旋喷加固灌注桩竖向抗压承载性能试验研究①

于宝来

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251;2.同济大学 地下建筑与工程系，上海200092)

0 引 言

钻孔灌注桩和地基处理在软弱土工程中的应用广泛，通过对软弱地基土的加固处理，可以提高钻孔灌注桩的承载力，减小桩径和桩长，从而降低成本.此外，伴随着城市建筑改造和修复工程的发展，既有桩基础的承载力达不到要求，此时采用地基处理来提高桩基础的承载能力和利用率，其经济效益和工程效率明显高于重新施工桩基础.因此，对钻孔灌注桩与地基处理联合应用的研究具有工程应用价值.

高压旋喷是一种常见的地基处理工艺，国内已有许多研究［1～4］.而对于高压旋喷地基处理和桩基的联合使用，国内的工程应用不多，可借鉴的成功案例文献较少.孙喜峰［5］研究了高压旋喷注浆法对挖孔桩桩端地基土加固处理作用;杨敏［6］采用有限元法，模拟深层搅拌法被动加固软土地基与受水平荷载邻近桩基的相互作用;陈国栋［7］通过数值模拟及实际测试，表明高压旋喷注浆处理地基对PHC 桩身的最大水平位移和最大弯矩均比地基处理前至少减少30%.

地基处理加固桩基础的理论分析及研究可以借鉴砼芯水泥土搅拌桩或高喷插芯组合桩的研究方法，这类工艺目前已经有一些使用和研究.针对砼芯水泥土搅拌桩，吴迈［8］通过模型试验表明，混凝土桩与水泥土之间的黏结强度与水泥土强度呈近似的线性关系;董平［9，10］通过试验和工程应用，提出了从砼内芯－水泥土外芯－桩周土体双层扩散模式的承载力发挥机理.对于高喷插芯组合桩，刘汉龙［11］通过足尺模型试验，得到高喷插芯组合桩极限侧摩阻力是灌注桩的1.47 倍，内摩阻是外摩阻的1.62 倍，工作机理为管桩内芯向水泥土外芯扩散和水泥土外芯向桩周土扩散的双层扩散模式;任连伟［12，13］对影响承载机理的主要因素进行了分析，基于荷载传递法提出不同组合形式下JPP桩荷载传递的简化计算方法.

本文通过现场试验，分析高压旋喷加固灌注桩后桩基的抗压承载特性，得到旋喷加固对提高单桩抗压承载力和控制沉降的作用，以及旋喷加固桩侧土体抗力分布规律和提升作用.

1 现场试验

试验场地位于上海市郊，属滨海平原，低洼水塘区域.试验场地土层情况及物理力学指标如表1所示.

试验设计采用直径500mm，桩长26.1m 的钻孔灌注桩，桩端位于灰绿色粉质黏土层.分别设置未旋喷加固试桩和旋喷加固试桩各一组，分别记为SY－1，SY－2.为测得各土层侧摩阻力，在各土层交界处，两组试桩相应位置布置钢筋测力计，每层分界断面布置两组取平均值.现场试验采用锚桩反力静载荷装置，加载过程按相关规范要求进行.

在预加固的钻孔灌注桩两侧对称进行高压旋喷，每一侧各设一个旋喷点，旋喷点距桩身0.25m，旋喷加固半径0.8m.加固深度沿桩身从地表至桩端以下3 倍桩径范围.

表1 各土层分布及物理力学指标

2 试验结果分析

2.1 荷载－沉降规律分析

试桩荷载－沉降关系如图1 所示.SY－1 已加载至地基土破坏，SY－2 未加载到破坏，但已出现较大沉降，并出现明显拐点.根据规范，试桩SY－1与SY－2 的极限承载力分别为2700kN 和3600kN，旋喷加固后试桩的极限承载力提高了约33.3%，高压旋喷加固提高承载力的效果明显.

