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桩端后注浆灌注桩竖向承载力提高机制试验研究

2015-10-29 277 0

核心提示：郭院成1　周同和2　陈静男1　张景伟1(1郑州大学土木工程学院，郑州450001；2郑州大学综合设计研究院，郑州450002）摘要：论文以郑

郭院成¹　周同和²　陈静男¹　张景伟¹

(1郑州大学土木工程学院，郑州450001；2郑州大学综合设计研究院，郑州450002）

摘要：论文以郑州市三环快速化工程桩基工程项目为背景，采用现场静载荷试验方法，针对桩端后注浆灌注桩开展试验研究，研究了后注浆对桩端阻力和桩侧阻力的增强效果及承载力提高机制。结果表明：随着桩顶加载量的逐渐增大，桩端后注浆灌注桩桩端阻力得到良好发挥，沉降变形得到有效控制，桩身下部的桩侧阻力得到很好发挥，单桩承载力大幅提高。而未注浆桩由于桩底沉渣的存在，其沉降变形发展较快，上部一定范围的桩侧阻力很快发挥至极限，而桩身下部土体的桩侧阻力来不及得到发挥，基桩承载力已达到极限。
关键词：钻孔灌注桩；桩端后注浆；静载荷试验；桩侧阻力；端阻力
中图分类号：TU 443 文献标识码：A

　　1 引言
　　近几十年来，国内外诸多学者对桩端后注浆技术进行了大量的现场及室内试验研究工作，研发了多种注浆装置和设备。但由于灌注桩成桩工艺、注浆方法和岩土材料本身的复杂性等，在特定土层条件下的后注浆施工工艺，设计计算方法和参数取值以及承载力提高机制等方面还存在很多关键技术问题尚未解决。
　　以郑州市三环快速路工程中的桩基工程为背景，开展桩端后注浆灌注桩的试验研究。在现场静载荷试验基础上，进行试验测试数据的深度挖掘，分析了后注浆对桩端阻力和桩侧阻力发挥水平的影响，探讨了桩端后注浆对灌注桩竖向承载力的提高机制。
　　2 工程地质条件
　　本文选择西环路航海路、中州大道森林公园2个场地开展桩端后注浆灌注桩的静载荷试验。场地的工程地质条件如表1所示。

表1 试验场地土层及物理力学参数
Table.1 Physical and mechanical properties of Soils in Test Site
航海路各土层力学参数

土层编号	岩土名称	承载力基本容许值[f_a0]/kPa	钻孔桩桩侧土摩阻力标准值 q_sik/kPa
②	粉土	200	50
③1	粉土	240	70
③2	粉质黏土	390	80
③3	粉土	220	70
③4	粉质黏土	410	80

森林公园各土层力学参数

土层编号	岩土名称	承载力基本容许值[f_a0]/kPa	钻孔桩桩侧土摩阻力标准值q_sik/kPa
②	粉土	90	35
③	细砂	160	45
④	细砂	180	50
⑤	粉土	220	70
⑥	细砂	260	55
⑦	粉质黏土	260	80
⑧	粉质黏土	260	80
⑨	粉质黏土	300	85
⑩	粉土	300	55
⑾	细砂	310	65

　　3 试验方案
　　3.1 试桩概况
　　航海路场区土层以粉土、粉质黏土为主，试桩数量为6根，桩径为1.2m，桩长38.0m。其中S1试桩不进行后注浆，S2、S3试桩进行桩端后注浆。
　　森林公园场区土层以粉土、粉质黏土、细砂为主，试桩数量为6根，桩径为1.2m，桩长40.0m。其中S4试桩不进行后注浆，S5、S6试桩进行桩端后注浆。
　　注浆浆液采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，为了保证水泥土的强度并且考虑泵送效果，浆液水灰比取为0.55~0.6。本工程试桩注浆量及注浆压力为：单根桩注浆水泥用量3t，注浆压力2MPa~4MPa（密实黏土取高值)。
　　3.2 实验基本内容
　　桩端注浆利用声测管作注浆管，声测管呈等边三角形布置，3根Φ50钢管绑扎布置在钢筋笼内侧，随钢筋笼一起下入孔底。选取2根声测管做注浆管，2根注浆管下部分别用三通联接1根内径Φ25带钢丝的柔性高压塑料管，注浆环形喷头管绕桩身环形布置，并沿喷头管的外侧打孔后缠绕防水包装带密封。
　　静载荷试验采用锚桩反力系统，采用慢速维持荷载法。试验按《公路桥涵地基和基础设计规范》（JTG D63-2007）、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）和《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）执行。试验选择使用分布式光纤和振弦式钢筋应力计共同监测桩身应变，其中钢筋应力计测试采用如下方案布设：
　　（1）每个断面对称布置3个。
　　（2）在距离试桩顶部2.5m处对称设置3个传感器作为首个断面。
　　（3）在距离试桩底部约0.5m处设置一个断面以测定端承力。
　　（4）中间沿桩身布置4个断面，断面位于不同性质土层界面处。
　　4 试验结果与分析
　　4.1 桩端后注浆灌注桩与未注浆灌注桩的承载变形性状
　　根据静载荷试验结果，航海路S1、S2、S3试桩的Q-s对比曲线如图1所示。

