樁端后注漿灌注樁承載力計算的等代樁法

魏建華

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200070)

鉆(沖)孔灌注樁因其施工工藝成熟、地層適應(yīng)性強、單樁承載力較高等特點已經(jīng)成為目前超高層項目的首選樁型。但因其水下澆筑混凝土，不可避免的在樁體與土體之間形成的“泥皮”、成孔引起的樁孔壁土體的應(yīng)力松弛、樁端沉渣及持力層擾動、水下混凝土的澆筑質(zhì)量等問題［2］，導(dǎo)致單樁承載力的離散性較大及承載力大幅降低。為克服上述因素對承載力的不利影響，目前通常采用樁端后注漿、樁側(cè)后注漿及樁端樁側(cè)復(fù)合式注漿的方法提高樁基承載力。后注漿工藝的技術(shù)核心之一就是注漿量的確定。由于各地區(qū)巖土工程地質(zhì)條件、施工設(shè)備、工藝、質(zhì)量及對后注漿作用機理認(rèn)識角度的差異，各地對樁端后注漿灌注樁承載力計算值的差別較大。

1 后注漿灌注樁承載力計算常用方法

JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范5．3．10條“后注漿灌注樁的單樁極限承載力，應(yīng)通過靜載試驗確定?！痹诜媳疽?guī)范第6．7節(jié)后注漿技術(shù)實施規(guī)定的條件下，其后注漿單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式估算:Qu=u∑qsjklj+u∑βsiqsiklgi+βpqpkAp。其中，u為樁身周長;lj為后注漿非豎向增強段第j層土厚度;lgi為后注漿豎向增強段內(nèi)第i層土厚度:對于泥漿護壁成孔灌注樁，當(dāng)為單一樁端后注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m，當(dāng)為樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m及各樁側(cè)注漿斷面以上12 m，重疊部分應(yīng)扣除，對于干作業(yè)灌注樁，豎向增強段為樁端以上、樁側(cè)注漿斷面上下各6 m;qsik，qsjk，qpk分別為后注漿豎向增強段第i土層初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、非豎向增強段第j土層初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、初始極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;βsi，βp分別為后注漿側(cè)阻力、端阻力增強系數(shù)。同時，規(guī)范也給出了各類土層中βsi，βp的建議值，且總體來說粘性土中提高系數(shù)較低，砂性土中提高系數(shù)較高。

張忠苗［2］提出了三種計算后注漿灌注樁承載力的方法，并建議采用三種方法計算的最小值作為設(shè)計承載力。

方法一按側(cè)阻、端阻分項增強系數(shù)計算:Quk=u∑βsiqsikli+βpqpkAp。該方法βsi，βp的建議值在粘性土中較規(guī)范取值小，但在粉性土、砂性土中較規(guī)范相差較大，且將灌注樁通長考慮為后注漿增強段。方法二按總極限承載力增強系數(shù)計算:Quk=βu(u∑qsikli+qpkAp)。其中，βu為后注漿承載力增強系數(shù)，根據(jù)土層的由軟至硬，取值為1．1～1．35。該方法不區(qū)分樁側(cè)、樁端后注漿增強系數(shù)，而采用統(tǒng)一的后注漿增強系數(shù)，且將灌注樁通長考慮為后注漿增強段。方法三采用預(yù)制樁的側(cè)阻力和端阻力參數(shù)計算:Quk=u∑qsik預(yù)li+qpk預(yù)Ap。從公式的形式上比較方法一和方法三，可得，區(qū)別是 βsi，βp的經(jīng)驗值通過為數(shù)不多的后注漿工程實例歸納出，尚待更多工程實例的驗證與修正。而采用預(yù)制樁和灌注樁的工程實例較后注漿實例要多得多，其側(cè)阻力和端阻力之間的相對關(guān)系具有相對更高的可靠性。

2 樁端后注漿漿液擴散機理

2．1 樁端漿液擴散的機理

根據(jù)注漿球形擴散理論，樁端漿液的體積為理想球體的體積，球體的半徑為漿液的滲透范圍?？紤]到護壁泥漿(摻入膨潤土，對粘度和比重均有要求)及注漿漿液(一般水灰比為0．55)經(jīng)過持力層(一般為砂性土)“過濾”后，大大降低了樁端附近土體的滲透性，形成了具有封閉水泥漿液作用的“填充區(qū)域”，如圖1所示?！疤畛鋮^(qū)域”及灌注樁樁側(cè)泥皮在樁端附近圍合成一個相對密閉的“封閉空腔”，阻礙了漿液的進一步擴散。灌注樁施工時一般孔底均留有沉渣，成孔也會擾動樁端一定深度以下的持力層土體，形成一個較為軟弱的區(qū)域。因此在“封閉空腔”內(nèi)注漿，水泥漿液首先將樁端附近一定范圍內(nèi)的沉渣和擾動土置換出。樁側(cè)泥皮對“封閉空腔”的密閉作用是有限的，存在一個閥值。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般較低的注漿壓力(如1 MPa～2 MPa)就可沖破阻礙。樁端“封閉空腔”一旦泄壓并形成漿液沿樁側(cè)流動通路后，樁端漿液的體積將基本穩(wěn)定，漿液將“推擠”著泥皮沿著樁側(cè)往上移動。

