后注浆超长钻孔灌注桩承载特性试验浅析

陈 翀，詹少全，樊荣霞

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局资源调查与评价研究院，江苏 南京 210007；2.江苏省有色金属华东地质勘查局八一四队，江苏 镇江 212005；3.南京水科院勘测设计有限公司，江苏 南京 210029)

0 引言

当前国内陆地最深的钻孔灌注桩，最大桩长已经超过90 m。但超长钻孔灌注桩施工过程中，受工艺和时间的影响，可能会产生泥皮或沉渣，其承载能力降低。后注浆工艺可消除泥皮或沉渣的影响，从而提高单桩承载力。

国内超长桩特性研究有一定进展，超长桩表现出端承摩擦桩的特性，桩顶以下L/3桩长及桩端以上L/6范围内的桩侧摩阻力极限值接近规范推荐值，而中间部分的桩侧摩阻力远远大于规范值，表现出强化效应[1]；超长桩在正常工作状态(承载力特征值作用下)，端阻比仅为1%，可以认为超长桩在此状态下为纯摩擦桩[2]。后注浆使桩土之间因相对滑移与刺入所产生的塑性变形减小，桩土整体性得到有效提升[3]。桩端注浆效果明显，注浆后极限承载力提高10%以上[4]。但是后注浆超长桩理论方面还不是很完善。

本文通过对超长桩的承载力、内力和沉降的现场测试，分析其荷载传递机理。苏州某高层建筑，基础采用后注浆超长钻孔灌注桩。主体塔楼高度约为278 m，裙楼约为50 m，采用混凝土(砼)核心筒+伸臂桁架+周边框架柱混合结构。

1 项目概况

1.1 超长桩基本情况

本次测试桩共计6组钻孔灌注桩，塔楼和裙楼各3组，采用桩端后注浆工艺，注浆压力为2 MPa～5 MPa，水灰比为约为0.6，相关参数详见表1。

表1 试桩参数

1.2 概况

根据区域资料，本场区第四系厚度约为 230 m。拟建场地150.21 m深度范围内的地基土为第四纪早更新世(Qp1)及其后期的沉积土层，属第四纪湖沼相、河口—滨海相松散沉积物，主要由黏性土、粉土和砂土组成。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，场地地层可分为①、④、⑤、⑥、⑧、⑨、⑩、、、等10个主要层次，其中2层厚7～10 m，静力触探qc平均值为11.53 MPa，标准贯入击数N平均值为56击，呈密实状态。1层厚约10 m，静力触探qc平均值为14.5 MPa，标准贯入击数N平均值远大于50击，呈密实状态。综合土工试验及原位测试成果，除25 m以上土层钻孔桩摩阻力偏小外，其余土层摩阻力均超过55 kPa，2层土钻孔桩摩阻力qsk为85 kPa，端阻力qpk为2200 kPa。1层土钻孔桩摩阻力qsk为95 kPa，端阻力qpk为3000 kPa。场地土层物理力学参数详见表2。土层原位测试结果详见表3。

表2 地基土物理力学性质

表3 土层原位测试结果

场地浅部7～12 m为松散—稍密的第⑤层砂质粉土，其下为第⑥层～第⑩层土，大部分为软—可塑的饱和黏性土，以上均不宜作为桩端持力层。拟建场地土类型属中软土，场地类别为Ⅲ类。本场地地势平坦，从区域构造看，属地壳稳定区域；地震活动水平属中偏低，属于基本稳定区；同时场地内及周边不存在滑坡、危岩等不良地质作用。

1.3 试验概况

本次6组试桩均进行单桩抗压静载试验和桩身内力测试。试验依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)进行，塔楼、裙楼基础灌注桩静载最大试验荷载分别为19 300 kN和9300 kN，在进行载荷试验的同时进行桩身轴力测试，塔楼基础桩每根桩设置6个测试断面，埋设18个应力计；群楼基础桩每根桩设置3个测试断面，埋设9个应力计。

现场静载试验分十级等量加载，采用慢速维持荷载法检测单桩极限承载力。静载试验的同时进行桩身轴力测试、桩端沉降测试、测定桩侧、桩端阻力和桩端沉降；观测桩端沉降确定过大的桩顶沉降是由桩身压碎引起还是由桩端压缩引起，分清沉降原因[5]。静载试验加载采用6台并联的油压千斤顶同步工作，反力装置采用2800 t压重平台反力装置；桩身轴力测试的测试断面设置在不同土层的界面处，距桩顶和桩底不小于1倍桩径，每个断面对称布置3个钢筋应力计。实测钢筋应力可计算桩截面的应力，进而得到各级荷载作用下各断面的桩身轴力值。桩端沉降杆采用内外管形式，外管固定在桩身，内管下端固定在桩端。本次静载荷试验堆载配重大，为避免堆载对基准桩的影响，在试验过程中用精密水准仪对基准桩进行监测，对检测数据进行校正，确保试验结果的准确性。