图1 SY－1，SY－2 静载试验荷载－沉降曲线

两组试桩在第一级加载时便产生沉降差，旋喷加固控制沉降的效果在较小荷载下便有所体现.两组试桩的荷载－沉降曲线均成直线，同时，二者的沉降差伴随荷载的增大而增大.竖向承载力达到极限值时，SY－2 的沉降量为10.10mm，小于SY－1在极限状态下的沉降12.01mm，单从控制沉降来看，SY－2 取3600kN 作为其极限承载力是可行且偏保守的.当荷载为SY－1 竖向承载力极限值2700kN 时，SY－2 的沉降量为7.43mm，不足SY－1 桩顶沉降12.01mm 的2/3，旋喷加固对控制沉降起到一定作用.

图2 SY－1 桩身轴力分布曲线

2.2 桩身轴力分析

通过预先埋设在桩身内的钢筋测力计，可以得到各级荷载下的钢筋应力σs，进而计算钢筋应变ε，假定钢筋与混凝土应变协调，均为ε，可算得各个断面的桩身轴力P.试桩SY－1，SY－2 在各级荷载下的桩身轴力分布见图2，图3.

图3 SY－2 桩身轴力分布曲线

各组试桩桩身轴力随深度逐渐减小，表现了荷载传递的一般规律.荷载较小时，上部土层分担了大部分荷载，当荷载逐渐增大时，荷载逐渐向下传递，下部土层分担荷载比例逐渐增大.试桩SY－1，SY－2 极限荷载下桩端轴力分别为193.08kN 和260.15kN，桩端分担的荷载分别占总荷载的7.15%，7.22%，桩侧摩阻力分担了大部分的荷载，试验采用的旋喷方案对桩侧的加固作用大于桩端.

2.3 桩侧摩阻力特性分析

通过已测得的各土层分界处的桩身轴力，可计算得到各土层的桩侧摩阻力.各试桩侧摩阻力分布如图4，图5 所示.

图4 试桩SY－1 侧摩阻力分布

由各级荷载下的桩侧摩阻力分布可进一步验证桩身荷载传递的一般规律:上部土层的侧摩阻力先行发挥，随着荷载不断增加，上部土层的侧摩阻力趋于极限，下部土层逐渐发挥作用.试桩SY－2浅部填土层①在开始加载时就发挥了很大的侧摩阻力，使荷载主要集中在浅部填土层①，侧摩阻力在后续加载中增长幅度也较大，在最后一级荷载下其值已接近110kPa.③层淤泥质粉质黏土与淤泥质黏土互层性质较差，由于旋喷作用，侧摩阻力有明显的提高幅度，由于①层侧摩阻力的发挥，③层侧摩阻开始时发挥较小，在后续加载中增长幅度较大.在前几级的加载中，下部土层的侧摩阻基本没得到发挥.对比下部两层⑤1和⑤4层的侧摩阻力可看出，由于荷载传递规律，上部土层先承担荷载，在相同荷载等级下，SY－2 对应⑤1和⑤4层的侧摩阻力值小于SY－1.

图5 试桩SY－2 侧摩阻力分布

图6 试桩SY－1，SY－2 侧阻力极限值对比

图6 所示为试桩SY－1、SY－2 实测极限侧摩阻力对比，可以看出，旋喷加固后SY－2 的极限侧摩阻力明显提高.由于旋喷加固，上部土层极限侧摩阻力提高幅度大于下部土层，土层①和土层③的极限侧摩阻力平均增加约89.4%，而下部其余土层平均增加约24.8%.上部土层极限侧摩阻力提高比较大的原因如下:旋喷施工自下而上，当旋喷到上部土层时，土层自重应力场不及下部土层，由于高压旋喷的升扬挤压作用［14］，土层自重应力与旋喷压力之间的差值致使水泥浆的渗流范围更广;同时，由于高压旋喷工艺，需要将加固点开挖一米左右，在旋喷加固到浅层土时，由于渗透充填作用［14］，水泥浆会上涌至地表，在浅层流动，并将开挖处充填满，实际上在浅层土区域属于全桩周加固或桩周大范围加固，因此浅层土的极限侧摩阻力提升幅度较大.

