基于软土地区超长钻孔灌注桩试验研究

孙仁福

文章编号：2095-6835（2016）13-0100-02

摘 要：以软土地区为研究对象，利用静荷载试验、轴力试验分析了该地区超长钻孔灌注桩的荷载及承载性状。试验研究显示，软土地区常采用桩端后注浆工艺，同时其超长钻孔灌注桩的荷载主要为桩侧摩阻力。另外，桩端阻力在注浆过程中也扮演着重要的角色。在全面考虑上述因素的基础上，充分发挥桩的承载性能。

关键词：软土地区；超长钻孔灌注桩；静荷载试验；桩侧摩阻力

中图分类号：U445.55+1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.100

随着社会经济的发展，各种建设工程项目规模不断扩大。在高层建筑、桥梁建设等方面，超长钻孔灌注桩均有着广泛的应用，其最为特殊的优点便是具有较高的承载能力。但由工程实践可知，超长钻孔灌注桩的优势在软土地区并未充分发挥。造成此情况的主要原因是工作人员未掌握其荷载传递及承载性状。为了有效解决上述问题，我们应明确超长桩承载力的影响因素，即桩侧摩阻力和桩端阻力。经试验研究，掌握二者的作用，以此促进此类桩设计水平的提高。

1 超长钻孔灌注桩及桩端后注浆工艺

1.1 超长钻孔灌注桩

在工程建设过程中，超长钻孔灌注桩扮演着重要的角色，因其具有较高的承载能力，可满足不同工程建设的需求。根据工程实践可知，此类桩的长度均在50 m以上，并且具有以下特点：①桩顶沉降是由桩身压缩和桩端沉降构成的。由于桩身直径与其压缩量呈正相关，而桩身弹性模量与桩身压缩量呈负相关，因此，为了控制桩顶沉降，此类桩应尽量选用直径较长的桩身材料。②桩端沉降是因桩端下土体压缩而出现的，其影响因素主要为桩端荷载。如果工程位于软土地区，受连续性软土高压缩性的影响，则会出现桩侧摩阻力传递。此后，桩端附近的土地将会受到压缩的影响，进而出现桩端沉降。③在软土地区应用的超长钻孔灌注桩基本都为大直径桩。在此情况下，桩钻孔施工时间较长，成孔难度较大。同时，孔壁周围的土体也会出现不同程度的松弛问题，严重情况下，甚至会出现孔壁土泡水软化现象，桩侧摩阻力便会随之下降。

1.2 桩端后注浆工艺

桩端后注浆工艺主要是指钻孔灌注桩成桩后，借助预埋压力注浆管将浆液均匀注入到桩端地层。这样，不仅可以促进桩承载力的提高，还可以减少桩基的沉降量。因此，在实践过程中，应全面考虑不同的因素，比如浆液性状、注浆参数、土层特性，同时，还要关注压力浆液的不同作用，比如填充、渗透、置换、固结等。

桩端后注浆工艺的优点为：①促进了各种灌注桩作用的发挥。②保证了桩承载力的提高，并且具有较好的经济性。与常规灌注桩相比，前者的承载力提高了2倍左右，成本节约了50%左右。③解决了灌注桩的相关问题，在先进桩端压力注浆工艺的支持下，桩端虚土组成结构有所改变，从而避免了桩底沉渣问题的出现。

桩端后注浆工艺的缺点为：①施工要求较高，在施工过程中极易出现各种问题，比如注浆管堵塞与被包裹、地面冒浆、地下窜浆等。为了提高注浆施工质量，应严格要求各施工程序。②施工周期较长。压力注浆对桩身混凝土强度有一定的要求，在满足其要求的前提下方可施工，进而延长了施工周期。③施工质量影响因素较多，比如在注浆过程中，会受到灌注桩成孔及成桩工艺等因素的影响。为了提高施工质量，应对上述因素予以关注。

桩端后注浆工艺具有较广的适用性，基本任何土层均可使用。在实际施工过程中，唯一的要求便是需要具备桩端预留压力注浆装置。

2 试验研究

我国幅员辽阔，在施工建设过程中常见软土层主要是由黏性土、粉性土和砂性土等构成的。在实际施工时，受土质因素的影响，极易出现流砂问题。同时，土质的压缩性也对工程有着较大的影响。

本文以某软土地区工程的钻孔灌注桩为研究对象，其桩长为55 m，直径为800 mm。为了促进灌注桩竖向承载力的提高，选用了桩端后注浆工艺，并且对AS2和AS4两根试验桩开展了静荷载试验和轴力试验。

