李智平 張紅 龍建輝

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)灌注樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中產(chǎn)生沉渣影響樁基承載力發(fā)揮的問(wèn)題，提出用荷載傳遞性狀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)方法，對(duì)單樁極限承載力、樁端阻力和樁端側(cè)摩阻力受沉渣影響的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：樁的破壞形式受到沉渣厚度的影響，沉渣厚度大，樁破壞形式為刺入破壞;沉渣厚度小，樁破壞形式為樁端土壓縮變形。相同樁頂荷載條件，沉渣厚度與樁頂沉降量成正比，與單樁極限承載力成反比。當(dāng)沉渣厚度較大時(shí)，端阻最大損失可達(dá)80%，側(cè)阻損失可達(dá)70%，壓密后，樁端阻力慢慢的接近正常樁。處理沉渣的有效方式為反循環(huán)清渣工藝結(jié)合樁底高壓注漿工藝。

關(guān)鍵詞：沉渣;沉渣厚度;極限承載力;樁端阻力;樁側(cè)摩阻力

中圖分類號(hào)：TU473.1+1;TU473.1+4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0112-04

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，樁基礎(chǔ)也得到了較為廣泛的運(yùn)用。在某些不能滿足上部荷載又不能使用地基處理的地基土上，就需要采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工作業(yè)。但受到施工工藝、施工隊(duì)伍技術(shù)水平的影響，樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的沉渣。沉渣影響樁基承載力，因此，研究沉渣厚度對(duì)樁基的影響方式和處理方法是目前研究的重點(diǎn)。通過(guò)改變沉渣厚度和壓縮模量，研究端承樁的荷載—沉降曲線變化規(guī)律，證實(shí)了沉渣的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致樁端阻力損失嚴(yán)重，進(jìn)而降低極限承載力;通過(guò)增加沉渣壓縮模量能有效控制樁頂沉降[1];嘗試用隨鉆跟管樁豎向承載特性模型試驗(yàn)探究沉渣厚度對(duì)管樁承載力的影響。證實(shí)了存在樁底沉渣時(shí)，隨鉆跟管樁是以發(fā)揮側(cè)摩阻力為主的端承摩擦型樁[2]。以上學(xué)者的研究成果確定了沉渣的出現(xiàn)會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，但對(duì)影響機(jī)理和處理方式并沒(méi)有深入探討。基于此，本文嘗試用樁靜載試驗(yàn)及荷載傳遞性狀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，確實(shí)沉渣對(duì)樁基礎(chǔ)的影響機(jī)理。并對(duì)處理成渣的方式進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)原型情況確定

本文試驗(yàn)原型取福州盆地中部的某30層寫(xiě)字樓。該寫(xiě)字樓所處場(chǎng)地的土層成因主要為淤積和沖洪積。樁基礎(chǔ)均是采用Φ1 000 mm的鉆孔灌注樁。選擇兩根工程地質(zhì)性能皆類似的兩根試裝S1和S3進(jìn)行分析（其中S3正常樁，沉渣厚度約為8 cm）。S1樁身在土層分界面裝有鋼筋應(yīng)力計(jì)和超聲波管;在靜載試驗(yàn)完成后，對(duì)S1樁進(jìn)行超聲檢測(cè)和鉆孔取芯檢驗(yàn)。S3與S1距離很近，因此莊周土層土體結(jié)構(gòu)類似。S3與S1具體施工參數(shù)如表1所示。

靜載試驗(yàn)選擇慢速維持荷載法進(jìn)行分級(jí)加荷。試驗(yàn)過(guò)程中，S1樁經(jīng)過(guò)第1循環(huán)后，將荷載卸除歸零，繼續(xù)進(jìn)行第2次循環(huán)試驗(yàn)。分別測(cè)試兩次試驗(yàn)時(shí)S1樁身軸力分布變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。兩樁靜載Q-S曲線如圖2所示。進(jìn)行第2次循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，第1次循環(huán)造成的沉降忽略不計(jì)。

