后注漿技術在提高鉆孔灌注樁單樁承載力的應用分析

劉冬冬 （安徽省地質實驗研究所，安徽 合肥 230041）

0 引言

后注漿技術在工程上作用效果顯著、經濟效益好，近些年廣泛應用于地上墻面、地下連續墻體、各類型的灌注樁等建筑工程，特別是灌注樁后注漿技術能夠顯著提高基樁承載能力，在基樁施工時得到廣泛應用。灌注樁后注漿技術指灌注樁成樁后一定時間，通過預設于樁身內的注漿導管及與之相連的樁端、樁側注漿閥注入水泥漿，通過漿體的劈裂和滲透作用使樁端、樁側土體得到加固，在樁端和樁側分別產生“擴底”和“擴徑”效應，從而提高單樁承載力，減小沉降。因為該技術在不同地區、不同土層作用效果差別較大，砂石層滲透效果明顯好于粘土層，現場注漿參數選擇、施工條件、工程技術人員經驗等因素也十分關鍵，所以在施工前技術人員應進行充分的研究和試驗，測試其實際效果。

本文以合肥市某一大型商業廣場項目為案例。該項目在前期場地試驗樁施工前，分別設計了兩種參數的機械鉆孔灌注樁樁型，由于靜載試驗得出的承載力未達到預期要求，各方在分析原因后決定選擇一種樁型參數在附近區域再次施工試驗樁并采用后注漿技術，最后通過靜載試驗和樁身內力測試得出了后注漿能明顯提高承載力的結論。

1 工程概況

某一大型商業廣場項目位于合肥市濱湖新區?？傆玫孛娣e31872.45m2，總建筑面積約236925.00m2。各主要擬建建筑物特征見表1。

表1 主要擬建建筑物特征一覽表

2 工程地質及水文地質概況

擬建場地現狀經過平整后，地形總體呈四周高中間低，中間為已開挖的深基坑（含堆土及多種建筑垃圾）。根據野外鉆孔揭露、原位測試及取樣進行的土工試驗成果資料，本次勘探所達深度范圍內的地層分布情況依次為以下六種。①層雜填土，雜色，層厚0.50～6.80m，松散～稍密，稍濕，含多種建筑垃圾，以粘性土為主，層底局部夾灰黑色淤泥質土薄層。②層粘土，灰黃色、黃褐色，層厚6.90～17.90m，硬塑狀態，局部堅硬，含灰白色粘土團塊，含鐵錳質結核，無搖振反應，光澤反應有光澤，干強度高，韌性高。飽和度Sr 平均值為93.3%，樁側阻力標準值qsik=84kPa。③層粉質粘土，淺黃色，層厚1.70m～12.10m，硬塑狀態，無搖振反應，光澤反應稍有光澤，干強度高，韌性中等，含鐵錳質結核、鐵錳質侵染，局部含少量粉土、粉砂。飽和度Sr 平均值為90.6%，樁側阻力標準值qsik=65kPa。④層細砂與粉質粘土互層，灰黃色、淺黃色，層厚1.10～16.60m，細砂，灰黃色，中密～密實狀態，搖振反應中等。粉質粘土，淺黃色，可塑～硬塑狀態，含鐵錳質結核，無搖振反應，光澤反應稍有光澤，干強度中等，韌性中等。含粗砂及少量粉土，輕微膠結。樁側阻力標準值qsik=65kPa。⑤層強風化砂質泥巖，褐紅色，層厚3.00～5.40m，結構密實、呈碎塊狀。樁側阻力標準值qsik=140kPa。⑥層中風化砂質泥巖，褐紅色，該層未揭穿，最大揭露厚度為12.10m，組成礦物為長石、石英等，泥、鈣質膠結，易軟化，巖石堅硬程度為極軟巖，碎屑結構，層狀構造，完整程度屬較完整，巖體基本質量等級為V 級[5-6]。該層在本次勘察深度范圍內未揭露洞穴、臨空面、破碎巖體。樁側阻力標準值qsik=200kPa，樁端阻力標準值qpk=4500 kPa[7]。

