钻孔灌注桩后注浆在圆砾地层中的应用

　　摘 要：拟建项目位于杭州市滨江区，建筑高度280m，采用后注浆钻孔灌注桩作为工程桩。大面积成桩前，进行了两批次的单桩静载荷试验，第一次试桩桩端入土深度58m～68m，第二次减小到50m，桩端持力层由中风化砂砾岩改为圆砾层。第二次试桩时，通过控制钻孔施工及注浆量、注浆器、注浆工艺等方面，切实保证了施工质量。静载荷试验检测结果显示，在桩长大幅缩短的情况下，单桩竖向抗压承载力基本维持不变。通过缩短工程桩入土深度，既节约了大量的工程造价，又降低了施工难度，且可以明显缩短单桩施工时间，综合效益非常显著。
　　关 键 词：超高层；圆砾；钻孔灌注桩；后注浆
　　中图分类号：TU 443 文献标识码：A
1 前言

　　随着我国高层、超高层建筑的大规模开发以及城市环境保护要求的日益提高，采用钻孔灌注桩作为工程桩的建设项目日益普遍。但传统的钻孔灌注桩工艺由于桩底沉渣和桩侧泥皮等因素的影响，成桩质量离散性大，单桩承载力较低，桩基费用超过预制桩基础的50～100%。
为提高单桩承载力、节约工程造价并减小成桩质量的离散性，后注浆工艺已在高层、超高层建筑中逐步得到应用推广，其对提高钻孔灌注桩的承载力、减小桩基沉降等方面的作用获得了广泛的认可[1]。然而，由于岩土特性的差异及施工质量的参差不齐，导致后注浆效果存在很大的差异。设计单位为了安全起见，常会降低对后注浆钻孔灌注桩单桩承载力的提高幅度，未能充分发挥后注浆对桩基承载力提高的效果。
本文以杭州市某超高层建筑为例，进一步探讨对于后注浆钻孔灌注桩的质量控制及注浆效果的合理估算。
2 工程概况
　　本工程位于杭州市滨江区，距离钱塘江约1.5km。地面以上主要为两幢超高层双塔，建筑物总高度280m。由于上部结构荷载很大，设计拟采用桩端后注浆钻孔灌注桩作为塔楼的工程桩。
拟建场地地貌单元属海积平原，根据地层成因不同及物理力学性质差异，勘探深度内地层可分为9 个层次，14 个亚层。地基土层主要物理、力学性质如下表所示：
3 静载荷试桩
　　3.1 试桩参数
为确定单桩承载力，在正式桩基施工图出图前，进行了两批次的试桩施工及单桩静载荷试验。两次试桩的主要设计参数如下表2：
　　由以上检测结果可见，在桩长明显缩短的情况下，单桩竖向承载力基本相当，而桩基造价及施工难度却可以显著降低，更有利于保证施工质量。
3.4 试桩结果分析
对于以上试桩结果，存在的主要疑问在于：为什么桩长减短了8m～18m后，单桩竖向抗压承载力值基本不变，甚至50m桩长的承载力比58m的还略大？本文拟从以下几个方面予以分析解释：
（1）从施工因素来看，第一次桩端持力层为中风化砂砾岩，桩端需穿越25m厚的圆砾层和6.5m厚的强风化砂砾岩后再进入中风化砂砾岩，钻进施工难度大，施工时间长。且桩身范围又存在平均厚度超过17m的粉砂层，易发生塌孔并导致桩端沉渣厚度大等问题。
（2）从工程及水文地质来看，拟建场地地层除在深度约12~32m为粘性土层外，基本均为粉砂、圆砾等粗颗粒地层，含水量丰富，且项目距离钱塘江仅约1.5km，地下水与钱塘江水存在一定的补给作用。桩端后注浆易产生浆液随地下水流动而大量流失的问题，从而影响注浆效果。
（3）从注浆量来看，第二次试桩的桩端注浆量要明显高于第一次试桩，第一次试桩的桩端注浆量均为3.5吨，而第二次试桩的桩端注浆量最少的也达到5.0吨。从理论上来说，随着注浆量的增加，注浆效果有所提高也是较易理解的。
