白丁偉,馬建林,李興國,孫衛(wèi)星

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.京沈鐵路客運專線京冀有限公司,北京 100161； 3.中交第三航務工程局,上海 200940)

隨著我國大型橋梁和超高層建筑的飛速發(fā)展，各種類型的灌注樁使用越來越多，對地基承載力的要求越來越高，單一類型的灌注樁往往不能滿足要求[1-2]。為滿足高標準的承載特性和位移控制，工程上常采用的方式有增加樁身尺寸和樁基后壓漿，而后者能帶來更顯著的經(jīng)濟效益，有效降低施工難度[3]。

后壓漿理論落后于工程實踐，各規(guī)范上相關(guān)計算并未考慮土層條件及注漿形式的不同，尚未有一個準確可靠的后壓漿大直徑鉆孔灌注樁承載力理論估算方法[4-5]。通常需要現(xiàn)場試驗來確定相對準確的承載性能，胡春林等[6-8]結(jié)合72個工地186根靜載試樁，分析表明，在壓漿灰量達到合理壓漿灰量時，后壓漿灌注樁單樁極限承載力增幅可達54.67%，郭志業(yè)等[9]通過對幾例鉆孔灌注樁樁底壓漿和地基土水泥壓漿分析后，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)摩阻力提高140%，單樁豎向承載力提高36%～40%，沉降量減少20%～80%，并指出，地層顆粒越粗，承載力提高越大，沉降量減少程度越明顯。

近年來樁基后壓漿技術(shù)在高層建筑及公路橋梁領(lǐng)域得到了廣泛的應用，而在高速鐵路領(lǐng)域應用甚少[10-11]。文獻[12-14]將后壓漿技術(shù)應用于京滬高鐵軟土地區(qū)橋梁樁基加固技術(shù)，旨在通過后壓漿技術(shù)縮短軟土地區(qū)高鐵橋梁樁基靜置時間，減小沉降，增強軟土地區(qū)橋梁的整體穩(wěn)定性。在鄭西客運專線渭南車站段，利用后壓漿技術(shù)對黃土地區(qū)橋梁樁基進行了加固處理[15]。

順義特大橋是京沈高鐵的控制性工程，其189號、190號墩下為深覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，項目原設計樁長79.5 m，樁徑2 m，需穿越大量巖溶地層區(qū)域?，F(xiàn)通過樁基后壓漿、溶洞注漿，實現(xiàn)縮短樁長、避開巖溶地層、降低施工難度的目的。

為掌握在巖溶地區(qū)后壓漿鉆孔灌注樁的承載性能，推廣后壓漿技術(shù)在京沈高鐵建設中的應用，在順義特大橋189號墩附近開展了靜載試驗研究。采用后壓漿技術(shù)后，現(xiàn)189號墩樁基設計樁長45 m，樁徑1.25 m，190號墩樁基設計樁長35 m，樁徑1.25 m。

1 靜載試驗概況

1.1 工程地質(zhì)概況

順義特大橋處于北京市東北部沖洪積平原區(qū)，地形較平緩，橋址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系人工堆積層素填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂，第四系上更新統(tǒng)坡洪積層粉土、粉質(zhì)黏土及粗礫土，下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r。

189號墩處于巖溶發(fā)育區(qū)，且為深覆蓋型巖溶，溶洞高0.4～1.5 m，溶洞無充填～全充填，填充物主要以中細砂為主，含小礫石。本墩臺鉆孔遇洞率100%，鉆孔線溶率為2.2%～26.1%，按線溶率評價，巖溶發(fā)育程度為中等～強烈。

190號墩位于巖溶發(fā)育區(qū)，且為深覆蓋型巖溶，溶洞高0.2～5.1 m，溶洞無充填～全充填。本墩臺鉆孔遇洞率100%，鉆孔線溶率為12.8%～42.9%，按線溶率評價，巖溶發(fā)育程度為中等～強烈。試驗場地地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面(單位：m)

1.2 試驗方案

項目對其承載性能的研究采用了錨樁法，如圖2所示。試驗現(xiàn)場布置4根試樁進行靜載試驗，S1不作壓漿處理，S2、S3、S4均進行樁端樁側(cè)聯(lián)合壓漿。S1、S2加載至極限破壞狀態(tài)，S3、S4分別加載至2倍、4倍設計荷載(設計工作荷載為3 600 kN)。其中試樁設計樁徑均為1.25 m，樁長均為30 m。

