陳 翀，詹少全，樊榮霞

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局資源調(diào)查與評(píng)價(jià)研究院，江蘇 南京 210007；2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局八一四隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；3.南京水科院勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210029)

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)陸地最深的鉆孔灌注樁，最大樁長已經(jīng)超過90 m。但超長鉆孔灌注樁施工過程中，受工藝和時(shí)間的影響，可能會(huì)產(chǎn)生泥皮或沉渣，其承載能力降低。后注漿工藝可消除泥皮或沉渣的影響，從而提高單樁承載力。

國內(nèi)超長樁特性研究有一定進(jìn)展，超長樁表現(xiàn)出端承摩擦樁的特性，樁頂以下L/3樁長及樁端以上L/6范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力極限值接近規(guī)范推薦值，而中間部分的樁側(cè)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范值，表現(xiàn)出強(qiáng)化效應(yīng)[1]；超長樁在正常工作狀態(tài)(承載力特征值作用下)，端阻比僅為1%，可以認(rèn)為超長樁在此狀態(tài)下為純摩擦樁[2]。后注漿使樁土之間因相對(duì)滑移與刺入所產(chǎn)生的塑性變形減小，樁土整體性得到有效提升[3]。樁端注漿效果明顯，注漿后極限承載力提高10%以上[4]。但是后注漿超長樁理論方面還不是很完善。

本文通過對(duì)超長樁的承載力、內(nèi)力和沉降的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析其荷載傳遞機(jī)理。蘇州某高層建筑，基礎(chǔ)采用后注漿超長鉆孔灌注樁。主體塔樓高度約為278 m，裙樓約為50 m，采用混凝土(砼)核心筒+伸臂桁架+周邊框架柱混合結(jié)構(gòu)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 超長樁基本情況

本次測(cè)試樁共計(jì)6組鉆孔灌注樁，塔樓和裙樓各3組，采用樁端后注漿工藝，注漿壓力為2 MPa～5 MPa，水灰比為約為0.6，相關(guān)參數(shù)詳見表1。

表1 試樁參數(shù)

1.2 概況

根據(jù)區(qū)域資料，本場(chǎng)區(qū)第四系厚度約為 230 m。擬建場(chǎng)地150.21 m深度范圍內(nèi)的地基土為第四紀(jì)早更新世(Qp1)及其后期的沉積土層，屬第四紀(jì)湖沼相、河口—濱海相松散沉積物，主要由黏性土、粉土和砂土組成。按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異，場(chǎng)地地層可分為①、④、⑤、⑥、⑧、⑨、⑩、、、等10個(gè)主要層次，其中2層厚7～10 m，靜力觸探qc平均值為11.53 MPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N平均值為56擊，呈密實(shí)狀態(tài)。1層厚約10 m，靜力觸探qc平均值為14.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N平均值遠(yuǎn)大于50擊，呈密實(shí)狀態(tài)。綜合土工試驗(yàn)及原位測(cè)試成果，除25 m以上土層鉆孔樁摩阻力偏小外，其余土層摩阻力均超過55 kPa，2層土鉆孔樁摩阻力qsk為85 kPa，端阻力qpk為2200 kPa。1層土鉆孔樁摩阻力qsk為95 kPa，端阻力qpk為3000 kPa。場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。土層原位測(cè)試結(jié)果詳見表3。

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)

表3 土層原位測(cè)試結(jié)果

場(chǎng)地淺部7～12 m為松散—稍密的第⑤層砂質(zhì)粉土，其下為第⑥層～第⑩層土，大部分為軟—可塑的飽和黏性土，以上均不宜作為樁端持力層。擬建場(chǎng)地土類型屬中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。本場(chǎng)地地勢(shì)平坦，從區(qū)域構(gòu)造看，屬地殼穩(wěn)定區(qū)域；地震活動(dòng)水平屬中偏低，屬于基本穩(wěn)定區(qū)；同時(shí)場(chǎng)地內(nèi)及周邊不存在滑坡、危巖等不良地質(zhì)作用。