2 沉渣對(duì)單樁極限承載力的影響

通過(guò)對(duì)臨近像是場(chǎng)地的同類樁進(jìn)行實(shí)測(cè)，以5 000 kN作為強(qiáng)風(fēng)化土層極限短阻力換算Qpk。按照常用經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)試樁點(diǎn)附近土層標(biāo)準(zhǔn)貫入基數(shù)計(jì)算Qxk。由圖2可知，S1樁底沉渣檢測(cè)厚度值為39.88 cm，經(jīng)過(guò)第1次循環(huán)，單樁極限承載力的測(cè)試值為4 000 kN，僅為計(jì)算值的22.7%。端阻發(fā)揮占7.9%，側(cè)阻發(fā)揮為27.5%;將荷載卸載歸零后，測(cè)得殘余沉降度為7.383 cm，此時(shí)沉渣厚度為32.2 cm。經(jīng)過(guò)第2次循環(huán)后，單樁極限承載力由4 000 kN增長(zhǎng)至10 000 kN，對(duì)試樁增長(zhǎng)的幅度達(dá)到了150%，達(dá)到了計(jì)算值的55.2%，其中端阻發(fā)揮為42.4%，側(cè)阻發(fā)揮60.3%。

這就說(shuō)明對(duì)沉渣的壓縮，能夠快速有效提升單樁的極限承載力。但在相同的樁頂荷載下，試驗(yàn)樁S1仍比正常樁S3沉降量大，單樁極限承載力也偏低。工程地質(zhì)和成樁相同的條件下，樁底沉渣對(duì)沉降量和單樁極限承載力產(chǎn)生不良影響。經(jīng)過(guò)實(shí)際考察統(tǒng)計(jì)證實(shí)，沉渣影響單樁極限承載力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值為0.3～1.0。

3 沉渣對(duì)端阻力的影響

圖3為Qw與Qp、Qs間關(guān)系，其中圖3（a）表示Q～QI～Qs增長(zhǎng)趨勢(shì)，圖3（b）表示δ～Qp～Qs增長(zhǎng)趨勢(shì)。樁端土層短阻力比沉渣強(qiáng)度高，可能出現(xiàn)“軟墊”現(xiàn)象。沉渣強(qiáng)度控制樁端土極限承載力。由圖2可知，第1次循環(huán)試驗(yàn)施加荷載至5 000 kN時(shí)，樁端阻力約為647 kPa，占樁頂荷載的12.5%，轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度約等于647 kPa。該強(qiáng)度已經(jīng)大于沉渣的極限強(qiáng)度，因此樁出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，出現(xiàn)“刺入破壞”，進(jìn)而達(dá)到樁的極限承載力。樁極限承載力為4 000 kN時(shí)，樁端阻力為421.8%，僅僅是樁端土層正常值的8.3%。沉渣的壓縮會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度增長(zhǎng)，端阻力也表現(xiàn)出穩(wěn)定增長(zhǎng)的狀態(tài)，如圖3（a）所示。在第2次循環(huán)增加荷載時(shí)，樁頂荷載一樣，第2循環(huán)和第1循環(huán)的樁端阻力實(shí)測(cè)值相近，即沉渣厚度幾乎不影響樁側(cè)和樁端荷載分擔(dān)比例。

由圖3（b）可知，樁端位移相同，樁端阻力受沉渣大小影響。沉渣越小，受到的端阻力越大。發(fā)揮相同的樁端承載力，沉渣厚度較大需要的樁土位移蓋大于沉渣較小時(shí)的樁土位移。第2次循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，樁沒(méi)有陡降現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明第1次循環(huán)試驗(yàn)將沉渣壓縮后，改善了其強(qiáng)度，此時(shí)樁端阻力也慢慢接近正常樁。樁的破壞形式從“刺入破壞”緩慢變?yōu)榫植考羟衅茐?在Q-S曲線表現(xiàn)為“陡降”變成“緩變”。樁的極限承載力也慢慢轉(zhuǎn)換以樁底沉降量進(jìn)行控制。此時(shí)，樁底沉渣總壓縮量為10.38 cm樁底留下的沉渣厚度為29.28 cm左右，端阻力提高至2 057 kN，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為2 096 kPa，為樁頂荷載的20.6%，是樁端土層正常值的42.7%。極限狀態(tài)下的端阻力比第1次循環(huán)有所提高，樁端阻力持續(xù)增加。