圖2 樁基靜載試驗反力裝置立面(單位：cm)

為達到更好的壓漿效果，樁側(cè)壓漿管均位于砂性土底部。試樁中1號樁側(cè)壓漿管距樁頂13.7 m，2號樁側(cè)距樁頂24.7 m。試樁壓漿情況見表1。

表1 試樁S2-S4壓漿情況

試驗將鋼筋計安裝在樁身主筋上，以測量樁在不同土層中的分層摩阻力。每隔2 m設置1個測試斷面，每個測試斷面對稱布置2根鋼筋計，每根試樁共設置16個測試斷面，共布置32個鋼筋計。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓漿前后極限承載力分析

圖3為試樁S1(未壓漿)、S2(后壓漿)加載至極限荷載狀態(tài)下的樁頂荷載-樁頂位移曲線。圖4、圖5分別為試樁S1、S2的對數(shù)時間-樁頂位移曲線。根據(jù)圖3、圖4、圖5和上述規(guī)范極限承載力標準值，比較分析壓漿前后樁的極限承載力。

圖3 試樁S1、S2 P-S曲線

圖4 試樁S1 S-lgt曲線

圖5 試樁S2 S-lgt曲線

試驗結(jié)果表明S1實測極限承載力為13 500 kN，S2實測極限承載力為25 000 kN。對于極限承載力，壓漿樁比未壓漿樁提高了85.1%，壓漿樁比未壓漿樁規(guī)范值提高了215%。

基于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2014)的壓漿前后極限承載力，壓漿前極限承載力標準值：Quk=7 932.93 kN；壓漿后極限承載力標準值：Quk=22 318.75 kN。

2.2 樁身軸力分析

(1)圖6為試樁S1在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。25～30 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻相對低；2.5～5.0 m段軸力曲線變化相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻逐漸變高。第13級荷載(11 700 kN)作用下，樁底層軸力開始明顯變大，表明樁頂荷載已經(jīng)傳遞至樁底，樁身側(cè)阻開始向極限狀態(tài)發(fā)揮。對應極限加荷值時(13 500 kN)，最大端阻力2 224.5 kN，端阻占總荷載的16.48%，側(cè)摩阻占總荷載的83.52%。

圖6 S1各級荷載下樁身軸力

(2)圖7為試樁S2在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。5～8 m，17～23 m段軸力曲線相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻力逐漸變高，8～17 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻相對較低。在25 000 kN之前端阻力基本呈線性增加；25 000 kN時，端阻力明顯增大，說明樁的側(cè)阻發(fā)揮到極限狀態(tài)。對應極限加荷值時(25 000 kN)，最大端阻力3 549.18 kN，端阻占總荷載的14.20%，側(cè)摩阻占總荷載的85.80%。

圖7 S2各級荷載下樁身軸力

圖8 S3各級荷載下樁身軸力

(3)圖8為試樁S3在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。10～20 m段軸力曲線相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻力逐漸變高，0～10 m，20～30 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻相對較低。在最終加荷值(7 500 kN)作用下，發(fā)揮的最大端阻力327.23 kN，端阻占總阻力的4.36%，側(cè)摩阻占總阻力的95.64%，遠未達到樁的極限破壞狀態(tài)。

(4)圖9為試樁S4在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。12～18 m段軸力曲線相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻力逐漸變高，0～12 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻力相對較低。在最終加荷值(14 250 kN)作用下，發(fā)揮的最大端阻力1 258.9 kN，端阻占總阻力的8.83%，側(cè)摩阻占總阻力的91.17%，遠未達到樁的破壞狀態(tài)。

圖9 S4各級荷載下樁身軸力

各樁軸力曲線可分析得到：對于后壓漿樁，在距樁頂10 m以內(nèi)以及樁端附近，軸力曲線較陡，在距樁頂10 m以下，軸力曲線較緩，而對于未壓漿樁，這一趨勢不如壓漿樁明顯。說明，壓漿效果在距樁頂10 m以下更為明顯，并隨樁頂荷載增加上述趨勢增強。