2．2 樁側(cè)漿液擴散的機理

同理，樁側(cè)土層的孔隙經(jīng)過護壁泥漿及注漿漿液的填充，滲透性大大降低，漿液滲透損失量較少，并可承受一定的注漿壓力(徑向壓力)。根據(jù)上海中心后注漿灌注樁基坑開挖至坑底的情況，如圖2所示，雖然樁側(cè)為⑦層細(xì)砂，滲透性較高，但僅在樁側(cè)形成了厚度約1 cm的水泥漿皮、厚度約為5 cm～8 cm泥漿、砂以及少量水泥的混合物形成的“填充區(qū)域”。周邊砂土中未見明顯的水泥漿脈、大塊水泥結(jié)石等水泥漿擴散、滲透的跡象。

圖1 樁端后注漿形成物示意圖

樁側(cè)土層在徑向壓力作用下，將產(chǎn)生一定量的徑向壓縮量，該部分壓縮量也將由水泥漿液填充，如圖3所示。漿液對側(cè)壁土體的徑向壓縮量，取決于該處土體的強度、位置(泥漿水頭高度)以及該處以上泥皮的封閉效果?？傮w來說，對于均勻地層，越接近地表，由于泥皮的封閉效果越差，漿液位置水頭越高，作用在樁側(cè)土體上的漿液壓力越小，對樁側(cè)的徑向擠土位移越小，所形成的“水泥皮”越薄。

圖2 樁側(cè)后注漿形成物

圖3 樁側(cè)后注漿形成物示意圖

3 樁端后注漿灌注樁承載力計算方法

3．1 假定條件

本文提出的樁端后注漿灌注樁承載力計算方法基于以下假定條件:1)樁側(cè)后注漿量所形成的“水泥皮”厚度為水泥漿排開樁周土體的間隙，主要包括水泥漿置換樁側(cè)泥皮的間隙以及注漿壓力引起樁側(cè)土體徑向位移而排開的土體位移。2)注漿漿液與周圍土體的作用形式以“擠密”為主［2］，不考慮滲透、劈裂等形成的水泥漿脈。3)基于柱(孔)擴張理論計算漿液“擠密”樁側(cè)土體的位移。4)水泥漿液從樁端擴散至樁側(cè)后，對樁側(cè)泥皮及土體進行擠壓置換。樁側(cè)某點水泥漿液的最大壓力為該點樁側(cè)土體的承載力極限值、該點以上泥皮阻力(極限承載力)兩者之間的小值。5)“水泥皮”與樁體之間可傳遞足夠的剪應(yīng)力。樁—水泥皮—土體三者之間的破壞發(fā)生在水泥皮—土體之間。因此，可將樁—水泥皮視作一整體分析，視為“等代樁”。6)“等代樁”與土體之間的側(cè)阻力與端阻力采用預(yù)制樁的設(shè)計參數(shù)。該條假定同張忠苗［2］方法三的處理方式。預(yù)制樁一般為擠土樁或者半擠土樁，在沉樁過程中，樁周土體及樁端土體受到劇烈擠壓，土體由于擠密作用而強度得以提高(飽和高靈敏度土需控制樁間距和打樁速率方可達(dá)到類似效果)。該過程所產(chǎn)生的擠密效果與樁側(cè)土體受到注漿壓力擠密的效果類似，因此將預(yù)制樁設(shè)計參數(shù)作為樁端后注漿樁的設(shè)計參數(shù)是合理的。

3．2 注漿引起的樁側(cè)土體的壓縮量

某層土中樁側(cè)土體的壓縮量可由柱擴張理論計算得到［2］:δi=其中，p為水泥漿液壓力;p0為土體初始壓力;E，υ分別為土體的變形模量與泊松比;p－p0為土體的原位強度(極限承載力)，可由原位測試手段獲得。樁側(cè)土體的承載力極限值可以依據(jù)TB 10018-2003鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程確定［3］，計算表達(dá)式如下:一般性粘土(Q4):pu=0．94p0．8s+8(700＜ ps＜ 3 000)。砂土:pu=3．74p0．58s+47(1 500 ＜ ps＜24 000)。其中，ps為樁身所穿越土層的比貫入阻力平均值，MPa。計算點處泥皮阻力(極限承載力)由泥皮的自重(包括灌注樁空鉆段的護壁泥漿傳遞的靜水壓力)和泥皮與樁及樁間土的摩阻力組成。但獲取泥皮與樁及樁間土的摩阻力計算參數(shù)較為困難。根據(jù)張忠苗［2］對泥皮的室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)的研究，泥皮的重度、強度指標(biāo)、壓縮模量等參數(shù)較樁間土略小(約為90% ～95%)，含水量較樁間土略高(約為105%～110%)。保守起見，可將泥皮的各項力學(xué)指標(biāo)按照樁間土的75%考慮，即可粗略認(rèn)為泥皮的強度約為樁間土的75%，即樁側(cè)某點可達(dá)到的最大水泥漿壓力為0．75pu。土體變形模量根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》［4］與靜力觸探比貫入阻力存在以下關(guān)系:對于軟土及飽和粘性土:E0=6．03p1．45s+0．8。對于粉、砂性土:E0=3．57p0．684s。