图1 航海路试桩注浆前后Q-s对比曲线
Fig.1 Q-s comparison curve of test piles before and after grouting in Hanghai Road

　　由曲线可知，未注浆S1桩的Q-s曲线呈“陡降型”，破坏特征点明显，取陡降段前一级荷载作为其极限承载力，值为16800kN。桩端后注浆S2、S3桩Q-s曲线呈“缓变型”，其沉降均与《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2003）中规定的极限荷载对应的位移值40mm相差甚远，承载能力仍具备很大的储备，S2桩极限承载能力≥22000kN，承载力提高幅度≥31%，S3桩极限承载能力约为24000kN，承载力提高幅度约为43%。

　　森林公园S4、S5、S6试桩的Q-s对比曲线如图2所示。

图2 森林公园试桩注浆前后Q-s对比曲线
Fig.2 Q-s comparison curve of test piles before and after grouting in the Forest Park
　　

　　由曲线可知，未注浆S4桩的Q-s曲线呈“陡降型”，其极限承载力，值为14000kN。桩端后注浆S5、S6桩Q-s曲线呈“缓变型”，S5桩极限承载能力>18000kN，承载力提高幅度>29%，S6桩极限承载能力>19000kN，承载力提高幅度>36%。
　　从现场静载荷试验所得Q-s曲线可以看出，注浆后桩的Q-s曲线斜率较未注浆小，同时曲线整体右移，说明后注浆可以有效地减少桩顶沉降量，同时提高单桩承载力。
　　4.2 桩端后注浆灌注桩与未注浆灌注桩桩侧阻力发挥性状
　　基桩在竖向荷载作用下，桩身混凝土产生压缩，桩侧土抵抗向下位移而在桩土界面产生向上的摩擦阻力称为桩侧阻力[1]。各土层桩侧阻力数值可根据桩身参数和不同桩顶荷载作用下的轴力数值反算得到。
　　航海路三根试桩在极限荷载作用下各土层桩侧阻力对比曲线如图3所示。

图3 航海路试桩桩侧阻力对比
Fig.3 Comparison of side resistance of test pile S1、S2 and S3 in Hanghai Road

　　由对比曲线可知，桩身上部土层的侧阻力很接近，而桩身下部土层的侧阻力，注浆桩明显高于未注浆桩。桩端后注浆对桩身上部（0-10m）的影响并不明显，而对桩身下部土体（10m-38m）影响较大。
　　对比分析注浆桩与未注浆桩10m-35.7m桩身范围内的桩侧阻力，该范围内主要为粉土和粉质黏土。对于粉土层，注浆后桩侧阻力分别为未注浆的1.75、1.88、1.35、1.52倍，平均增强系数为1.63；对于粉质黏土层，注浆后桩侧阻力分别为未注浆的1.23、1.40倍，平均增强系数为1.32。
　　森林公园场地三根试桩在极限荷载作用下各土层桩侧阻力对比曲线如图4所示。

图4 森林公园S4、S6试桩桩侧阻力对比
Fig.4 Comparison of side resistance of test pile S4 and S6 in the Forest Park

　　由对比曲线可知，桩身上部土层的侧阻力很接近，而桩身下部土层的侧阻力，注浆桩明显高于未注浆桩。由此可见，桩端后注浆对桩身上部（0-10m）的影响并不明显，而对桩身下部土体（10m-40m）影响较大。
　　对比分析注浆桩与未注浆桩10m-40m桩身范围内的桩侧阻力，该范围内主要为粉土和细砂。对于粉土层，注浆后桩侧阻力分别为未注浆的1.18、1.16倍，平均增强系数为1.17；对于细砂层，注浆后桩侧阻力分别为未注浆的1.54、1.56、1.42倍，平均增强系数为1.51。
　　从以上现场静载荷试验检测数据分析可知，注浆可以改善桩侧土体的受力性状，提高桩侧土体的侧阻力，从而提高基桩的承载力。
　　4.3 桩端后注浆灌注桩与未注浆灌注桩桩端阻力发挥性状
　　试验桩端阻力用布置在桩身最底部的应变计（距离桩底约0.5m）所测数值计算，即：