2.3 樁側(cè)摩阻力分析

在無壓漿樁S1的極限荷載(13 500 kN)和后壓漿加固S2的極限荷載(25 000 kN)作用下，樁側(cè)摩阻力曲線見圖10。在極限荷載作用下，S1、S2實測側(cè)摩阻值均遠超極限側(cè)摩阻標準值。在黏性土層中實測側(cè)摩阻值S2約為S1的2.2倍，在粉細砂層中實測側(cè)摩阻值S2約為S1的1.7倍，在中砂層中實測側(cè)摩阻值S2約為S1的2.1倍。此時S1的黏性土極限端阻力為1.81 MPa，S2的黏性土極限端阻力為2.89 MPa。

砂層中的壓漿效果比黏性土更優(yōu)，而中砂的壓漿效果又比粉細砂更優(yōu)，同樣在砂層中粒徑越大效果越好。

圖10 極限荷載作用下樁側(cè)摩阻力曲線

各土層對應的規(guī)范極限側(cè)摩阻力值與實測側(cè)摩阻值見表2、表3。

表2 實測側(cè)摩阻與《建筑樁基規(guī)范》極限側(cè)摩阻標準值對比

表3 實測側(cè)摩阻與鐵路橋涵規(guī)范值對比(S1、S2極限荷載作用下)

2.4 相同沉降條件下樁身內(nèi)力比較

(1)各樁在沉降量為3.5 mm時，各樁測試結(jié)果見表4，樁身軸力見圖11。從樁頂軸力觀察，S2比S1超出50.79%，S3比S1超出19.04%，S4與S1基本持平。

表4 沉降3.5 mm時各樁情況

圖11 各樁樁身軸力(沉降3.5 mm)

(2)各樁在沉降量為7 mm時，各樁測試結(jié)果見表5，樁身軸力見圖12。從樁頂軸力觀察，S2比S1超出40.74%，S4與S1基本持平。

表5 沉降7 mm時各樁情況

圖12 各樁樁身軸力(沉降7 mm)

(3)各樁在沉降量為10 mm時，各樁測試結(jié)果見表6，樁身軸力見圖13。從樁頂軸力觀察，S2比S1超出35.71%，S4比S1超出13.10%

現(xiàn)場壓漿過程中，由于冒漿導致S4樁側(cè)壓漿量明顯不如S2、S3，故在相同沉降量下，樁頂軸力S4僅略大于S1，但小于S2及S3。但從端阻占總阻力百分比觀察，S2、S3、S4的值均明顯小于S1，說明壓漿有利于側(cè)摩阻力的發(fā)揮。另外，隨著沉降量的增大，中砂層摩阻力增大趨勢更為明顯，這與2號樁側(cè)壓漿管設置在中砂層底部及中砂層實際壓漿效果更佳有關(guān)。

表6 沉降10 mm時各樁情況

圖13 各樁樁身軸力(沉降10 mm)

3 結(jié)論

本項目依托樁基后壓漿技術(shù)在京沈高鐵順義特大橋上的應用，通過對4根試驗樁進行現(xiàn)場靜載試驗，開展了高速鐵路橋梁樁基后壓漿加固的現(xiàn)場試驗，就試樁極限承載力、樁頂沉降、樁身內(nèi)力等進行了試驗研究。通過試驗結(jié)果整理分析，得出主要結(jié)論如下。

(1)樁端、樁側(cè)壓漿樁相比未壓漿樁而言，極限承載力提高了85%，極限側(cè)摩阻在黏性土中提高了120%，在粉細砂層中提高了70%，在中砂層中提高了110%，極限端阻力在黏性土中提高了60%。

(2)壓漿樁與未壓漿樁在相同軸向荷載作用下，壓漿樁樁頂沉降大幅減少。以未壓漿樁的極限荷載為例，后壓漿加固樁的樁頂沉降僅為無壓漿樁的40%～70%。在相同沉降量下，采用后壓漿工藝的試樁，加載值提高10%～50%，樁端阻力占總阻力的百分比減小30%～50%。

(3)在距樁頂10 m以下，壓漿樁樁側(cè)極限摩阻力明顯增強(相對于未壓漿樁)，且在砂層中極限摩阻力增強比例明顯大于黏土層。

順義特大橋區(qū)域進行工程樁注漿時，宜將樁側(cè)壓漿管置于砂層中(靜載試驗顯示粒徑越大效果越佳)。為防止冒漿，壓漿應遵循先上后下，先樁側(cè)后樁端的原則。

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