滨海软土中后注浆桩桩侧负摩阻力研究

钟 杰 李粮纲 胡龙飞

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

后注浆的渗透固结、充填挤密及劈裂等加固作用，在固化桩底沉渣和桩侧泥皮上效果显著，可有效提高桩的承载力、减小沉降、提高施工质量。在土质松软或基岩埋深较大的滨海软土中，桩基的支承较多地依靠桩侧摩阻力发挥作用。而桩侧摩阻力的提高，主要得益于浆液的压密和渗透，使得桩侧泥皮固化，有效地改善了桩侧摩擦性能[1]。故该技术在近年来的运用日益增多，尤其是在大型桥梁和超高层建筑之中。对于存在的桩侧负摩阻力，产生的原因各有不同，已有部分学者对其提出了自己的观点和研究成果，例如邹健等人[2]对桩端后注浆桩的残余应力理论研究；刘前进等人[3]从桩侧土体液化和孔隙水压力变化等角度的分析；姚海林等人[4]从加固机理的角度提出的分析；梁仁旺等人[5]对湿陷性黄土地基支盘后注浆桩工程性状的试验研究等。但就目前而言，对于负摩阻力产生原因的探讨，较多地集中于理论分析，与实际实测数据联系还不够紧密。本文以后注浆的加固机理与施工工艺作为出发点，在总结归纳已有研究成果的基础上分析负摩阻力形成的机理，并结合某主塔楼桩基工程的后注浆静载试验实测数据，分析探讨可能造成桩侧产生负摩阻力的其他因素，对后注浆技术的理论研究和现场运用有较大的参考意义。

1 负摩阻力来源分析

在已有研究成果的基础上进行分析，在滨海软土中使用后注浆技术的钻孔灌注桩，桩侧负摩阻力主要来源于以下四个方面。

1.1 后注浆工艺的残余应力

在桩端后注浆过程中，浆液在加固机理上可以分为填充紧密、渗透固结及劈裂等作用。若在卵砾石层中，后注浆的浆液大多通过填充作用占据土颗粒间的空隙，并通过渗透作用向外扩散，且注浆的扩散半径会在一定范围内持续增大，更多地表现出渗透和填充作用的效果。而在滨海软土中，由于孔隙一般比较大，土体颗粒之间的结构不连续，通常还具有压缩性比较高的特点，故在注浆前期，注入的浆液在桩端形成浆泡，加固作用主要以填充和压密为主，并在桩端形成双向的作用力F1与F2，F1向上推动桩端上移，F2向下挤压桩端下部土体。由于存在桩侧摩阻力且F1的数值较小，难以对桩体位移产生实质性影响，但对于桩身下部而言，却能起到一定程度的压缩变形作用，使其桩身下部产生负摩阻力。

由于浆泡具有内压，该负摩阻力便会随着浆液渗透而部分消散，故最终在静载试验前，会留有残余负摩阻力。该部分残余负摩阻力将在静载试验中逐步增加至0值，后再增加到极限正摩阻力。

1.2 土的剪缩、剪胀

在刘前进等人[3]的研究中，通过测算桩身轴力和桩侧摩阻力表明：松砂土体颗粒受剪时伴随的剪缩、正常固结粘土在受剪时伴随的剪缩、密实细砂土在低围压时表现的剪胀、超固结粘土具有的剪胀趋势，均会使得土层厚度变化而造成负摩阻力桩段。具体而言，剪缩会在土层上部产生负摩阻力区，下层产生正摩阻区，而剪胀是在上部产生正摩阻区，下部产生负摩阻区。

1.3 高灵敏土的液化、湿陷性土体

在高灵敏土的桩段，由于外界的轻微扰动，均会使土体原有结构受到一定程度的破坏，使土地丧失原有的稳定性而趋近于像液体一样的流动，也就出现了部分土体相对于桩体的向下运动。