。由此可计算各场地桩端阻力、总桩侧阻力以及各自荷载分担比。
　　航海路桩端阻力、总桩侧阻力以及各自荷载分担比计算结果如表2所示。

表2 航海路注浆前后桩端、桩侧阻力对比

桩号	S1（未注浆）	S2（注浆）	S3（注浆）
极限承载力/kN	16800	22000	24000
桩端阻力/kN	1153	2408	4205
增强系数		2.09	3.65
平均增强系数		2.87
桩端荷载分担比	6.9%	10.9%	17.5%
总桩侧阻力/kN	15647	19592	19795
荷载分担比	93.1%	89.1%	82.5%

　　从表中可以看出，后注浆对桩端阻力的提高效果明显，后注浆S2、S3试桩桩端阻力分别为未注浆S1桩的2.09倍、3.65倍，平均增强2.87倍，该增强系数比《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中规定的黏性土、粉土后注浆端阻力增强系数βp=2.2~2.5略大。
　　对比注浆前后桩端荷载分担比可以发现，对于未注浆S1桩，桩端荷载分担比仅为6.9%，而后注浆S2、S3桩的分担比分别为10.9%和17.5%。由此可见，后注浆不仅提高了桩端阻力，而且能使桩端荷载分担比明显大于未注浆桩，能够改善桩端、桩侧承载力异步发挥的特性，为减少桩身沉降做出了贡献。
　　森林公园桩端阻力、总桩侧阻力以及各自荷载分担比计算结果如表3所示。

表3 森林公园注浆前后桩端、桩侧阻力对比

桩号	S4（未注浆）	S6（注浆）
极限承载力/kN	14000	19000
桩端阻力/kN	1424	2408
增强系数		1.69
桩端荷载分担比	10.2%	12.7%
总桩侧阻力/kN	12576	16592
荷载分担比	89.8%	87.3%

　　从表中可以看出，后注浆对桩端阻力的提高效果明显，后注浆S6桩桩端阻力是未注浆S4桩的1.69倍，桩端荷载分担比由未注浆时的10.2%增大到12.7%。由此可见，后注浆不仅提高了桩端阻力，而且能使桩端荷载分担比大于未注浆桩，能够改善桩端、桩侧承载力异步发挥的特性，可以为减少桩身沉降做出贡献。
　　5 桩端后注浆灌注桩竖向承载力提高机制分析
　　工程实践表明[2]，在桩侧土体相同的情况下，如果桩端沉渣厚度不同，则实测单桩极限承载力也不同。国内众多学者[3-6]研究发现，桩端阻力和桩侧阻力是相互影响的，桩端土强度提高可以有效地提高桩侧阻力。本文现场静载荷试验测试结果显示，当加载量较小时，注浆桩和未注浆桩的沉降都很小，同一深度桩侧阻力的发挥基本一致。当加载量较大时，未注浆桩由于桩底沉渣的存在，其沉降量大于后注浆桩。此时，未注浆桩上部一定范围的桩侧阻力发挥至极限，而后注浆桩由于桩端沉渣得到加固，同一深度处桩侧阻力的发挥程度小于未注浆桩。随着加载量的进一步加大，未注浆桩沉降量持续增大，桩身下部土体的桩侧阻力来不及得到发挥，但桩的承载力已达到极限。此时，后注浆桩桩端土体得到加固，端阻力提高，沉降得到很好控制，桩身下部土体的桩侧阻力可以得到很好地发挥，单桩承载力大幅提高。
　　6 结论
　　本文总结了国内外桩端后注浆技术研究现状，以及桩端后注浆灌注桩竖向承载力提高机制的研究成果，同时立足郑州市三环快速化工程桩基项目，采用现场试验的方法，在试验数据的基础上，分析了桩端后注浆的注浆效果，研究了桩端后注浆灌注桩竖向承载力的发挥规律，得出结论如下：
　　（1）未注浆桩的Q-s曲线通常呈“陡降型”，而桩端注浆后，Q-s曲线呈“缓降型”，单桩的竖向极限承载力显著提高；同时，注浆桩与未注浆桩相比，在同样的荷载条件下，沉降较小，后注浆可以有效地减少桩顶沉降量。
　　（2）桩顶荷载沿桩身逐渐向下传递，桩身轴力不断减少，注浆后桩体轴力变化速率较未注浆桩变小，说明桩侧阻力增大；同时，注浆后桩端阻力也增大，说明桩侧阻力和桩端阻力均得到提高。
　　（3）桩端后注浆对桩身上部（0-10m）的影响并不明显，而对桩身下部土体影响较大。
　　参考文献
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　　JIANG Jian-ping, GAO Guang-yun. ZHANG Yang-song. Strengthening effect of total pile lateral friction by improving rock or soil strength at pile tip[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(9): 2609–2615.

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