2 试验结果分析

2.1 荷载-沉降结果

6组试桩的Q-s曲线(图1)属于缓变型，无明显拐点，未达到极限荷载。当3根塔楼试桩分别加载至19 300 kN时，累计桩顶沉降量都超过35 mm，而桩端沉降量分别为0.66 mm、0.46 mm、0.25 mm。当裙楼3根试桩分别加载至9300 kN时，累计桩顶沉降量均达到25 mm，而桩端沉降量分别为3.00 mm、0.62 mm、3.83 mm。观测表明顶沉降主要由桩身压缩产生，这一方面由于桩身弹性模量不大，桩长较长导致，另一方面由于桩端岩土强度高、压缩性低产生的。桩端土层性状较好，这是由于桩端采用后注浆工艺，使得沉渣、砂石或土粒和裂隙产生胶结作用，提高了强度，增加了桩径，提高了桩端岩土层承载力。从曲线形态发展趋势看，后注浆超长钻孔灌注桩，具有摩擦桩的特性。

图1 试桩静载荷曲线

2.2 桩身压缩量

由于桩端采用后注浆工艺，消除了沉渣对于桩端沉降的影响，提高了桩端土层的压缩模量，降低了桩端沉降，高荷载作用下，桩身压缩量占桩顶沉降百分比很大(>90%)，其中塑性压缩量比弹性压缩量大。显示超长桩混凝土具有弹塑性变形特征，由于桩身混凝土受力变形在高荷载下具有非线性特征，此时桩身弹性模量相对于低荷载时降低了，由于桩身压缩量与弹性模量呈反比关系，桩身压缩量会随之增加。桩身压缩量数据详见表4。

表4 桩身压缩量

2.3 侧摩阻力

静载荷试验过程中，侧阻力由浅至深依次发挥，上部侧阻力先发挥，当荷载为9530 kN时，上部40 m范围内的侧阻力已接近于规范推荐值，而40 m以下范围内的侧阻力较小；当荷载超过9530 kN，上部摩阻力保持在某一固定值附近，说明土体已达到塑性状态；当荷载达到19 300 kN时，中部桩侧阻力超过规范推荐值，达到2倍以上，具有强化效应。图2为塔楼基础桩侧摩阻力分布图。

图3为塔楼基础桩摩阻力与桩顶沉降/桩径关系图。浅部的侧摩阻力qs最大，s/d变大，qs也逐渐增加。浅部摩阻力先发挥，但是s/d增加时，浅部摩阻力增大缓慢，且尾部有下弯趋势；而中部摩阻力增大较快，逐渐达到峰值；深部摩阻力增大较慢，未达到峰值。

图2 试桩摩阻力分布

图3 塔楼试桩qs - s/d图

当s/d为3%时，35 m以上的桩侧摩阻力qs达极限值；当s/d为3.5%时，35～50 m的桩侧摩阻力qs达极限值，而50 m以下的桩侧摩阻力qs尚未达极限值。由此发现，随土层埋深地增加，qs达极限值所需的位移也增大。摩阻力qs达极限值时，s/d达桩土滑移的临界值，随着s/d继续增加，摩阻力qs由峰值点逐渐减小，具有折减效应。

3 后注浆超长桩承载特性

3.1 后注浆工艺

由于地面下7～12 m为松散—稍密的第⑤层砂质粉土，为避免钻进时塌孔，泥浆配置比重较大，势必会造成泥皮厚、韧性低，这样会引起孔壁水化崩塌、泥皮脱落，进而形成沉渣。另外孔壁泥皮会降低桩侧摩阻力，桩底沉渣会同时影响桩侧摩阻力和桩端摩阻力的发挥[6]，而且桩长越长，这些影响就会更为突出。

为消除以上不利影响，须桩端后注浆。注浆管固定在主筋上，随钢筋笼下放至钻孔中，混凝土灌注完成后，利用8 MPa压力进行开塞，初凝后，采用2 MPa～5 MPa注浆压力向桩端注入水泥浆。当浆液压入桩端后，一部分浆液沿桩侧的桩-土界面向上流动，对泥皮和土层填充挤密固结；另一部分浆液沿桩端的桩-土界面向下扩散，松散颗粒产生胶结作用，增加了强度，增加了桩几何尺寸。

后注浆一般会产生填充效应、渗入效应、挤密效应、劈裂效应，注入的浆液填充到土层或砂层的孔隙中，渗入和挤密砂土，形成水泥-砂土结石体，破坏原有的土体结构，产生劈裂，水泥-砂土结石体形成骨架支撑作用，提高了压缩模量，桩端沉降变小了。