1.3 試驗(yàn)概況

本次6組試樁均進(jìn)行單樁抗壓靜載試驗(yàn)和樁身內(nèi)力測(cè)試。試驗(yàn)依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)進(jìn)行，塔樓、裙樓基礎(chǔ)灌注樁靜載最大試驗(yàn)荷載分別為19 300 kN和9300 kN，在進(jìn)行載荷試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行樁身軸力測(cè)試，塔樓基礎(chǔ)樁每根樁設(shè)置6個(gè)測(cè)試斷面，埋設(shè)18個(gè)應(yīng)力計(jì)；群樓基礎(chǔ)樁每根樁設(shè)置3個(gè)測(cè)試斷面，埋設(shè)9個(gè)應(yīng)力計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)分十級(jí)等量加載，采用慢速維持荷載法檢測(cè)單樁極限承載力。靜載試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行樁身軸力測(cè)試、樁端沉降測(cè)試、測(cè)定樁側(cè)、樁端阻力和樁端沉降；觀測(cè)樁端沉降確定過大的樁頂沉降是由樁身壓碎引起還是由樁端壓縮引起，分清沉降原因[5]。靜載試驗(yàn)加載采用6臺(tái)并聯(lián)的油壓千斤頂同步工作，反力裝置采用2800 t壓重平臺(tái)反力裝置；樁身軸力測(cè)試的測(cè)試斷面設(shè)置在不同土層的界面處，距樁頂和樁底不小于1倍樁徑，每個(gè)斷面對(duì)稱布置3個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)。實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力可計(jì)算樁截面的應(yīng)力，進(jìn)而得到各級(jí)荷載作用下各斷面的樁身軸力值。樁端沉降桿采用內(nèi)外管形式，外管固定在樁身，內(nèi)管下端固定在樁端。本次靜載荷試驗(yàn)堆載配重大，為避免堆載對(duì)基準(zhǔn)樁的影響，在試驗(yàn)過程中用精密水準(zhǔn)儀對(duì)基準(zhǔn)樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-沉降結(jié)果

6組試樁的Q-s曲線(圖1)屬于緩變型，無明顯拐點(diǎn)，未達(dá)到極限荷載。當(dāng)3根塔樓試樁分別加載至19 300 kN時(shí)，累計(jì)樁頂沉降量都超過35 mm，而樁端沉降量分別為0.66 mm、0.46 mm、0.25 mm。當(dāng)裙樓3根試樁分別加載至9300 kN時(shí)，累計(jì)樁頂沉降量均達(dá)到25 mm，而樁端沉降量分別為3.00 mm、0.62 mm、3.83 mm。觀測(cè)表明頂沉降主要由樁身壓縮產(chǎn)生，這一方面由于樁身彈性模量不大，樁長較長導(dǎo)致，另一方面由于樁端巖土強(qiáng)度高、壓縮性低產(chǎn)生的。樁端土層性狀較好，這是由于樁端采用后注漿工藝，使得沉渣、砂石或土粒和裂隙產(chǎn)生膠結(jié)作用，提高了強(qiáng)度，增加了樁徑，提高了樁端巖土層承載力。從曲線形態(tài)發(fā)展趨勢(shì)看，后注漿超長鉆孔灌注樁，具有摩擦樁的特性。

圖1 試樁靜載荷曲線

2.2 樁身壓縮量

由于樁端采用后注漿工藝，消除了沉渣對(duì)于樁端沉降的影響，提高了樁端土層的壓縮模量，降低了樁端沉降，高荷載作用下，樁身壓縮量占樁頂沉降百分比很大(>90%)，其中塑性壓縮量比彈性壓縮量大。顯示超長樁混凝土具有彈塑性變形特征，由于樁身混凝土受力變形在高荷載下具有非線性特征，此時(shí)樁身彈性模量相對(duì)于低荷載時(shí)降低了，由于樁身壓縮量與彈性模量呈反比關(guān)系，樁身壓縮量會(huì)隨之增加。樁身壓縮量數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 樁身壓縮量

2.3 側(cè)摩阻力

靜載荷試驗(yàn)過程中，側(cè)阻力由淺至深依次發(fā)揮，上部側(cè)阻力先發(fā)揮，當(dāng)荷載為9530 kN時(shí)，上部40 m范圍內(nèi)的側(cè)阻力已接近于規(guī)范推薦值，而40 m以下范圍內(nèi)的側(cè)阻力較??；當(dāng)荷載超過9530 kN，上部摩阻力保持在某一固定值附近，說明土體已達(dá)到塑性狀態(tài)；當(dāng)荷載達(dá)到19 300 kN時(shí)，中部樁側(cè)阻力超過規(guī)范推薦值，達(dá)到2倍以上，具有強(qiáng)化效應(yīng)。圖2為塔樓基礎(chǔ)樁側(cè)摩阻力分布圖。

圖3為塔樓基礎(chǔ)樁摩阻力與樁頂沉降/樁徑關(guān)系圖。淺部的側(cè)摩阻力qs最大，s/d變大，qs也逐漸增加。淺部摩阻力先發(fā)揮，但是s/d增加時(shí)，淺部摩阻力增大緩慢，且尾部有下彎趨勢(shì)；而中部摩阻力增大較快，逐漸達(dá)到峰值；深部摩阻力增大較慢，未達(dá)到峰值。