2.1 试验实施

2.1.1 静荷载试验

该项试验分别于AS2成桩后30 d、AS4桩端注浆后28 d开展，选用的试验设备和仪器包括全自动基桩静载荷测试分析系统、钢弦式频率仪、锚桩反力装置、千斤顶、位移测读装置等。在加载过程中，主要是利用锚桩反力装置实现的，同时其加载分级与沉降测读均要符合相关的规范要求。通常情况下，沉降观测时间分别为加载后5 min、15 min、30 min、45 min和60 min。在沉降量稳定后，方可再次加载。在卸载过程中，卸载量为2倍的加载量，时间间隔为60 min，直至卸载为零。

2.1.2 轴力试验

该项试验主要是借助振弦式应力计及桩身变形协调实现的，要求应力计上的应力和桩身钢筋上的应力一致，同时前者应变与混凝土应变应相互协调。通常情况下，桩身截面轴力可利用应力计的应力与应变计算。在2个试验桩成桩过程中，在桩身预埋应力计，其常位于桩身主要土层分界面与桩顶附近。其中，标准计算断面主要为桩顶附近埋设应力，在此基础上可以获得不同荷载条件下桩身的弹性模量，利于减小计算误差。

2.2 试验结果

2.2.1 静载荷试验结果

2.2.1.1 AS2桩

此桩端未注浆，开展试验后，结果为：荷载在1 900 kN、2 600 kN、3 200 kN、3 900 kN、4 500 kN、5 200 kN、5 900 kN、6 500 kN、7200 kN、7 900 kN、6 500 kN、5 200 kN、3 900 kN、1 900 kN时，沉降分别为2.54 mm、3.76 mm、5.99 mm、7.09 mm、 8.54 mm、10.04 mm、11.46 mm、12.43 mm、80.87 mm、83.65 mm、80.74 mm、78.97 mm、75.75 mm、73.13 mm，其中，最大沉降量为83.65 mm。同时，结合Q-S曲线和S-lgt曲线可知，此桩加载荷载达到6 500 kN时，桩顶沉降量为12.43 mm。之后持续加载，则沉降量大幅度增加，为80.87 mm。此值为最大加载值，表示试验桩已经接近破坏状态。在7 200 kN时，沉降量持续增加；而在7 900 kN时，沉降量趋于稳定。通过上述分析可知，AS2桩底可能伴有较厚的沉渣与虚土，在压实后，此桩的竖向承载力有所恢复。依据相关规范要求可知，此试验桩的承载力在6 500 kN左右。

2.2.1.2 AS4桩

此桩端注浆，开展试验后，结果为：荷载在1 700 kN、2 600 kN、3 500 kN、4 500 kN、5 200 kN、6 000 kN、7 200 kN、7 900 kN、8 700 kN、9 600 kN、10 500 kN、8 700 kN、6 000 kN、3 500 kN、1 700 kN时，沉降分别为0.54 mm、0.96 mm、1.59 mm、2.29 mm、3.04 mm、4.04 mm、5.46 mm、7.43 mm、8.87 mm、10.65 mm、12.74 mm、11.97 mm、10.75 mm、8.13 mm、6.16 mm，其中，最大沉降量为12.74 mm。同时，结合Q-S曲线与S-lgt曲线可知，此桩加载荷载达到10 500 kN时，沉降值最大为12.74 mm，但其加载尚未达到极限值。受试验反力的影响未继续试验，此后开始卸载。因此，此试验桩的承载力应该在10 500 kN左右。

对试验结果进行对比、分析可知，由于AS2桩未采用桩端后注浆工艺，其竖向抗压极限承载力仅为6 500 kN，而AS4桩在采用后注浆工艺后，其竖向抗压极限承载力达到10 500 kN。二者相比，后者承载力明显提高。此试验结果显示，软土地区超长钻孔灌注桩在桩端处理时利用注浆工艺促进了灌注桩竖向抗压极限承载力的提高。

2.2.2 轴力试验结果

2.2.2.1 AS2桩

通过对AS2桩进行轴力试验分析可知，在1 900 kN时，桩端阻力为30 kN，此后增加迅速，桩端阻力作用发挥得更早。同时，如果桩端沉渣过厚或者桩端土性较差，桩侧土的压缩也会迅速向下传递，并且会对中下部桩身产生一定的下拽力，而中下部桩身压缩，则会导致桩端阻力过早出现。在桩顶荷载不断增大的基础上，中下部桩身和桩侧土会因迅速滑移而破坏。在此情况下，中下部桩侧摩阻力也会大幅度降低。此结果表明，灌注桩如果缺少桩端土，则难以保证桩侧摩阻力。