根據勘察資料，該場地地下水類型可分為兩類，即上層滯水，賦存于①層雜填土中，水量與大氣降水、地表水聯系密切，水量??；承壓水，賦存于④層細砂與粉質粘土互層、⑤層強風化砂質泥巖及⑥層中風化砂質泥巖中，勘察期間水量較豐富。

3 樁型選擇及前期靜載試驗情況

該大型商業廣場項目5#辦公樓是一棟42 層地上高173.2m 的超高層建筑，框筒結構，上部結構荷載大?？紤]合肥市內機械鉆孔灌注樁在同等地層條件下施工經驗豐富且場地地基土較均勻，無孤石，易于該樁型的施工。前期共施工6 根機械鉆孔灌注樁作為試驗樁，其中樁號S1#、S4#和S6#屬于樁型SZHa，樁號S2#、S3#和S5#屬于樁型SZHb，試驗樁均位于2-2 剖面，鉆孔ZK4 和ZK5 附近，樁頂和地表齊平，試驗樁參數詳見表2，地質剖面圖見圖1。

圖1 工程地質剖面圖

表2 試驗樁參數

設計樁型為泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁長42.0m，屬于長樁，側阻和端阻能否充分發揮至關重要。在6 根試驗樁鉆孔清孔完畢以及孔中泥漿內氣泡基本消散后，利用超聲成孔質量檢測儀檢測成孔質量[8]。下放探頭過程中按設置的步距等速測試并記錄相互垂直的二個剖面數據，探頭上的發射換能器自動發射超聲信號，接收換能器接收經孔壁反射的信號，反射信號到達時間反映孔徑大小，信號強度反映孔壁的特性。6 根試驗樁成孔質量均符合設計要求。以S1#試驗樁為例，成孔中心最大偏離值150mm＜500mm，垂直度為0.36%＜1.00%，孔徑≥1100mm，其孔形超聲波測試圖見圖2。

圖2 S1#試驗樁孔形超聲波測試圖

試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持荷載法，試驗按《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014）4.1 中的各條款進行，結果見圖3、圖4和表3。

圖3 SZHa型試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗Q-s曲線、s-lgt曲線（極限承載力：24000kN）

圖4 SZHb型試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗Q-s曲線、s-lgt曲線（極限承載力：16800kN）

從試驗結果可以看出，6 根試驗樁中有4 根試驗樁極限承載力未滿足設計要求。其中S1#、S4#和S5#試驗樁Q-s曲線為緩變形，樁頂最大沉降量很大但未出現陡降，從s-lgt 曲線上看，各級荷載對應的時程曲線均較平坦，未見明顯下彎，逐級加載過程中各級沉降達到穩定的時間逐步增加。在試驗樁加載過程中，樁身側阻力逐步增大但未充分發揮，端阻力發揮的較少，最終導致單樁承載力偏低。S6#試驗樁Q-s 曲線在最大荷載加載至16800kN 后樁頂最大沉降量很大且出現陡降。從s-lgt曲線上看，該級荷載對應的時程曲線已出現明顯下彎，之前各級荷載對應的時程曲線均較平坦，逐漸加載過程中各級沉降達到穩定的時間逐步增加，樁身側阻力發揮過程中相對位移量較大且未充分發揮，同時樁端沉渣量較大導致端阻力基本沒有發揮。

4 SZHb試驗樁再次進行單樁豎向抗壓靜載試驗情況

設計單位結合試驗樁靜載試驗結果，決定對樁型為SZHb的3根試驗樁再次進行單樁豎向抗壓靜載試驗。由于前期試驗后樁身側阻發揮需要的相對位移已基本完成，同時樁端阻力發揮不充分，設計單位決定把單樁豎向抗壓極限承載力由16800kN 提高至21000kN。試驗結果見圖5和表4。

