砾砂层桩端后注浆灌注桩承载性能试验研究

陈翠丽，殷开成，宋伟伟，王 旭

（1.东南大学 建筑设计研究院有限公司，江苏 南京 210096；2.南京赛宝液压设备有限公司，江苏 南京 211164；3.江苏京沪高速公路有限公司，江苏 淮安 223005）

引言

灌注桩具有地层适应性好、承载力高等特点，目前已作为桥梁、建筑物的基础，得到广泛的应用。当采用泥浆护壁工艺时，灌注桩将不可避免的在桩端产生沉渣、在桩侧产生泥皮，一定程度上会削弱桩基承载力；当沉渣和泥皮较厚时，桩基承载力将有明显下降。

近年来，针对泥浆护壁灌注桩的固有缺陷，专门开发了后注浆工艺，即在成桩后一定时间内，通过桩身预留的注浆管，向桩端注入水泥浆加固桩端沉渣、向桩侧注入水泥浆加固桩侧泥皮，从而起到增大承载力、减小沉降的作用，显著改善桩基承载性能［1-5］。

灌注桩后注浆效果因采用的施工工艺、注浆方式、地层的不同而有所变化，宜通过现场试验确定注浆参数和桩基承载力［6-8］。

1 试桩条件

根据地质勘察报告，TP1 试验桩所在处的地层分布情况见图1，从上到下依次为：②粉质黏土：褐黄～黄褐色，硬塑、稍湿，以粉质黏土为主，极限侧阻力标准值qsik=50 kPa。③砾砂：黄褐色，中密，湿～饱和，以中粗砂为主，混约30%的圆砾或卵石颗粒，局部含量较高，圆砾颗粒粒径2～30 mm，少量直径可达70 mm，qsik=60 kPa。④粉质黏土：褐灰色，呈饱和、可塑状态，主要由黏土矿物组成，qsik=60 kPa。⑤砾砂：黄褐色，呈饱和、密实状态，以中粗砂为主，混约40%的圆砾或卵石颗粒，颗粒粒径2～30 mm，少量直径可达70 mm，qsik=70 kPa，极限端阻力标准值qpk=2 000 kPa。

图1 TP1 试验桩处地层

TP1 试验桩的基本参数见表1，其中，试验桩有效桩长20.0 m，绝大部分处于砾砂层。采用桩端后注浆工艺，共设置2 根注浆管，长度超出钢筋笼，使其注浆段位于桩端以下砾砂层中，见图2。

表1 TP1 试验桩参数

图2 桩底注浆管

我国建筑、公路行业设计规范均有桩基后注浆的内容，注浆量：

式中：Gc—注浆量，以水泥质量计，t ；ap—桩端注浆系数；as—桩侧注浆系数；d—桩径，m ；n—桩侧注浆断面数［7］。

试验桩所处的砾砂层，建筑、公路规范给出的桩端注浆系数分别为1.5～1.8、2.7～3.0。本项目桩径800 mm，建筑行业使用较多，故按建筑规范进行注浆设计。取αp=1.8，可得桩端注浆量Gc=1.44 t，设计注浆量按1.5 t 计。

2 试验方法

TP1 的设计桩顶标高位于自然地面以下约15 m处，施工顺序为先开挖、后打桩、再注浆和测试。因开挖后的施工场地受限，加之工期较为紧张，故本次静载试验采用场地条件要求低、试验周期短的自平衡法进行［9-10］。

自平衡法是在桩身中预埋特制加载装置—荷载箱，将桩身分成上下两段，分别测试桩侧阻力与桩端阻力的试验方法，原理见图3［9-11］。

图3 自平衡法试验原理

TP1 荷载箱的加载能力为2×6 450 kN，埋设于桩底向上2.5 m 处，见图1、图4。在桩底及荷载箱上部1 d 处、④、⑤土层分界面处、以及⑤土层中间部位埋设了应变计，进行桩身轴力测试。

图4 荷载箱及钢筋笼下放

3 现场测试

TP1 试验桩的现场测试，按《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T 403—2017）进行。试验分级荷载为2×645 kN，第一级按分级荷载的2倍施加。当加载至2×6 450 kN 时，荷载箱处向上位移增量大于前一级位移增量的5 倍，且位移总量超过40 mm，上段桩发生陡变破坏，故终止加载，卸载至零。试验测得的荷载-位移曲线见图5，各级荷载作用下的桩身轴力分布曲线见图6（后两级测试应变计有损坏）。