其次，对于湿陷性黄土地区，当发生浸水现象时，也会发生不同程度的湿陷，使得土体竖直向下运动[5]。

桩侧土体若为这类高灵敏土或湿陷性土，则将因为产生流滑或湿陷现象而使得桩侧产生负摩阻力。

1.4 桩体因注浆变径

在钻孔灌注桩的后注浆技术中，若对桩侧进行后注浆，其浆液的劈裂和压密作用会在桩周形成比桩径略大的固结体[3,6]。在静载实验中，由于竖向荷载的作用，桩身发生的压缩或竖向的沉降变形均会导致固结体的上部出现临空区。当临空区到达一定大小后，临空区上部土体失稳且在自重作用下向下填充，故而也会出现桩侧摩阻力的负值。

综上，各已有研究成果所提及的影响因素及其负摩阻力桩段位置可归纳为表1。

表1 负摩阻力来源分析

2 产生负摩阻力其他原因探讨

2.1 工程概述

某工程的主塔楼是核心筒结构的大型超高层建筑，地上96层，总高度530 m；场地下设4层地下室，基底开挖深度标高-29 m。

2.2 静载试验概述

主塔楼部分的其中1根受压试验桩，长度为97.5 m，设计桩径为1 000 mm，设计混凝土标号为水下C45，充盈系数为1.08，设计注浆方量76.96 m3，实际方量83.0 m3。试验采用锚桩法，采用慢速维持荷载法按双循环方式加载，即第一循环分6个等级从6 000 kN加至21 000 kN，之后逐级卸载，第二循环分9个等级从6 000 kN加至30 000 kN，之后逐级卸载。双循环Q—S曲线如图1所示。

在静载试验时，设置了15个测量截面，如表2所示，每个截面对称布置2只应力计。

表2 应力计测量截面明细

同时，在标高-29 m的有效桩顶处设置沉降杆。标高-29 m以上采用双套筒来设置非摩擦段，以便于隔离桩土接触。

2.3 桩侧摩阻力分析

若假定同一截面钢筋与混凝土变形协调、桩身在整段上的混凝土应力—应变关系相同、桩侧摩阻力为均布荷载，则根据应力计实测数据可算出在各级荷载下的桩身轴力，每两截面之间的桩侧摩阻力。

由静载试验结果可知，在第二循环中，桩侧摩阻力存在负值区域，且主要集中于约-49 m以上的桩段，如图2所示。

从后注浆工艺导致残余应力的角度分析，由于注浆后首先进行了荷载试验的第一循环，浆泡内压导致的负摩阻力已经增加到正值，故在第二循环中部分桩段的负摩阻力，不应归于此因素。

从土的性质角度分析，该地区上部地层多为粘土和粉质粘土，且多交替互层，但勘察中超固结比大多接近于1，灵敏度均小于2，故由于此因素影响而造成负摩阻力的可能性存在但较小。

从桩体注浆变径而受载产生临空区的角度分析，由于实测桩径为1 010 mm，增加量较小，计算中采用的是成孔后的实测桩径，且桩侧为全注浆，故不应归因于此因素。

从双循环静载试验角度来分析，第一循环结束后，桩顶因回弹过程而上移，故靠近桩顶一定桩身长度内的桩侧摩阻力会反向。此时虽已开始进行第二循环的加载，但因前面几级荷载值较小，如小于18 000 kN，则该部分桩段的桩侧摩阻力尚不足以立即改变方向。所造成的现象在于：1)桩的中部会出现桩身轴力大于桩顶荷载的情况，该现象已在第二循环的桩身轴力图中得到印证，如图3所示；2)该段的桩侧摩阻力会随着加载值增加，逐步由负值归零，再增加到正值。

3 结语

1)在滨海软土后注浆桩中，可能造成桩侧负摩阻力的原因包括：后注浆工艺的残余应力、土的剪缩与剪胀、高灵敏土的液化、湿陷性土体、桩体因注浆变径、双循环静载试验等等，可归类于土质因素、工艺因素、试验条件因素这三类；

2)双循环静载试验中，第二循环加载较小时，桩的中部会出现桩身轴力大于桩顶荷载的情况；

3)双循环静载试验的负摩阻力主要来源于桩体的回弹，若回弹储能的消散时间足够，应力得到释放，测得的负摩阻力将趋于极小值。