圖2 試樁摩阻力分布

圖3 塔樓試樁qs - s/d圖

當(dāng)s/d為3%時(shí)，35 m以上的樁側(cè)摩阻力qs達(dá)極限值；當(dāng)s/d為3.5%時(shí)，35～50 m的樁側(cè)摩阻力qs達(dá)極限值，而50 m以下的樁側(cè)摩阻力qs尚未達(dá)極限值。由此發(fā)現(xiàn)，隨土層埋深地增加，qs達(dá)極限值所需的位移也增大。摩阻力qs達(dá)極限值時(shí)，s/d達(dá)樁土滑移的臨界值，隨著s/d繼續(xù)增加，摩阻力qs由峰值點(diǎn)逐漸減小，具有折減效應(yīng)。

3 后注漿超長樁承載特性

3.1 后注漿工藝

由于地面下7～12 m為松散—稍密的第⑤層砂質(zhì)粉土，為避免鉆進(jìn)時(shí)塌孔，泥漿配置比重較大，勢(shì)必會(huì)造成泥皮厚、韌性低，這樣會(huì)引起孔壁水化崩塌、泥皮脫落，進(jìn)而形成沉渣。另外孔壁泥皮會(huì)降低樁側(cè)摩阻力，樁底沉渣會(huì)同時(shí)影響樁側(cè)摩阻力和樁端摩阻力的發(fā)揮[6]，而且樁長越長，這些影響就會(huì)更為突出。

為消除以上不利影響，須樁端后注漿。注漿管固定在主筋上，隨鋼筋籠下放至鉆孔中，混凝土灌注完成后，利用8 MPa壓力進(jìn)行開塞，初凝后，采用2 MPa～5 MPa注漿壓力向樁端注入水泥漿。當(dāng)漿液壓入樁端后，一部分漿液沿樁側(cè)的樁-土界面向上流動(dòng)，對(duì)泥皮和土層填充擠密固結(jié)；另一部分漿液沿樁端的樁-土界面向下擴(kuò)散，松散顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，增加了強(qiáng)度，增加了樁幾何尺寸。

后注漿一般會(huì)產(chǎn)生填充效應(yīng)、滲入效應(yīng)、擠密效應(yīng)、劈裂效應(yīng)，注入的漿液填充到土層或砂層的孔隙中，滲入和擠密砂土，形成水泥-砂土結(jié)石體，破壞原有的土體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生劈裂，水泥-砂土結(jié)石體形成骨架支撐作用，提高了壓縮模量，樁端沉降變小了。

3.2 側(cè)阻力強(qiáng)化效應(yīng)

根據(jù)圖2的試樁摩阻力分布，在50～75 m范圍內(nèi)，樁側(cè)摩阻力比規(guī)范推薦值提高了50%～100%，具有明顯的強(qiáng)化效應(yīng)。

由于后注漿劈裂效應(yīng)，水泥-土結(jié)石體形成骨架支撐作用，提高了壓縮模量，減小了樁端沉降，樁身壓縮量很大，由此樁身產(chǎn)生橫向膨脹，增加了土體對(duì)樁側(cè)的約束力。

當(dāng)漿液沿樁側(cè)的樁-土界面向上流動(dòng)，一方面對(duì)泥皮和土層填充擠密固結(jié)，擴(kuò)大了樁徑，一方面漿液擠壓土體效應(yīng)，提高了樁側(cè)土壓力。

由于后注漿產(chǎn)生以上效應(yīng)，使得樁側(cè)阻力下部產(chǎn)生強(qiáng)化增加。

3.3 荷載-沉降變化

本次項(xiàng)目的單樁靜載荷載-沉降曲線，為“漸進(jìn)破壞”緩變型，無明顯的特征點(diǎn)。

后注漿超長樁的荷載-沉降曲線，反映了樁土的荷載傳遞、土阻力發(fā)揮的情況，它與上部荷載水平、土層性質(zhì)、樁土相對(duì)位移、成樁工藝及樁參數(shù)(長度、直徑和剛度)密切相關(guān)。本次超長樁載荷試驗(yàn)未達(dá)到極限狀態(tài)，荷載-沉降曲線受側(cè)阻力影響，樁端后注漿工藝提高了樁端持力層強(qiáng)度，減小了樁端沉降，由于砂土持力層需要較大位移才能完全發(fā)揮，根據(jù)小型樁試驗(yàn)結(jié)果，砂類土的樁底極限位移為(0.08～0.1)D，D為樁徑[7]。而后注漿超長樁樁身壓縮大，樁端位移小。本次超長樁樁端位移遠(yuǎn)小于極限位移，按規(guī)范考慮增強(qiáng)系數(shù)的后注漿端阻力缺乏實(shí)際應(yīng)用意義，樁的實(shí)際承載力主要取決于樁周土的性狀。

