水下钻孔灌注桩后注浆承载特性试验研究

刘焕存 孙凤玲 刘 涛

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

在地下水丰富的以细颗粒为主的沉积、冲洪积地层中，水下钻孔灌注桩是一种常用桩型。为了保持孔壁稳定，钻孔时常常采用泥浆护壁措施。膨润土泥浆形成的泥皮和沉渣使得桩侧及桩端承载力发挥受到较大影响。后注浆技术通过浆液的化学固化、挤压、劈裂、渗透、填充等多重作用，改变了桩侧、桩端与岩、土之间的接触条件，固化桩侧泥皮、消除桩端沉渣隐患，从而提高桩的承载力以及减少桩顶的沉降量[1-8]。对深厚黏性土地层，选择相对硬土层作为桩端持力层、严控孔底沉渣或采用后注浆增强等措施具有重要的工程意义[9-11]。

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[1]给出了后注浆灌注桩的单桩极限承载力计算公式，其中侧阻力和端阻力的增强系数根据数十根不同地层的后注浆灌注桩与未注浆灌注桩静载对比试验给出，具有指导性和局限性。

武汉市基本属于长江一级阶地，场地强风化泥岩埋深大于60 m，上覆盖层主要由第四系全新世冲积层和第四系晚更新世冲洪积层组成，并由黏性土过渡到砂性土，土颗粒逐渐变粗，且砂土都不是纯净砂，多为砂粒混合黏性土，桩身抗力主要为桩侧摩擦力。要获得较大的单桩承载力，扩大桩径、增加桩长是基本思路，但扩大桩径最不经济，增加桩长使桩身穿越深厚黏土夹砂层时沉渣控制难度较大，相应地会增加工程量。针对本工程，通过试验桩工作对不同桩径、不同桩长、相同的旋挖钻孔工艺、相同的桩端持力层，采取不同的后注浆措施，获得各工况下的单桩竖向抗压承载力，为优化桩基设计提供依据，也为类似工程提供技术参考。

1 工程概况与试验桩方案

1.1 工程与地质概况

项目场地位于武汉市东西湖区，该项目主要由变形敏感、抗微震要求高的多栋大跨多层厂房组成，无地下室，桩顶标高为现有地面，单柱最大轴力达42200 kN，基础埋深约2.5 m，地质构造为汉口—新界复式背斜的核部，典型地质剖面图见图1。

①1素填土：黄褐色—褐灰色，稍密，稍湿，以粉质黏土为主，含少量建筑垃圾，新近堆填土。

勘察揭露50 m深度范围内的地层由上至下为：表层人工填土、一般第四系成因的黏性土及砂类土，土层物理指标参数见表1。

表1 场地地层主要参数

1.2 试验桩方案及施工参数

试验桩参数：采用旋挖成孔、泥浆护壁、水下灌注工艺，桩身混凝土等级C40，以④1层粉细砂夹粉质黏土为持力层；按桩径试验分为两组：第一组试验桩直径800 mm、桩长30 m；第二组试验桩直径1000 mm、桩长35 m。试验桩位置由结构设计按勘察报告结合结构荷载选取。试验桩设计参数见表2和表3。

表3 1000 mm直径试验桩SZ7—SZ13设计参数表

表2 800 mm直径桩SZ1—SZ6设计参数表

注浆参数：桩端设置注浆管两根，桩侧在④1层顶部设置一根；注浆水泥标号P·O 42.5，水灰质量比为0.5～0.6，第一组后注浆灌注桩桩侧注浆量不少于0.8 t，桩端注浆量不少于1.2 t；第二组后注浆灌注桩桩侧注浆量不少于1.0 t，桩端注浆量不少于1.5 t。

静载荷试验采用堆载法，单桩承载力特征值根据勘察报告所提供的指标以及桩位附近的地质钻孔，按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)进行计算确定，最大加荷载为3～4倍的单桩承载力特征值。

2 单桩静载荷试验结果分析

将本场地13根试验桩的单桩静载荷试验结果汇总于表4、表5，Q-s曲线汇总见图2、图3。

表4 800 mm直径桩单桩静载荷试验成果表

表5 1000 mm直径桩单桩竖向静载荷试验成果表

图2 SZ1—SZ6 D=800 mm单桩静载荷试验Q-s图

图3 SZ7—SZ13 D=1000 mm单桩静载荷试验Q-s图

对比分析可知：(1)两组共13根桩Q-s曲线中，未进行注浆的4根桩曲线均出现明显的陡降段(SZ3、SZ6、SZ8、SZ10)，达到极限荷载；而经后注浆的9根桩Q-s曲线均呈为缓变型且最大沉降未达到40 mm。(2)未注浆单桩极限荷载值与勘察报告所提供的参数计算值基本一致。(3)经后注浆处理后，单桩竖向承载力提高明显，试验一组800 mm直径桩后注浆综合提高系数为1.47，试验二组1000 mm直径桩后注浆综合提高系数为1.37，且相同桩顶荷载作用下沉降量明显减小。

3 桩身轴力分析

3.1 桩身钢筋应力计布置

本项目4根试验桩(SZ1、SZ3、SZ4、SZ11)的桩身主筋上预设钢筋应力计，应力计规格根据桩身主筋直径20 mm确定，用于测试加载、卸载过程中钢筋应力的变化。钢筋应力计埋设间距为自桩顶沿桩身向下每隔6 m为一个测量断面。其中3根试验桩，每根桩设置6个量测断面；另外1根试验桩，设置7个量测断面。每测试断面埋设3只应力计(呈120°中心夹角均匀布置)，每个灌注桩合计埋设18个(3根桩)、21个(1根桩)钢筋应力计，4根桩共计75个应力计。