3.2 侧阻力强化效应

根据图2的试桩摩阻力分布，在50～75 m范围内，桩侧摩阻力比规范推荐值提高了50%～100%，具有明显的强化效应。

由于后注浆劈裂效应，水泥-土结石体形成骨架支撑作用，提高了压缩模量，减小了桩端沉降，桩身压缩量很大，由此桩身产生横向膨胀，增加了土体对桩侧的约束力。

当浆液沿桩侧的桩-土界面向上流动，一方面对泥皮和土层填充挤密固结，扩大了桩径，一方面浆液挤压土体效应，提高了桩侧土压力。

由于后注浆产生以上效应，使得桩侧阻力下部产生强化增加。

3.3 荷载-沉降变化

本次项目的单桩静载荷载-沉降曲线，为“渐进破坏”缓变型，无明显的特征点。

后注浆超长桩的荷载-沉降曲线，反映了桩土的荷载传递、土阻力发挥的情况，它与上部荷载水平、土层性质、桩土相对位移、成桩工艺及桩参数(长度、直径和刚度)密切相关。本次超长桩载荷试验未达到极限状态，荷载-沉降曲线受侧阻力影响，桩端后注浆工艺提高了桩端持力层强度，减小了桩端沉降，由于砂土持力层需要较大位移才能完全发挥，根据小型桩试验结果，砂类土的桩底极限位移为(0.08～0.1)D，D为桩径[7]。而后注浆超长桩桩身压缩大，桩端位移小。本次超长桩桩端位移远小于极限位移，按规范考虑增强系数的后注浆端阻力缺乏实际应用意义，桩的实际承载力主要取决于桩周土的性状。

根据桩身压缩量公式[8]：

(1)

式中，ξe为桩身压缩系数，Qj为第j桩桩顶荷载，lj为第j桩桩长，Ec为桩身混凝土弹性模量，Aps为桩身截面面积。桩身压缩量与荷载水平、桩长、桩径、弹性模量以及桩侧摩阻力的分布规律因素有关。工程实际应用的单桩极限承载力主要由上部主体建筑能够承受的极限沉降控制。通过减小桩身压缩量，可以尽可能充分利用桩端承载力的潜力。增加桩径、混凝土强度、配筋率，可以提高弹性模量，或适当降低桩长，都能减小桩身压缩量，提高单桩承载力。

3.4 土阻力发挥

桩侧阻力发挥是由桩-土相对位移决定的。关于侧阻力发挥规律，根据测试资料，一般黏性土为4～6 mm[9]。其实随着大直径超长钻孔灌注桩的大量应用，对于侧阻力发挥规律的认识不断深化，发挥侧阻力的桩-土位移与桩径、土层以及位置密切相关。

本次工程塔楼试桩检测中，当s/d为2%～3%时，相对位移在20～30 mm，桩顶下35 m内的桩侧摩阻力qs达极限值；当s/d为3%时，桩顶下35～50 m的桩侧摩阻力qs达极限值，而桩顶下50 m之下的桩侧摩阻力qs尚未达极限值。随土层埋深地增加，qs达极限值所需的位移也增大。对于超长灌注桩，发挥深部侧阻力，需要的相对位移也会越大，s/d接近4%时，桩顶下75 m的桩侧摩阻力趋近于极限，但桩端附近侧摩阻力尚未完全发挥。

在地基土强度和桩身砼强度都满足设计极限值条件下，超长钻孔灌注桩的极限承载力由桩顶沉降来控制，可取桩顶沉降s等于0.05D对应的荷载值[10]，作为单桩抗压极限承载力，这时浅部和中下部的桩土相对位移δ达极限值，相应的土体处于屈服状态，其摩阻力已经充分发挥，不再增加；而桩深部，尤其是桩端附近的桩土相对位移δ可能处于线性段，土体处于弹性状态，其摩阻力尚未充分发挥，桩端土体沉降也处于线性段，土体处于弹性变化状态，端阻力只发挥了一小部分。

通常在超长钻孔桩承载力设计时，由于桩端附近岩土层不能完全发挥承载力，导致设计结果存在一定的误差，影响工程的经济型和技术准确性。

4 结论

通过苏州某大直径超长后注浆钻孔灌注桩的静载荷试验，对桩身内力测试结果进行了分析，研究其荷载-沉降规律、侧阻力和端阻力发挥规律等特性，为类似工程的桩基设计提供了指导意义，主要结论如下：

1)高荷载下，超长桩混凝土具有弹塑性变形特征，桩身混凝土弹性模量相对降低了，桩身压缩量也会随之增加。

2)超长桩极限承载力主要由上部主体建筑能够承受的极限沉降控制，可以提高弹性模量或适当降低桩长，进而减小桩身压缩量，提高单桩承载力。

3)超长桩桩侧摩阻力与桩顶沉降/桩径(s/d)关系密切，当s/d接近4%时，桩端附近土阻力开始逐渐发挥。

4)后注浆工艺可以消除泥皮、沉渣的不利影响，提高桩端土层的承载力，减小高水平荷载作用下的桩端沉降，桩侧阻力产生强化效应。