圖5 SZHb型試驗樁再次進行單樁豎向抗壓靜載試驗Q-s曲線、s-lgt曲線（極限承載力：21000kN）

表4 SZHb型試驗樁再次進行單樁豎向抗壓靜載試驗匯總表

從試驗結果可以看出，最大試驗荷載加大后，試驗樁極限承載力仍然能夠滿足設計要求。3 根試驗樁Q-s 曲線均為緩變形，樁頂最大沉降量較大但未出現陡降，從s-lgt 曲線上看，各級荷載對應的時程曲線均較平坦，未見明顯下彎，逐級加載過程中各級沉降較前期達到穩定的時間有所減少。在試驗樁加載過程中，樁身和樁端阻力均較充分發揮，樁頂最大沉降量接近緩變型曲線S=0.05D的標記值（55mm），表明試驗最大荷載已經接近極限承載力。

5 SZHa的單樁豎向抗壓靜載試驗和樁身應力測試

采用后注漿技術再次施工一組樁型為SZHa 的試驗樁并進行單樁豎向抗壓靜載試驗和樁身應力測試。端承摩擦樁在豎向受壓荷載作用下，樁頂荷載由樁側摩阻力和樁端阻力承擔，且樁側和樁端的發揮是不同步的，二者的發揮過程反映了樁土體系荷載的傳遞過程。在初始受荷階段，樁頂位移小，荷載由樁上側表面的土阻力承擔，以剪應力形式傳遞給樁周土體，樁身應力和應變隨深度遞減。隨著荷載的增大，樁頂位移加大，樁側摩阻力由上至下逐步發揮出來，端阻力也開始發揮，在側阻力接近極限值后，繼續增加的荷載則全部由樁端土阻力承擔。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長速度加大，在樁端阻力達到極限值后，位移迅速增大而破壞，此時樁所承受的荷載為樁的極限承載力[9]。

從樁的承載機理看，樁土間的相對位移是側摩阻力發揮的必要條件。本工程使用泥漿護壁鉆孔樁，為非擠土樁，成孔時樁因孔壁側向應力解除而出現應力松弛等問題，導致側摩阻力發揮需要的相對位移較大，同時該工藝或多或少存在樁底沉渣，這直接影響樁頂最大位移量[10]。

該工程設計使用的泥漿護壁鉆孔樁為超長樁且樁端沉渣難以控制，樁側和樁端承載力充分發揮需要的位移量很大，在不增加基樁數量的情況下，設計單位決定采用樁側和樁端后注漿技術來減少基樁總沉降量、提高基樁承載力。后注漿主要參數：注漿作業于成樁3 天后且樁身混凝土達到設計強度的70%后進行，樁內均勻布置三根公稱直徑為25mm、壁厚為3.25mm 的鋼管注漿管與鋼筋籠加勁筋焊接固定，注漿器采用單向閥式注漿器，分別在距樁頂11m、17m、23m、30m 處設置樁側注漿閥，注漿管管底位于樁底以下20～50cm，預估單樁注漿量Gc=αp×d+αs×n×d=1.5×1.1+0.5×4×1.1=3.85t。注漿采用P42.5 新鮮普通硅酸鹽水泥，考慮樁側為非飽和土層，漿液水灰比0.7～0.9，樁端注漿終止標準以注漿量控制為主，注漿壓力控制在3～10MPa。注漿保持低速慢注，注漿流量不超過75L/min，先樁端后樁側，樁側注漿先上后下，樁端樁側注漿間隔時間不少于2h。

施工單位再次施工一組樁型為SZHa 的試驗樁，采用后注漿工藝，樁號分別為S7#、S8#和S9#，設計單樁豎向抗壓極限承載力由24000kN 提高至26000kN，單樁豎向抗壓靜載試驗結果見表5和圖6。

圖6 SZHa型后注漿試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗Q-S曲線、S-lgt曲線（極限承載力：26000kN）