根据传统理论可知，单桩竖向承载力是由桩侧摩阻力和桩端阻力构成的。为了保证桩端阻力作用的充分发挥，要求桩侧摩阻力达到极限值。根据静载荷试验可知，AS2桩的桩侧摩阻力为6 500 kN时，桩端阻力作用已经丧失。对于软土地区超长桩而言，其最为显著的特点之一便是桩端阻力和桩侧摩阻力二者相互影响、共同作用。当AS2桩荷载持续增加，达到6 500 kN时，桩身中下部桩侧摩阻阻力及桩顶沉降均为最大值。在持续加载过程中，桩身和桩侧土因向下拉拽而出现滑移破坏，同时，中下部桩侧摩阻力也会迅速减小。在桩端沉渣压实后，桩端土阻力将有所恢复，中下部桩身受桩端阻力的影响也会持续压缩，进而使桩侧摩阻力不断增大。

通过对AS2桩的相关数据进行分析可知，其极限阻力主要是指桩侧摩阻力，其中，占较大比例的为桩身中上部桩侧摩阻力。造成此情况的主要原因为该桩受沉渣影响相对较大，在桩侧摩阻力发挥作用的过程中，对桩土相对位移有较大的需求。在此情况下，桩身轴力难以实现有效传递。而此时，桩身中下部受向下拉拽的影响，即便桩顶沉降相对较大，但桩土相对位移量较小，因此，制约了桩侧摩阻力作用的发挥。经过分析可知，超长钻孔灌注桩受较厚沉渣及较差桩端土性等因素的影响，在桩端阻力减小的过程中，桩侧摩阻力也不断减小，桩顶沉降逐渐增大。为了促进桩侧摩阻力作用的充分发挥，对桩端土有较高的要求。如果桩端土土性较差，则桩端阻力作用消失得较快。

2.2.2.2 SA4桩

通过对AS4桩进行轴力试验分析可知，在加载初期，桩身上部混凝土压缩会导致桩身及桩周土出现相对位移，同时，桩周土对桩产生摩阻力。在荷载增大的过程中，桩身轴力将发生传递，其方向为由上至下，桩身混凝土也会发生压缩，其方向也为由上至下，在此情况下，桩身摩阻力作用十分凸显。当加载达到10 500 kN时，桩端阻力所占比例较小。此结果显示，与桩侧摩阻力相比，桩端阻力的作用相对较小。桩顶沉降主要为桩身压缩，因此，在实际设计过程中，关于极限承载力，不能只考虑桩侧摩阻力和桩端阻力。如果考虑不够全面，则会造成桩过长，从而增加建设成本。

2.2.2.3 桩端阻力

通过上述试验可知，两根试验桩的桩端阻力为35 kN时，AS2的加载力为1 900 kN，而AS4的加载力则为6 000 kN。此时，中下层土的桩侧摩阻力处于增加阶段，桩侧摩阻力未达到极限值。经分析可知，桩端阻力与桩侧土体压缩有一定联系——桩侧土对桩作用，会产生向上的摩阻力，同时，桩对桩侧土也会产生向下的作用力，进而实现了桩侧软土体压缩。如果桩顶荷载较小，桩侧土压缩将受下层土的影响；如果桩顶荷载较大，桩侧土压缩将逐渐向下转移，直至达到桩端土。此外，桩端处的桩侧土也会对桩造成一定的影响。在下拽力的作用下，桩端处桩身将发生一定的变化，在压缩后将出现桩端阻力。上述情况主要发生在软土地区，主要是因土体抗压缩性差造成的。根据AS4桩端阻力作用可知，在加载达到6 000 kN时，桩端阻力开始发挥作用，此后逐渐增大，但其增幅相对较小。造成此情况的原因主要为，在桩顶荷载达到一定程度后，桩侧土受中高压缩性土的影响而产生压缩，同时受低压缩性土的作用，将其传递至桩端土。在此情况下，中高压缩性土的摩阻力已经趋于极限值，甚至可能被破坏，而中低压缩性土的压缩相对较小，因此桩身中下部压缩也减少，最终桩端阻力逐渐稳定，并且在后者摩阻力达到极限值时，桩端阻力才能够得到充分的发挥。

对于软体地区而言，桩端阻力的作用发挥得较早，无需桩侧摩阻力达到极限值，因此，在实际设计过程中，应结合桩顶沉降量，以此保证超长灌注桩竖向承载力的合理性和准确性。再者，软土地区桩端阻力的作用还受其他因素的影响，比如桩侧土性质、桩长、桩端土性质等。桩端阻力作用与桩侧土性、桩长等呈负相关——前者作用越早，后者土性越差，桩长越短。

3 总结

综上所述，在经济建设发展的过程中，软土地区的施工建设规模相对较大。为了满足实际施工需求，应对其灌注桩予以高度的关注，特别是超长钻孔灌注桩。此类桩的应用具有广泛性和普遍性。为了控制建设成本，保证灌注桩的质量，本文以某软土地区工程为例，对其超长钻孔灌注桩展开了试验分析，通过静荷载试验与轴力试验分析，明确了桩侧摩阻力与桩端阻力对其的影响。相信，在充分考虑各影响因素的基础上，桩设计质量将不断提高。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