根據(jù)樁身壓縮量公式[8]：

(1)

式中，ξe為樁身壓縮系數(shù)，Qj為第j樁樁頂荷載，lj為第j樁樁長，Ec為樁身混凝土彈性模量，Aps為樁身截面面積。樁身壓縮量與荷載水平、樁長、樁徑、彈性模量以及樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律因素有關(guān)。工程實(shí)際應(yīng)用的單樁極限承載力主要由上部主體建筑能夠承受的極限沉降控制。通過減小樁身壓縮量，可以盡可能充分利用樁端承載力的潛力。增加樁徑、混凝土強(qiáng)度、配筋率，可以提高彈性模量，或適當(dāng)降低樁長，都能減小樁身壓縮量，提高單樁承載力。

3.4 土阻力發(fā)揮

樁側(cè)阻力發(fā)揮是由樁-土相對(duì)位移決定的。關(guān)于側(cè)阻力發(fā)揮規(guī)律，根據(jù)測(cè)試資料，一般黏性土為4～6 mm[9]。其實(shí)隨著大直徑超長鉆孔灌注樁的大量應(yīng)用，對(duì)于側(cè)阻力發(fā)揮規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深化，發(fā)揮側(cè)阻力的樁-土位移與樁徑、土層以及位置密切相關(guān)。

本次工程塔樓試樁檢測(cè)中，當(dāng)s/d為2%～3%時(shí)，相對(duì)位移在20～30 mm，樁頂下35 m內(nèi)的樁側(cè)摩阻力qs達(dá)極限值；當(dāng)s/d為3%時(shí)，樁頂下35～50 m的樁側(cè)摩阻力qs達(dá)極限值，而樁頂下50 m之下的樁側(cè)摩阻力qs尚未達(dá)極限值。隨土層埋深地增加，qs達(dá)極限值所需的位移也增大。對(duì)于超長灌注樁，發(fā)揮深部側(cè)阻力，需要的相對(duì)位移也會(huì)越大，s/d接近4%時(shí)，樁頂下75 m的樁側(cè)摩阻力趨近于極限，但樁端附近側(cè)摩阻力尚未完全發(fā)揮。

在地基土強(qiáng)度和樁身砼強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)極限值條件下，超長鉆孔灌注樁的極限承載力由樁頂沉降來控制，可取樁頂沉降s等于0.05D對(duì)應(yīng)的荷載值[10]，作為單樁抗壓極限承載力，這時(shí)淺部和中下部的樁土相對(duì)位移δ達(dá)極限值，相應(yīng)的土體處于屈服狀態(tài)，其摩阻力已經(jīng)充分發(fā)揮，不再增加；而樁深部，尤其是樁端附近的樁土相對(duì)位移δ可能處于線性段，土體處于彈性狀態(tài)，其摩阻力尚未充分發(fā)揮，樁端土體沉降也處于線性段，土體處于彈性變化狀態(tài)，端阻力只發(fā)揮了一小部分。

通常在超長鉆孔樁承載力設(shè)計(jì)時(shí)，由于樁端附近巖土層不能完全發(fā)揮承載力，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果存在一定的誤差，影響工程的經(jīng)濟(jì)型和技術(shù)準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過蘇州某大直徑超長后注漿鉆孔灌注樁的靜載荷試驗(yàn)，對(duì)樁身內(nèi)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，研究其荷載-沉降規(guī)律、側(cè)阻力和端阻力發(fā)揮規(guī)律等特性，為類似工程的樁基設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意義，主要結(jié)論如下：

1)高荷載下，超長樁混凝土具有彈塑性變形特征，樁身混凝土彈性模量相對(duì)降低了，樁身壓縮量也會(huì)隨之增加。

2)超長樁極限承載力主要由上部主體建筑能夠承受的極限沉降控制，可以提高彈性模量或適當(dāng)降低樁長，進(jìn)而減小樁身壓縮量，提高單樁承載力。

3)超長樁樁側(cè)摩阻力與樁頂沉降/樁徑(s/d)關(guān)系密切，當(dāng)s/d接近4%時(shí)，樁端附近土阻力開始逐漸發(fā)揮。

4)后注漿工藝可以消除泥皮、沉渣的不利影響，提高樁端土層的承載力，減小高水平荷載作用下的樁端沉降，樁側(cè)阻力產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。