3.2 单桩受力特征分布曲线

单桩在桩顶荷载作用下，荷载通过桩身向桩端传递，随着荷载的增加，其传递规律因桩侧地质特征的差异以及桩端地质条件的差异而呈现出不同的特点。实测4根单桩钢筋应力经过上述原理计算后绘制桩身轴力随桩顶荷载变化的分布曲线、桩身侧摩阻力分布曲线见图4—图11。

图11 加载阶段SZ11侧摩阻力分布曲线

图4 SZ1加载阶段桩身轴力分布曲线

图5 SZ3(未注浆)加载阶段桩身轴力分布曲线

图6 SZ4加载阶段桩身轴力分布曲线

桩身轴力-桩顶荷载随深度变化关系曲线见图4—图7，在两种工况条件下，桩身轴力传递呈现出一致规律，即随桩顶荷载增加，桩身轴力随深度分布呈现上大下小，由上往下逐步递减。由于本次试验桩SZ3、SZ11加载到极限破坏，而SZ1、SZ4未到极限破坏，其桩端轴力发挥小于达到极限破坏的SZ3、SZ11。

图7 SZ11加载阶段桩身轴力分布曲线

图9 加载阶段SZ3(未注浆)侧摩阻力分布曲线

图10 加载阶段SZ4侧摩阻力分布曲线

桩身侧摩阻力-桩顶荷载随深度变化曲线见图8—图11,桩身侧摩阻力随桩身分布形态呈现出一致规律，且都表现为正摩阻力随着桩顶荷载的增加，桩身各截面侧摩阻力逐步增加。在桩顶荷载加载到最大值时，桩身侧摩阻力达到最大值，SZ4侧阻力最大峰值高达520.1 kPa，平均值为424.36 kPa。

图8 加载阶段SZ1侧摩阻力分布曲线

对4根桩加载阶段的荷载分担比进行分析，见表6—表9。

表6 800 mm直径桩SZ1加载阶段荷载分担比

表7 800 mm直径桩SZ3加载阶段荷载分担比(未注浆)

表8 800 mm直径桩SZ4加载阶段荷载分担比

表9 1000 mm直径桩SZ11加载阶段荷载分担比

对于摩擦型长桩，桩顶一旦受压，桩侧桩端即同时受力，可以划分为以下4个阶段：

(1)在弹性阶段，各桩桩侧和桩端荷载分担比随桩顶荷载的增加，各桩分担比值基本稳定，波动幅度较小，平均幅度不大于2.0%，桩端平均分担比为4.51%，桩侧平均分担比为95.49%。

(2)在极限荷载下，直径800 mm桩，桩端轴力实测平均值是理论平均值的0.301倍，桩侧阻力实测平均值是理论平均值的1.485倍，直径1000 mm桩，桩端轴力实测平均值是理论平均值的0.728倍，桩侧阻力实测平均值是理论平均值的1.462倍。

(3)在桩顶竖向荷载作用下，水下钻孔灌注桩的桩侧阻力分布形态近似呈现“K”型形状特征，随桩顶荷载增加，桩侧阻力增量在0～L/3(L为桩长)最大、L/3～2L/3最小、2L/3～L处比L/3～2L/3变大。出现“K”型形状特征的原因在于桩身与桩周土相对位移量大小以及桩端土层特性好坏：0～L/3段，桩身与桩周土相对位移量大，所以桩侧阻力大；2L/3～L段，虽然桩身与桩周土相对位移量小，但是桩端附近土特性好，即桩的极限侧阻力特征值大，所以桩侧阻力也大；L/3～2L/3段，桩身与桩周土相对位移量小且土的特性不好，即桩极限侧阻力特征值小，导致L/3～2L/3段侧阻力最小。

(4)SZ3、SZ11桩超过极限荷载5005 kN、8160 kN作用后，荷载分担比发生明显变化，桩侧分担比减小，桩端分担比增加，这一现象与Q-s判断单桩竖向极限荷载值也相互对应。

4 结论

(1)试验共13根桩，根据Q-s曲线可知，未进行注浆的4根桩Q-s曲线均出现明显的陡降段，达到极限荷载；而经后注浆的9根桩Q-s曲线均呈缓变型且最大沉降未达到40 mm。

(2)采用后注浆措施，直径800 mm桩综合性价比高。直径800 mm、桩长30 m的后注浆单桩承载力实测值与理论值均呈正偏差，偏差均值约15%且后注浆处理后单桩承载力综合平均提高系数达1.47；直径1000 mm、桩长35 m的后注浆单桩承载力实测值与理论值相差小，正负偏差都存在，承载力发挥稳定性相对差，单桩竖向承载力综合平均提高系数约1.37。

(3)弹性阶段，各桩桩侧和桩端荷载分担比随桩顶荷载的增加，各桩分担比值基本稳定，波动幅度较小，平均幅度不大于2.0%，桩端平均分担比为4.51%，桩侧平均分担比为95.49%；超过极限荷载后，荷载分担比发生明显变化，桩侧分担比减小，桩端分担比增加。

(4)在桩顶竖向荷载作用下，水下钻孔灌注桩的桩侧阻力分布形态近似呈现“K”型形状特征，随桩顶荷载增加，桩侧阻力增量在0～L/3(L为桩长)最大、在L/3～2L/3最小、在2L/3～L处比L/3～2L/3变大。