物覆蓋，地勢較平坦，地形起伏較小。場地地下水位埋深為地面下0.00～1.90 m，以潛水為主，下伏基巖中賦存有基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水的補給，向周邊低洼地帶、河流和海洋排泄。場地水位受周圍環境影響較大，按地下水季節變化規律，地下水位動態變化幅度約為2.5 m。場地地貌單元屬濱海沼澤，地層主要為第四系全新統海陸交互相沉積層和下伏基巖及其風化殘積層，50 m 深度范圍內地層從上至下依次為①腐殖土、②細中砂、③淤泥質土、③1粉質黏土、③2中細砂、④細中砂、⑤粉質黏土、⑥粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧全風化凝灰巖、⑨強風化凝灰巖、⑩中等風化凝灰巖。實際工程中將上部①層腐殖土全部挖除換填，其余各層的基本物理力學指標如表1所示。

表1 場地地層基本物理力學參數

1.2 試驗方案設計

試驗樁設計樁徑800 mm，共設計3 種樁長，分別為24 m、35 m 和39 m，每種樁長的普通鉆孔灌注樁各2 根，編號為S1-S6，對應每種樁長的后注漿鉆孔灌注樁各2 根，編號為S1'-S6'。各試樁樁周地層、樁長和樁端持力層如圖1 所示，試樁編號和參數如表2 所示?？紤]到地表為腐殖土，為保證試樁設備正常工作，試樁前將其挖除后鋪設厚約50 cm 的壓實黏土，樁頂標高統一控制為5.10 m。

圖1 樁長范圍內地層分布圖

表2 試樁參數表

試樁采用旋挖鉆進成孔、氣舉反循環清孔，樁身混凝土強度等級為C30。試樁S1'-S6'樁端后注漿在成樁后5 d 進行，采用直管法樁端注漿，實行壓漿量和壓漿壓力聯合控制的原則。漿液采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥配制，水灰質量比為0.4，單根樁壓漿水泥用量為1.4～2.0 t，壓漿壓力為2.8～4.2 MPa，樁頂上抬量＜3 mm。

1.3 豎向抗壓靜載荷試驗

豎向抗壓靜載荷試驗于樁端后注漿結束后28 d進行，采用慢速維持荷載法，按《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014）的規定，每級加載為預估極限荷載值的1/10，加壓至極限狀態，試驗的終止和卸載條件均符合規范規定。每級加載、卸載后的數據測讀均按照規范規定的時間間隔執行。

1.4 鉆探取樣與標準貫入試驗

靜載試驗結束后在各試樁外側25 cm 處布設1個鉆孔進行全孔取芯，水泥漿消失處為終孔深度，并于水泥漿出露段進行標準貫入試驗，同一地質條件下未后注漿試樁深度段也進行標準貫入試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 靜載試驗過程分析

繪制各試樁的Q-t和s-t曲線，發現普通鉆孔灌注樁與后注漿鉆孔灌注樁沉降量隨時間變化曲線可分為3 段，以S1 樁和S1'樁為例，即①緩慢增加段、②急劇增加段、③卸載段。①緩慢增加段為初始加載至極限荷載，沉降隨時間緩慢增加，沉降量主要為樁身壓縮和樁體沉降，此時樁的承載力由側摩阻力起主要作用逐漸變化為側摩阻力和端承力共同承擔；②急劇增加段為極限荷載至破壞荷載段，該段沉降表面樁體發生整體破壞或樁端產生刺入破壞；③卸載段為破壞荷載至卸載完成，該段沉降主要為樁體的回彈變形（見圖2）。

圖2 試樁Q(s)-t 曲線

2.2 單樁豎向抗壓極限承載力

各試樁靜載試驗Q-s曲線如圖3 所示。不同樁長的普通鉆孔灌注樁和后注漿鉆孔灌注樁荷載-沉降曲線均可分為3 段，即變形增加階段、破壞階段和回彈階段。變形增加階段曲線均呈下凹型，表明沉降速率隨荷載增加而增加，表現出較大的塑性變形?；貜楇A段變形曲線呈線性變化，表明回彈量隨荷載減小和線性增加。相同地層條件時，相同荷載條件下各后注漿鉆孔灌注樁沉降量均小于鉆孔灌注樁，且Q-s曲線整體緩于普通鉆孔灌注樁，表明后注漿灌注樁可減小樁體的沉降。

圖3 靜載試驗Q-s 曲線

不同樁長的普通鉆孔灌注樁與后注漿鉆孔灌注樁的極限承載力統計情況見表3。相同地層條件下各后注漿鉆孔灌注樁的極限承載力均大于普通鉆孔灌注樁，承載力提高系數為1.20～1.26。因此，后注漿灌注樁不僅可以有效減小樁體的沉降，還可顯著提高單樁承載力。

表3 試樁豎向極限承載力

對比鉆孔灌注樁S1 和S3 及S2 和S4，發現盡管兩試樁的樁長相差11.0 m，但其極限承載力均相同，分析其原因主要是樁S1 和S2 樁周土發育厚度約為11.0 m 的③層淤泥質土，而S3 和S4 樁周土不發育③層淤泥質土，據此推測該區③層淤泥質土可能為欠固結土，工程設計時需考慮③層淤泥質土對樁的負摩阻力，其中性點位置約位于③層淤泥質土厚度的中間位置，兩者共同作用下③層淤泥質土對樁的側阻力約為0。因此，該區設計鉆孔灌注樁時應充分考慮該區實際地層情況。