3．3 承載力計算公式

綜上，樁端后注漿灌注樁的承載力可將后注漿灌注樁簡化為“等代樁”后計算，即:Quk= π(D+2δi+2ai)∑qsik預(yù)li+qpk預(yù)Ap。其中，δi為注漿壓力引起的樁周土體的徑向位移;ai為泥皮厚度，一般可取 0．5 cm ～1．0 cm，與灌注樁成樁工藝有關(guān);qsik預(yù)，qpk預(yù)分別為地層預(yù)制樁的側(cè)阻和端阻強度標(biāo)準(zhǔn)值;Ap為等代樁的樁端面積，采用持力層的δi計算。

4 工程實例

4．1 案例一:上海中心超高層項目

上海中心項目主樓采用鉆孔灌注樁后注漿工藝。工程樁樁徑1．0 m，有效樁長 63．0 m，后注漿水泥用量約 7．0 t(試樁SYZC01)。試樁采用雙套管技術(shù)，即基底以上部分樁體的摩阻力被隔離，不計入試樁承載力。采用“等代樁”法計算的總樁側(cè)阻力為23 124 kN，端阻力為7 923 kN，承載力極限值為31 048 kN。試樁結(jié)果表明承載力極限值大于31 000 kN，試樁曲線如圖4所示。地層主要力學(xué)指標(biāo)及側(cè)阻力如表1所示。

4．2 案例二:昆明萬達(dá)廣場(主樓)項目

昆明萬達(dá)廣場項目主樓采用鉆孔灌注樁后注漿工藝。工程樁樁徑1．0 m，有效樁長50．7 m，采用雙套管技術(shù)，后注漿水泥用量約6．0 t。采用“等代樁”法計算的總樁側(cè)阻力為17 209 kN，端阻力為7 982 kN，承載力極限值為25 192 kN。試樁結(jié)果表明承載力極限值為25 200 kN，試樁曲線如圖5所示。地層主要力學(xué)指標(biāo)及側(cè)阻力如表2所示。

圖4 上海中心試樁曲線

圖5 昆明項目試樁曲線

4．3 案例三:吳江濱湖新城核心區(qū)B1地塊項目

吳江濱湖新城核心區(qū)B1地塊項目主樓采用鉆孔灌注樁后注漿工藝。工程樁樁徑為1．0m，有效樁長為69．0m，后注漿水泥用量約5．0 t(根據(jù)注漿量計算公式約6．0 t，未達(dá)到最大注漿量)。采用“等代樁”法計算的總樁側(cè)阻力為21 921 kN，端阻力為7 923 kN，承載力極限值為29 844 kN。試樁結(jié)果表明承載力極限值為28 000 kN，扣除基底以上部分樁側(cè)摩阻力后，實際承載力僅為23 000 kN左右。該值略小于計算值根據(jù)注漿量等比例折減后的值29 844×5/6=24 870 kN。試樁曲線如圖6所示。地層主要 力學(xué)指標(biāo)及側(cè)阻力如表3所示。

表1 灌注樁側(cè)摩阻力計算表(案例一)

表2 灌注樁側(cè)摩阻力計算表(案例二)

圖6 吳江項目試樁曲線

5 結(jié)語

本文通過對樁端后注漿漿液擴散機理的研究，對目前基于工程經(jīng)驗的后注漿量灌注樁承載力計算方法提出了改進，提出了后注漿“等代樁”法計算承載力。“等代樁”的直徑為原灌注樁直徑加上泥皮及樁側(cè)水泥漿形成的“水泥皮”厚度?！八嗥ぁ焙穸雀鶕?jù)柱孔擴張理論計算的樁側(cè)水泥漿在注漿壓力作用下對樁側(cè)土體的徑向擠壓位移。土體的側(cè)阻強度及端阻強度通過注漿壓力的擠壓之后可提升至預(yù)制樁(擠土樁)的強度。通過對三個灌注樁后注漿工程案例的計算分析，采用“等代樁”法計算的后注漿灌注樁承載力極限值(破壞值)與試樁的結(jié)果非常吻合。

表3 灌注樁側(cè)摩阻力計算表(案例三)

此外，本方法計算的承載力基于低壓、慢速的樁端后注漿注漿工藝，即假定樁端、樁側(cè)均達(dá)到了最大有效的注漿量(參見筆者本次會議的另一論文)。因此，如注漿量不滿足要求，承載力計算值應(yīng)適當(dāng)折減。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

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［3］TB 10018-2003/J 216-2003，鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程［S］．

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