当然，在第二批次试桩中，三根试桩桩端注浆量各不相同，且注浆量差额均在2.0吨左右，差额明显，但试验结果却是注浆量最少的和最多的两根桩承载力相同，注浆量居中的SZ8试桩承载力相对更低一点。由此可见，当注浆量达到一定的量后再提高注浆量，并不一定能进一步提高桩基承载力。
（4）从注浆方式来看，第一批次试桩后注浆未要求采用分次注浆，注浆流量限额为50～75L/MIN；第二批次注浆要求采用二次注浆，且SZ9共8.9吨的注浆量分三次注入，注浆流量不大于50L/MIN。
采用二次注浆并控制注浆流量更有利于保证所注浆液基本集中在桩端及桩侧一定范围，更有利于提高工程桩的承载力[2]。
4 后注浆效果分析
　　4.1 反力分析假定及计算公式
根据现行国家行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）和相关科研研究，后注浆对于基岩的增强作用要小于砂层及圆砾层[3]。根据上述两批次的静载荷试验结果，第一批次的后注浆单桩承载力提高量最大仅有约12%，注浆效果不明显；而第二批次的后注浆单桩承载力提高量达到60%~70%（平均值超过65%），注浆效果显著。以下根据静载荷试验的检测结果进行反算，对第二批次试桩的桩端后注浆效果作进一步评估分析。
进行工程桩桩端压力反算时，作如下假定：
（1） 试验过程中桩身未破坏。本项目静载荷试验前后，对所有试桩均进行了低应变检测，所有试桩均为Ⅰ类桩。
（2） 在对应于静载所得单桩竖向极限承载力加载时，桩身变形仍处于弹性变形阶段。按桩身变形仍按处于弹性变形阶段计算推算桩端端压力并进而推算地基土对桩的支承能力是偏于保守的。
（3） 桩侧阻力沿桩身呈均匀线性变化。
根据以上假定，反算在静载所得单桩竖向极限承载力加载时的桩端压力N的计算公式为: 4.2计算有效性验证
为验证公式（1）的有效性，在此以各项检测资料较为齐全的上海中心大厦为例加以验证。
上海中心大厦主楼建筑高度632m，设5层地下室。项目前期进行了4根试桩施工及检测。其中：试桩SYZA01和SYZA02采用桩端、桩侧联合注浆，桩侧4道注浆断面，每道断面注浆量0.5吨，桩端注浆量2.5吨；试桩SYZB01仅采用桩端注浆，注浆量2.5吨；试桩SYZC01为普通钻孔灌注桩，不进行后注浆；SYZC01’为SYZC01第一次静载荷试验完成后补充进行桩端后注浆后再次进行静载荷试验，桩端注浆量5吨[4][5]。
上海中心大厦项目前期静载荷试验检测结果如下表4。并根据静载荷试验检测结果，按公式（1）进行桩侧阻力和桩端阻力反算，反算结果如下表5所示。 注：（1）SYZA01加载至30000kN、SYZC01’加载至31000 kN后未继续加载；
（2）根据本计算公式的假定，反算的计算工况的桩侧阻力偏小，而桩端阻力可能偏大。
由上表可见，按计算公式（1）反算的桩侧阻力和桩端阻力与后注浆情况较为符合，基本能反映注浆效果的实质，因此可以认为采用计算公式（1）进行反算是基本合适的。故以下将按计算公式（1）对本项目的试桩情况进行反算与分析。
4.3 反力计算与结果分析
根据以上计算公式，计算得第二批次三根试桩在受到静载所得单桩竖向极限承载力荷载的作用时桩侧地基土对桩的支承力如下表6。并根据三根试桩在下一级荷载下即发生较大变形而不能够继续加载的实际情况，推算可能的桩端承载力值（见下表最后一列）。 由上表可见，推算的桩端承载力均极小，其中SZ7和SZ8两根桩推算所得桩端阻力甚至为负值，而在下一级荷载作用下又不能稳定，显得不尽合理。
由于桩顶沉降测量相对简单、直观，这里假定该测量结果是准确的。而桩端沉降结果可能偏大，故对桩端沉降采用下表修正值，并再次计算桩侧地基土对桩的支承力和桩端阻力如下表7：