于志華,劉炎炎,宋 建,榮曉洋,崔文艷

(東北大學(xué) 資源與土木學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110004)

近年來(lái),隨著城市建設(shè)的發(fā)展,高層建筑層次的增加,建筑物荷載越來(lái)越大,對(duì)鉆孔灌注樁承載力的要求也越來(lái)越高,出現(xiàn)了砂礫碎石層、卵石層等作為持力層而承載力滿(mǎn)足不了設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象,采用加大樁直徑或增加樁根數(shù)的辦法提高承載力,雖能達(dá)到有關(guān)要求,但對(duì)工期進(jìn)度、工程造價(jià)等均有影響。因此,采用樁端和樁側(cè)后壓漿技術(shù)來(lái)提高灌注樁的承載力正成為工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是在成樁過(guò)程中,在樁底或樁側(cè)預(yù)置壓漿管路,待樁身混凝土初凝后、終凝前用高壓注漿泵對(duì)樁底或樁側(cè)注入特殊配方的漿液水泥或其他漿液,漿液滲透到地層或沉碴的孔隙、裂隙中,與樁底沉碴或地層介質(zhì)的顆?；旌瞎探Y(jié),在樁底擠密樁周土,在樁側(cè)充填樁身與樁周土體間的間隙,像樹(shù)根一樣伸入土中,達(dá)到清除泥皮對(duì)摩阻力影響的效果。樁體后壓漿,根據(jù)壓漿部位設(shè)置不同,可分為樁端壓力壓漿、樁側(cè)壓力壓漿和樁端樁側(cè)聯(lián)合壓漿[1-4]。樁端后壓漿技術(shù)由于施工簡(jiǎn)便、適應(yīng)于各種地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)效益顯著,在國(guó)內(nèi)得到蓬勃發(fā)展。樁端后壓樁是指鉆孔灌注樁的樁身預(yù)埋壓漿管,成樁后,將能固化的漿液(如純水泥漿、水泥砂漿等)通過(guò)樁端的預(yù)留壓漿裝置均勻地注入樁端地層或密閉腔室中,使得樁底的沉渣得到固化,相當(dāng)于人為制造了一個(gè)堅(jiān)硬的持力層,使得注漿樁沉降值較小。

1 鉆孔灌注樁后壓漿增強(qiáng)機(jī)理

1.1 樁端壓漿的增強(qiáng)機(jī)理

樁端壓漿,漿液首先充填或滲透到最疏松的樁端的殘碴間隙中,與殘碴膠結(jié)固化,形成了強(qiáng)度較高的膠結(jié)體,從而消除了樁底沉碴的影響。隨著樁端壓漿壓力的增加,水泥漿液充滿(mǎn)殘碴間隙后,繼續(xù)充填由于在灌注樁身混凝土?xí)r因混凝土離析而形成的“虛尖”、“干碴石”等,增加了樁端混凝土的強(qiáng)度。隨著壓漿量的增加及注漿壓力的提高,水泥漿液不斷地向由于受泥漿浸泡而松軟的樁端持力層中滲透,水泥漿與持力層土體相膠結(jié),在樁端形成膠結(jié)楔形體,從而增加了樁端的承壓面積,提高了鉆孔灌注樁的樁端承載力。注漿壓力對(duì)樁端持力層起壓密的作用,提高了樁端土體的承載力,特別是由于樁端土層受到擠密預(yù)壓,樁端阻力得以提前發(fā)揮出來(lái),對(duì)應(yīng)的單樁沉降量大大減小。當(dāng)樁底注漿量不斷增加、注漿壓力不斷升高時(shí),漿液會(huì)沿樁側(cè)壁向上滲透,充填樁側(cè)與樁周土體間的間隙,同時(shí)向松散的土層、孔隙較大的礫砂層、卵石層和裂隙巖層滲透粘結(jié)。對(duì)粘土及粉土層,漿液的劈裂路線(xiàn)呈縱橫交叉的脈狀網(wǎng)絡(luò),增大了土體之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角,從而提高了土體的強(qiáng)度。