對比S1'和S2'樁端后注漿效果，發現樁端為⑧層全風化凝灰巖的后注漿樁基承載力提高系數小于⑦層粉質黏土；根據S1'、S3'和S4'樁端后注漿效果，發現樁端為⑦層粉質黏土的后注漿樁基承載力提高系數均為1.26；對比S5'和S6'樁端后注漿效果，⑧層全風化凝灰巖的后注漿樁基承載力提高系數大于⑨層強風化凝灰巖。

2.3 單樁變形與回彈特征

不同樁長的普通鉆孔灌注樁與后注漿鉆孔灌注樁的沉降量和回彈量如表4 所示。普通鉆孔灌注樁回彈量為4.46～6.63 mm，回彈率為8.87%～12.97%；后注漿灌注樁的回彈量為6.11～7.65 mm，回彈率為11.45%～13.56%。因此，后注漿灌注樁的回彈量和回彈率均相應增加，表明后注漿灌注樁的彈性變形相應增加。

表4 試樁回彈量與回彈率統計表

2.4 鉆孔取芯結果

根據12 根試樁樁側全孔取芯結果，普通鉆孔灌注樁樁側全孔深度范圍內未見明顯水泥漿，后注漿鉆孔灌注樁樁側可見水泥漿，但水泥漿分布不連續，充填不均勻，多以薄層狀分布，層厚一般為0.2～0.3 cm，局部為5～6 cm，水泥漿含量隨距樁端距離減小而顯著增加，但樁底水泥漿仍有部分尚未凝固，隨著時間推移樁底水泥漿會持續凝固，從而進一步提高樁端承載力。

后注漿鉆孔灌注樁樁側初見水泥漿深度和水泥漿終止深度統計情況見表5。不同樁長水泥漿樁端上返高度為12.4～13.8 m，未達到③層淤泥質軟土。樁端以下水泥漿下滲深度1.3～2.1 m，約為樁徑的1.6～2.6 倍。

表5 樁側壓漿取芯結果

對比S1'和S2'樁端后注漿效果，發現樁端為⑧層全風化凝灰巖的后注漿上返高度和下滲深度均大于⑦層粉質黏土；對比S5'和S6'樁端后注漿效果，⑧層全風化凝灰巖的后注漿上返高度和下滲深度均大于⑨層強風化凝灰巖。表明該區后注漿鉆孔灌注樁樁端持力層可優先選擇⑧層全風化凝灰巖。

2.5 標貫試驗結果

相同地層條件下注漿前后樁側土的標貫擊數分布如圖4 所示。與普通鉆孔灌注樁相比，后注漿灌注樁13 m 以下深度的樁側土的標貫擊數均顯著增加，增加量隨深度增加而增加，且各樁樁端以下標貫擊數增加量最大。標貫擊數增加范圍為9～15 擊，S1'與S1 相比平均增加13.25 擊，S2'與S2 相比平均增加12 擊，S3'與S3 相比平均增加11.5 擊，S4'與S4相比平均增加13.5 擊（見表6）。表明后注漿產生的樁側上返水泥漿有效提高了樁側土層的強度。

圖4 注漿前后樁側標貫擊數

表6 不同試樁標貫擊數對比

3 后注漿鉆孔灌注樁加固機制分析

國內外研究者對后注漿的加固機制開展了大量研究，認為后注漿主要通過增強樁端土體強度、增強樁側土層側摩阻力、形成樁端擴大頭和樁端壓漿的預壓作用等4 個方面來提高鉆孔灌注樁的承載性能[15-19]。本節結合前文樁端后注漿對樁基承載性狀影響、鉆孔取芯和水泥漿段標準貫入試驗結果分析，并考慮試樁樁端持力層巖土層的性質，對壓漿加固機理進行分析。

試樁樁側水泥漿上返高度范圍地層主要為粉質黏土層和全風化凝灰巖，水泥漿上返一方面引起樁側土層強度的顯著提升，另一方面產生側向流動填充樁土接觸面的缺陷并有效增加土層的水平向應力，兩者共同作用在樁周周圍形成加固體，有效增加樁周的側摩阻力。水泥漿在壓力作用下還向下入滲，可有效加固樁底持力層巖土層和沉渣，提高了樁底持力層巖土層的強度和剛度，表現為樁端以下土層標貫擊數增加值最大，進而提高樁端阻力。此外，本次試驗樁端主要為粉質黏土和不同風化程度凝灰巖，雖其注入性較差，但注入水泥漿能產生注漿加固作用，即水泥漿在壓力作用下壓入樁底擠密樁端巖土層形成球狀漿泡結石體，并一定程度上增加了樁端的直徑。因此，研究區后注漿承載力的提高主要通過提高樁側阻力和提高樁端阻力來改善承載性能。

4 結論

（1）普通鉆孔灌注樁和后注漿鉆孔灌注樁荷載-沉降曲線均可分為3 個階段，即變形增加階段、破壞階段和回彈階段。

（2）與普通鉆孔灌注樁相比，后注漿樁的承載力顯著提高且沉降量相對降低，承載力提高系數約為1.20～1.26；后注漿灌注樁的回彈率有所增加，且彈性變形也相應增加。

（3）后注漿灌注樁水泥漿上返高度約為12.4～13.8 m，下滲深度約為1.3～2.1 m，水泥漿影響范圍內的巖土層的標貫擊數較壓漿前均顯著提高。

（4）后注漿導致樁側摩阻力和樁端阻力提高，是后注漿鉆孔灌注樁承載性能提高的主要原因。