表5 SZHa型后注漿試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗匯總表

按建設單位和設計單位要求，在對3 根試驗樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗的同時進行樁身內力測試。根據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014）附錄A（樁身內力測試）的有關規定和地質勘察報告以及施工記錄相關資料，鋼筋籠焊接完成后，分別在距樁頂深度1.50m、13.00m、17.00m、30.00m、36.00m 和41.00m 共6 個剖面安裝傳感器，每個剖面對稱安裝3 個FY-GJ16 型振弦式鋼筋測力計，采用1 臺JDZX-2振弦式測讀儀與傳感器延伸至地表的連線進行連接，在單樁豎向抗壓靜載荷試驗每級荷載施加后的第5min、60min 及該級荷載穩定后各測讀一次測力計的頻率值，通過公式計算傳感器測試截面的軸向力，進而計算出每段樁側土阻力，最后一個量測斷面的軸力即為樁端支承力。樁身內力測試結果見圖7～圖12。

圖7 S7#試驗樁各級荷載下樁身軸力沿深度分布線

圖8 S7#試驗樁各級荷載下樁側摩阻力分布圖

圖9 S8#試驗樁各級荷載下樁身軸力沿深度分布線

圖10 S8#試驗樁各級荷載下樁側摩阻力分布圖

圖11 S9#試驗樁各級荷載下樁身軸力沿深度分布線

圖12 S9#試驗樁各級荷載下樁側摩阻力分布圖

從單樁豎向抗壓靜載試驗結果可以看出，3根試驗樁Q-S 曲線均為緩變形，樁頂最大沉降量較大但未出現陡降。從S-lgt曲線上看，各級荷載對應的時程曲線均較平坦，未見明顯下彎。從各級荷載作用下樁身軸力分布圖可以看出，樁頂受豎向荷載后，樁身壓縮而產生向下位移，樁側產生向上的摩阻力，樁頂荷載通過發揮出來的摩阻力傳遞到樁周土層中去，從而使樁身軸力隨深度遞減，且荷載的傳遞深度也逐漸加深。遞減速率反映樁身周邊土體摩阻力發揮的情況，在0～30m 間樁身軸力遞減迅速，表明30m以上樁側阻力發揮較充分，其下樁身軸力遞減速率逐漸減小，在荷載達到13000kN 后30m 以下土層樁身軸力遞減速率較大，說明此時30m 以下土層樁側阻力發揮較為充分。從各級荷載下樁側摩阻力分布圖可以看出，隨著樁頂荷載逐漸施加，樁側阻力從上至下逐步發揮，后期樁端阻力開始發揮，在最大加載至26000kN 后，樁側阻力和樁端阻力發揮均較為充分，且相比勘察報告提供的預估值有一定幅度提高。通過以上分析，3 根后注漿的試驗樁單樁豎向抗壓承載力均不小于26000kN，還有部分余量，滿足設計要求，試驗達到預期效果。

6 結論

在合肥地區泥漿護壁鉆孔灌注樁施工較為普遍，本案例中鉆孔灌注樁為較長樁，樁側阻力占比較大，樁側阻力發揮需要的相對位移較多，同時樁端因為成樁工藝因素存在著或多或少成渣，其單樁豎向抗壓承載力往往不能充分發揮。由于本地區土層較為簡單，粉質粘土中含有粉土、粉砂、細砂，樁端為風化巖，在成樁后進行高壓注漿，漿液通過滲入、劈裂、填充、擠密等作用與樁體周圍土體結合，固化樁底沉渣和樁側泥皮，可以有效減少樁土相對位移，顯著提高樁側、樁端阻力，經濟效益顯著。

后注漿技術在灌注樁施工中得到廣泛使用，不過各地區土層差異巨大，該樁型設計情況、施工技術水平參差不齊，同時后注漿參數選定也相當重要，這就要求施工前工程人員務必進行充分調查，注重施工過程和試驗結果，經過論證后方可采用。