1.2 樁側(cè)壓槳的增強(qiáng)機(jī)理

樁側(cè)壓漿是在鉆孔灌注樁樁身(或樁側(cè)土中)通過(guò)預(yù)先埋置的壓漿管將水泥漿壓人樁側(cè)土體中,漿液充填樁側(cè)混凝土與樁周土體間的間隙,提高了樁側(cè)混凝土與樁周土體間的粘結(jié)力,從而提高了樁側(cè)摩阻力。樁側(cè)壓漿可以消除孔壁泥皮對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。由于壓漿是在基樁完工后3 d～10 d內(nèi)進(jìn)行的,此時(shí)泥皮性能不穩(wěn)定,在壓力的攏動(dòng)下,不穩(wěn)定的泥皮被破壞,和漿液一起形成水泥粘土漿,而后重新膠結(jié)成形,形成了抗剪強(qiáng)度較高、與樁身牢靠粘結(jié)的環(huán)形固體。樁側(cè)壓漿,漿液充填了樁周土層中的孔隙,擠壓密實(shí)了由于成孔時(shí)受泥漿浸泡而松軟的樁周土,提高了土的抗剪強(qiáng)度。漿液和樁周土混合形成了一層復(fù)合型樁身,模糊了原樁身與樁周土的界線(xiàn),相當(dāng)于增大了樁徑增大了樁側(cè)摩阻力的作用面,從而提高了總側(cè)摩阻力。隨著注漿壓力的增大,漿液橫向向較弱的樁周土體中滲透,起滲透劈裂作用,漿脈則像樹(shù)根一樣橫向伸入土中,從而改善了樁土的受力狀態(tài)。樁側(cè)壓漿起擠密樁側(cè)土體作用,使樁周土側(cè)壓力增大,這對(duì)于摩擦角較大的砂類(lèi)土,抗剪強(qiáng)度會(huì)增大。高壓注漿可以對(duì)質(zhì)量事故樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,漿液以充填滲透和擠密的方式取代事故段或缺陷部位孔隙內(nèi)的水分和空氣,使原來(lái)松散的部位被水泥漿膠結(jié)固結(jié),并與完好樁身膠結(jié)形成一個(gè)整體,起到惰性充填作用和化學(xué)膠結(jié)作用。樁端樁側(cè)聯(lián)合壓漿的增強(qiáng)機(jī)理等同于將前面兩種增強(qiáng)機(jī)理相結(jié)合[5-8]。

2 鉆孔灌注樁樁端后壓漿施工工藝流程

鉆孔灌注樁端后壓漿施工工藝是在鉆孔灌注樁成孔后,經(jīng)清孔,在下放的鋼筋籠上預(yù)置壓漿孔道(留無(wú)縫鋼管),待樁基混凝土灌注且達(dá)到一定強(qiáng)度后,即先疏通預(yù)留壓漿管,然后將先拌制好的水泥(水灰比有具體規(guī)定)通過(guò)壓漿機(jī)械(壓漿泵)經(jīng)預(yù)留孔壓至樁端持力層并滲入持力層孔隙間,達(dá)到一要求后停止壓漿,注入的水泥漿凝結(jié)后與持力層形成一個(gè)整體,從而提高樁基的承載能力。鉆孔灌注樁端后壓漿工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔灌注樁端后壓漿工藝流程圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