根據(jù)上述可知，對(duì)樁端阻力發(fā)揮和樁破壞形式較大影響的因素是沉渣厚度。沉渣壓密的進(jìn)行，樁端阻力同步增加，并趨近于正常樁端土層強(qiáng)度。當(dāng)沉渣厚度較大，樁的主要破壞形式為“刺入破壞”，將沉渣壓縮至允許范圍時(shí)，破壞形式逐漸變?yōu)閴嚎s變形。

因此通過(guò)控制柱底沉渣厚度可有效避免樁出現(xiàn)刺入破壞和樁頂沉降量過(guò)大的現(xiàn)象。對(duì)位于特定持力層的超長(zhǎng)大直徑灌注摩擦樁，樁端阻力幾乎不超過(guò)樁頂荷載的30%。因此想要保證樁端土層強(qiáng)度的正常發(fā)揮，實(shí)際工程沉渣的厚度需要控制在10 cm左右。

4 沉渣對(duì)樁側(cè)摩阻力影響

表2為極限狀態(tài)下樁側(cè)土層摩阻力與樁土相對(duì)位移。

由表2可知，兩次循環(huán)荷載試驗(yàn)，樁身下部土層側(cè)摩阻力都比正常值更小。說(shuō)明沉渣對(duì)樁端阻力和樁身下部樁側(cè)土層的摩阻力其負(fù)作用。對(duì)樁側(cè)土層摩阻力發(fā)揮所需要的相對(duì)位移有增強(qiáng)作用。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因與樁的破壞形式有關(guān)。

沉渣厚度較大時(shí)，樁底土壓縮變形主導(dǎo)樁底沉降，樁端位移增加，樁端位移產(chǎn)生樁土相對(duì)位移傳遞方向?yàn)闃都庀蛏蟼鬟f，樁下部的樁土相對(duì)位移加大，有可能在樁土界面出現(xiàn)剪切滑移現(xiàn)象。由效應(yīng)應(yīng)力原理可知，樁土處摩擦角降低，則側(cè)摩阻力隨降低。側(cè)阻損失隨相對(duì)位移速率增加而增加，這也解釋了端阻越大導(dǎo)致的樁端沉降越小，實(shí)測(cè)樁側(cè)摩阻力越大。

5 減少沉渣影響的措施

樁底沉渣主要由場(chǎng)地土層、泥漿密度和施工工藝等原因?qū)е?。沉渣厚度?duì)超長(zhǎng)灌注樁施工技術(shù)與工藝產(chǎn)生影響。泥漿泵排渣效率影響正循環(huán)工藝，從而影響沉渣的處理效果。另外，正循環(huán)工藝采用較大的泥漿密度和較厚泥皮，以增強(qiáng)砂漿懸浮砂礫的能力，這也導(dǎo)致了樁側(cè)摩阻力損失較大。反循環(huán)工藝選用較小泥漿密度，清理沉渣時(shí)?？梢愿鶕?jù)鉆孔深度用泵吸反循環(huán)或是氣舉反循環(huán)對(duì)沉渣進(jìn)行清理。該方法清理效果較為理想，因此單樁的承載能力可以正常發(fā)揮。本文選擇的兩個(gè)試驗(yàn)樁中，S3樁采用的是反循環(huán)工藝對(duì)沉渣進(jìn)行清理，處理后樁底沉渣厚度變薄，單樁承載力變大，樁底沉降隨之減小。