图5 TP1 荷载-位移测试曲线

图6 TP1 桩身轴力分布曲线

4 结果分析与讨论

4.1 极限承载力

由图5 测试曲线可见，上段桩呈陡变型破坏，故其极限加载值取拐点处对应的荷载值5 805 kN。下段桩的荷载-位移曲线呈缓变型，当加载至2×5 160 kN时，荷载箱处向下位移42.46 mm，满足40 mm（0.05 d）的位移标准［10-12］，认为已达到极限承载力。按JGJ/T 403—2017，下段桩的极限加载值取对应位移为40 mm（0.05 d）时的荷载值，为5 050 kN［10］。

按《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T 403—2017），TP1 单桩竖向抗压极限承载力：

式中：Qu—抗压承载力极限值，kN；Quu—上段桩的极限加载值，kN；W—荷载箱上段桩的自重与附加重量之和，kN；γ1—抗压摩阻力转换系数；Qud—下段桩的极限加载值，kN［10］。

现取浮重度计算自重W，抗压摩阻力转换系数取0.8，可得TP1 单桩竖向抗压极限承载力为12 141 kN。

4.2 桩侧阻力、桩端阻力与注浆增强系数

根据桩身轴力测试结果，上、下两测试断面间的侧阻及端阻：

式中：qsi—桩侧阻力，kPa；Qi—桩身轴力，kN；u—桩身周长，m；li—测试断面间桩长，m；qp—桩端阻力，kPa；Qb—桩端轴力，m；A0—桩端面积，m2。

由式（3）求得侧阻为负向侧阻，在扣除自重并除以抗压摩阻力转换系数后，可得与传统静载试验相一致的正向侧阻。现取上段桩极限加载值5 805 kN 作用下的轴力，可得⑤砾砂的平均侧阻为186 kPa。

式（4）中Qb为桩端轴力，但试验桩在桩端以上0.8 m 处布设应变计，故测得的是该位置轴力。现将该段长度的侧阻按⑤砾砂的平均侧阻扣除，从而得到下段桩的端阻。下段桩荷载-位移曲线为缓变型，内力测试只在分级荷载作用下进行，故只能取向下位移超过40 mm 时的荷载（5 160 kN，42.46 mm）对应的端阻为极限承载力，为7 789 kPa。

按侧阻、端阻测试结果与地勘报告提供的承载力对比，得到⑤砾砂层的注浆增强系数见表2。

表2 侧阻增强系数实测值

目前，我国建筑、公路行业设计规范均提供了注浆增强系数。本项目砾砂增强系数实测值与各规范推荐值的比较见表3。

表3 侧阻增强系数与规范比较

由表3 可见，侧阻、端阻增强系数的实测值，均大于建筑和公路行业规范的上限值，并且与建筑行业规范的上限值较接近，说明按《建筑桩基技术规范（JGJ 94—2008）》进行桩基注浆设计，计算得到的承载力偏保守、偏安全。

4.3 等效转换曲线

按《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》（JGJ/T 403-2017）附录E，将TP1 测得的上、下两段桩的荷载-位移曲线，见图5 等效转换为传统静载试验桩顶加载时的荷载-位移曲线，其中，荷载按式（5）计算，沉降按式（6）计算，等效转换结果见图7。

式中：Quj—上段桩荷载，kN；Qdj—下段桩荷载，kN；Lu—上段桩桩长，m；Ep—桩身弹性模量，kPa；Ap—桩身横截面面积，m2；sdj—荷载箱向下位移，m［10］。

图7 TP1 等效转换荷载-位移曲线

按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014），可取桩顶沉降为40 mm（0.05 d）时的荷载为竖向抗压极限承载力［12］，得到TP1 单桩竖向抗压极限承载力为11 717 kN；此结果与式（2）计算结果12 141 kN 的比值为96.5%，二者基本一致。

5 结语

（1）自平衡法静载试验，可用于场地条件受限、工期紧张的基桩承载力测试。（2）对砾砂层中桩端后注浆灌注桩承载性能进行了现场试验研究。试验桩上段桩产生了陡变破坏，极限承载力对应的砾砂层平均侧阻为186 kPa，相应的注浆增强系数为2.66，大于《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）的上限值但较接近。（3）下段桩荷载-位移曲线为缓变型，取向下位移超过40 mm（0.05 d）对应的端阻7 789 kPa 为极限承载力，其注浆增强系数为3.89，大于《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）的上限值但较接近。（4）本项目按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）进行桩基注浆设计，得到的承载力是偏保守、偏安全的。