沈陽(yáng)盛世長(zhǎng)安項(xiàng)目擬建成集甲級(jí)寫(xiě)字樓、高檔公寓式酒店、住宅樓及旗艦型商業(yè)為一體的大型商住綜合體,總建筑面積約為223 652 m2,建筑高度100 m～210 m。本工程擬建建筑物主要包括:6層商業(yè)裙樓建筑2棟,35～37層住宅樓3棟,建筑高度118 m～135 m;40層公寓式酒店1棟,建筑高度160 m;38層甲級(jí)寫(xiě)字樓1棟,建筑高度210 m;本工程設(shè)3層地下室(基底埋深按17 m考慮)基底持力層為⑥礫砂(局部為⑤圓礫層),場(chǎng)地地層為:①雜填土:主要由碎磚、碎石、碎水泥塊、粘性土、爐渣組成。層厚0.90 m～6.20 m;②素填土:由淤泥質(zhì)土、粉土和少量中粗砂組成。層厚:0.80 m～5.20 m;③粉質(zhì)粘土:可塑,飽和,干強(qiáng)度中等,局部分布。層厚:0.50 m～3.20 m;④中砂:以長(zhǎng)石、石英為主,局部為粗砂層。層厚0.60 m～5.70 m;⑤圓礫:以火成巖為主,亞圓形,顆粒大小不均勻。層厚0.6m～7.6 m;⑥礫砂:黃褐色,以長(zhǎng)石、石英為主,級(jí)配較好,最大粒徑10 cm,中密,濕度很濕。局部為粗砂、圓礫層。層厚0.60 m～13.20 m不等;⑦圓礫:以火成巖為主。該層最大揭露厚度為21.60 m。

本工程樁長(zhǎng)約為29 m,樁徑?800 mm,樁身采用C40混凝土。由于樁基持力層為礫砂層,樁端注漿對(duì)于其承載力和沉降的控制應(yīng)該有較好的效果。為了對(duì)樁端注漿樁和非注漿樁單樁豎向極限承載力進(jìn)行比較,分析本工程礫砂層注漿效果,設(shè)計(jì)要求對(duì)1號(hào)、2號(hào)樓做6組靜載試驗(yàn)樁(總樁數(shù)為734根),其中4根為樁端注漿樁,注漿量為1.8 t,注漿壓力為4.5 MPa,2根為未注漿樁。

3.2 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)[9-10]采用錨樁-反力架裝置,即每根測(cè)試樁的豎向反力由鄰近的錨樁提供,采用慢速維持荷載法進(jìn)行靜載試驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)之前先對(duì)試樁樁頭進(jìn)行局部加強(qiáng),并用厚度為5 mm的鋼套筒圍護(hù)樁頭。加載系統(tǒng)由4臺(tái)6 300 kN的千斤頂、油泵及相應(yīng)的油壓表、連接管等組成。為了保證加載過(guò)程中各千斤頂負(fù)荷相同和行程同步,將4臺(tái)千斤頂以并聯(lián)的方式均勻布置在試驗(yàn)樁頭的樁帽鋼板上。由4根錨樁、2根主梁組成的錨樁-反力梁為反力裝置(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見(jiàn)圖2)。試樁沉降變形由4個(gè)量程50 mm(可調(diào))的數(shù)顯示位移計(jì)測(cè)讀,位移計(jì)按正交直徑方向?qū)ΨQ(chēng)安裝在樁頂下500mm處,為直接測(cè)定樁周各土層的極限側(cè)摩阻力,在各相鄰?fù)翆拥慕唤缑嬖O(shè)置測(cè)試斷面,當(dāng)土層厚度較大時(shí),在土層中部增設(shè)幾個(gè)測(cè)試斷面,在樁頂下0.5 m處設(shè)一應(yīng)變測(cè)試斷面,作為傳感器標(biāo)定斷面,在樁端埋設(shè)2個(gè)振弦式單模土壓力盒測(cè)試樁端阻力,為監(jiān)控錨樁上拔位移,在4個(gè)錨樁的樁頭各設(shè)一塊百分表。

圖2 靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)分級(jí)加載,分級(jí)荷載取試驗(yàn)荷載的1/10,即1 500 kN,第一級(jí)取分級(jí)荷載的2倍,即3 000 kN。每級(jí)荷載施加后,按第 5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測(cè)讀樁頂沉降量,以后每30 min測(cè)讀一次;當(dāng)每1 h內(nèi)的樁頂沉降量不超過(guò)0.1 mm,并連續(xù)出現(xiàn)2次(從分級(jí)荷載施加后第30 min開(kāi)始,按1.5 h連續(xù)3次每30 min的沉降值計(jì)算),即視為樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),可施加下一級(jí)荷載。達(dá)到規(guī)范規(guī)定的終止加載條件即可卸載,每級(jí)卸載量取加載值的2倍,即3 000 kN。