樁底高壓注漿工藝時(shí)，利用高壓水泥漿對(duì)沉渣起物理作用，沉渣強(qiáng)度有所增加，從而消除沉渣的不利影響。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)合傳遞性狀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了柱底沉渣的單樁極限承載力、樁端和側(cè)摩阻力的影響機(jī)理，得到的具體結(jié)論為：

（1）由沉渣對(duì)單樁極限承載力分析可知，沉渣厚度不符合允許范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，樁以“刺入破壞”為主，在Q-S曲線上為“陡降”趨勢(shì)。樁的承載力極限狀態(tài)控制單樁的極限承載力。沉渣厚度在允許范圍內(nèi)，樁主要為樁端土壓縮變形的破壞形式，在Q-S曲線上是“緩變”趨勢(shì)。樁頂沉降量控制單樁極限承載力;

（2）由沉渣對(duì)端阻力影響分析結(jié)果可知。在相同樁頂荷載條件下，樁頂沉降量隨沉渣厚度的增加而增加，沉渣厚度增加導(dǎo)致單樁極限承載力降低。所以計(jì)算單樁極限承載力時(shí)應(yīng)考慮沉渣厚度影響，對(duì)非嵌巖的端承摩擦樁，沉渣厚度不宜超過(guò)10 cm;

（3）由沉渣對(duì)樁側(cè)摩阻力影響分析結(jié)果可知，沉渣厚度對(duì)樁側(cè)、樁端荷載分擔(dān)比例幾乎沒(méi)有影響。樁底沉渣“軟墊”效應(yīng)影響超長(zhǎng)樁樁端阻力，對(duì)上部樁側(cè)土層摩阻力發(fā)揮影響較小。當(dāng)沉渣厚度較大時(shí)，端阻最大損失能達(dá)80%，側(cè)阻損失可達(dá)70%。將沉渣壓密后，樁端阻力慢慢與正常樁端土層強(qiáng)度接近，且樁側(cè)土發(fā)揮相同摩阻力需的樁土位移也隨之增加;

（4）樁底成渣有效處理方式為反循環(huán)清渣工藝和樁底高壓注漿工藝結(jié)合，使單樁承載力可以正常發(fā)揮。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 原方，李志謙，張健，等.樁底沉渣對(duì)端承樁豎向承載性能的影響研究[J].河南科技，2018（8）：114-117.

[2] 劉春林，唐孟雄，胡賀松，等.考慮樁底沉渣的隨鉆跟管樁豎向承載特性模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2021，42（1）：177-185.

[3] 高壇，周傳波，周小勇，等.沉渣對(duì)軟巖嵌巖樁承載力影響的模型試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2019，26（1）：198-202.

[4] 徐志軍，李志謙，原方，等.考慮樁底沉渣的基樁豎向承載力目標(biāo)可靠度[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（3）：189-195.

[5] 何偉，徐志軍.考慮樁底沉渣的摩擦樁豎向承載力可靠度研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（10）：22-25.

[6] 劉客，侯龍清，李明東，等.鉆孔灌注樁沉渣厚度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和展望[J].土工基礎(chǔ)，2019，33（3）：379-383.

[7] 方巽科，王玉松，吳映棟，等.鉆孔灌注樁缺陷處理技術(shù)探討及工程應(yīng)用[J].浙江建筑，2019，36（4）：28-30.

[8] 周強(qiáng).沖擊成孔嵌巖樁事故分析及處理[J].地質(zhì)裝備，2020，21（4）：40-44.

[9] 孫玉剛，鮑伏波，呂英明，等.鉆孔成像技術(shù)在樁底沉渣厚度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ)，2020，34（3）：366-368.

[10] 魏奎燁，張宏兵，宋新江，等.聲波透射法測(cè)樁波形畸變系數(shù)計(jì)算與分析[J].振動(dòng).測(cè)試與診斷，2019，39（5）：1 098-1 102.