图7 SY－1 桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系

图8 SY－2 桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系

对比SY－1 与SY－2 下部各土层的极限侧摩阻力，土层④1至⑤4的极限侧摩阻力在加固后提高百分比分别为28.4%，32.9%，26.3%，22.7%，21.4%，其增长幅度自上而下逐渐减小，因为土层自重应力与旋喷压力的差值影响实际加固范围，同时也受荷载自上而下传递的影响，底部土层的侧摩阻力尚未完全发挥.④3层为砂质粉土，其侧摩阻极限值增加百分比为32.9%，略大于其余粉质黏土层，因为当压力和提升速度不变时，一般黏土含量越高，旋喷加固半径越小［15］，由于土层性质的不同，旋喷对砂质粉土的加固效果比粉质黏土要好.

2.4 桩土相对位移

根据桩顶沉降s0和各截面的应变ε，结合土层厚度，即截面间的单元长度l，可计算各个截面的桩身位移δi:

则各单元相对与土的位移si为:

在加载过程中，各土层桩侧摩阻力与桩－土相对位移的关系如图7，图8 所示.

根据图7，图8 的关系曲线可以看出，浅层土发挥作用较快，当荷载加载至极限荷载的1/2 左右时，土层①和土层③的侧摩阻力基本达到极限状态，之后侧摩阻力变化很小，没有出现软化现象，荷载传递函数可近似用双曲线模型来描述.浅层土在未加固时，较小位移下便趋于极限状态，而旋喷加固后，侧摩阻力随相对位移的增大，有较大的增长趋势.土层④1至土层⑤4相对较薄，其桩侧摩阻力－桩土相对位移关系曲线介于双曲线模型与理想弹塑性型模型之间，且加固后的曲线更接近理想弹塑性模型.当桩－土位移较小时，桩侧阻力曲线斜率比较大，且随着土层加深，斜率大致呈增大趋势.随着桩土位移的增大，曲线斜率逐渐减小，曲线逐步趋于水平，进入弹塑性变形状态.

由于深层的桩土相对位移较小，其土层的侧摩阻力并没有充分发挥，土层③淤泥质类土侧摩阻力充分发挥所需的位移小于黏土.即使是同类土，其侧摩阻力发挥所需的极限位移也随土层深度不同而不同.旋喷加固前，土层的侧摩阻力发挥所需的极限相对位移大约为5 ～7mm，与传统经验认为的黏性土和粉土其侧摩阻力充分发挥所需的极限桩土相对位移5 ～10mm［15］基本相符.旋喷加固后，土层的侧摩阻力发挥所需的极限相对位移大约为4～6mm，相比加固前略有减小.

3 结 论

(1)针对桩径500mm 的钻孔灌注桩，沿桩身至桩端以下3 倍桩径范围两侧对称旋喷加固，旋喷加固后钻孔灌注桩的抗压极限承载力为承载力提高幅度不小于33.3%.

(2)相同荷载下，旋喷加固对控制桩顶位移具有一定的作用.

(3)由于旋喷工艺以及旋喷压力与地应力差异的影响，旋喷加固对浅层土的侧摩阻力提升效果高于深层土.由于荷载是由旋喷桩体和土体共同分担，对于侧摩阻力较小的淤泥质土层的提升幅度稍大.同时，由于土体性质的影响，旋喷加固对砂质粉土的加固效果要好于粉质黏土.

(4)各土层的桩侧摩阻力－桩土相对位移关系近似可用双曲线模型或理想弹塑性模型描述，旋喷加固后的曲线更接近于理想弹塑性模型.旋喷加固后，土层侧摩阻力发挥所需的极限相对位移相比加固前略有减小.

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