單樁豎向極根承載力可以由三種方法確定:

(1)根據(jù)Q-S曲線(xiàn)有明顯陡降段的起點(diǎn)為極限承載力。

(2)根據(jù)沉降確定:當(dāng)Q-S曲線(xiàn)有明顯特征S=40 mm對(duì)應(yīng)荷載。

(3)根據(jù)沉降值隨時(shí)間變化特征確定,lgt-S曲線(xiàn)尾部出現(xiàn)明顯下彎的前一級(jí)荷載。

本工程中1號(hào)樓的45號(hào)、214號(hào)樁和2號(hào)樓的63號(hào)、326號(hào)樁均為樁端注漿樁,其靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。1號(hào)樓的126號(hào)樁和2號(hào)樓的184號(hào)樁均為未注漿,其靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 注漿樁靜載試驗(yàn)結(jié)果

表2 未注漿樁靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.3 試驗(yàn)分析

本工程的注漿樁與非注漿樁靜載試驗(yàn)荷載-沉降曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明1號(hào)樓注漿樁單樁豎向極限承載力為15 000 kN,非注漿樁單樁豎向極限承載力為10 000 kN,說(shuō)明注漿樁單樁豎向極限承載力比非注漿單樁豎向極限承載力能提高50%以上。2號(hào)樓注漿樁單樁豎向極限承載力為14 500 kN,非注漿單樁豎向極限承載力為9 500 kN,說(shuō)明注漿樁單樁豎向極限承載力比非注漿單樁豎向極限承載力能提高52.6%以上。當(dāng)荷載較小時(shí),樁頂即產(chǎn)生沉降。當(dāng)未注漿的試樁1～126加載到荷載為9 000 kN時(shí),樁頂沉降約為20.99mm;而采用樁端后注漿的試樁1～45在9 000 kN時(shí)樁頂沉降為8.27 mm,說(shuō)明樁端后注漿的試樁樁頂沉降比未注漿的沉降值小。也就是說(shuō),樁端后注漿可以減少沉降量,使得樁底的沉渣及卵石層得到固化。在試驗(yàn)樁1～45加載至15 000 kN時(shí),樁頂累計(jì)總沉降量為17.52 mm,小于40 mm。各試驗(yàn)樁在每級(jí)試驗(yàn)荷載作用下本級(jí)的沉降量與前一級(jí)荷載的沉降量的比值在0.58～1.76之間,均小于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍。卸載后,樁頂?shù)臍堄喑两禐?.96 mm。最大回彈量為8.56 mm,回彈率為48.9%。荷載-沉降曲線(xiàn)上尚未出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段,試樁1～45的沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4,如圖4所示沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下彎折點(diǎn)。綜上所述,該樁尚未出現(xiàn)破壞的特征,因此可推定試驗(yàn)荷載尚未達(dá)到該樁的破壞荷載。

圖3 各試樁荷載—沉降曲線(xiàn)對(duì)比圖

4 結(jié) 語(yǔ)

圖4 試樁S-lgt曲線(xiàn)

本文首先給出鉆孔灌注樁后壓漿增強(qiáng)機(jī)理和鉆孔灌注樁樁端后壓漿的施工工藝,并以沈陽(yáng)盛世長(zhǎng)安項(xiàng)目為依托,工程采用慢速維持荷載的靜載試驗(yàn)方法,研究了鉆孔灌注樁樁基持力層為礫砂層的地質(zhì)條件下的荷載-沉降曲線(xiàn)和沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(xiàn),通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論:隨著荷載的增加,樁頂位移逐漸增大,荷載沉降關(guān)系呈一條平滑的曲線(xiàn),但荷載-沉降曲線(xiàn)上尚未出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段,沉降-時(shí)間曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下彎折點(diǎn),該樁尚未出現(xiàn)破壞的特征,因此可推定試驗(yàn)荷載15 000 kN尚未達(dá)到該樁的破壞荷載。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定注漿樁單樁豎向極限承載力比非注漿單樁豎向極限承載力能提高50%以上。

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