宗鐘凌 曹 博 黃蘊(yùn)晗 莊瀟軒 張 魁 林祥軍

(1.江蘇海洋大學(xué)土木與港海工程學(xué)院，江蘇連云港 222002；2.國(guó)網(wǎng)連云港供電公司,江蘇連云港 222000)

螺旋樁一般是指將帶螺旋葉片的樁桿旋壓進(jìn)土層中后，利用螺旋葉片的嵌固可調(diào)動(dòng)深層土體抗力的錨固結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)中葉，螺旋樁因具備較好的工廠化生產(chǎn)特點(diǎn)和機(jī)械化施工優(yōu)勢(shì)逐漸得到廣泛應(yīng)用[1]。

傳統(tǒng)螺旋鋼管樁易出現(xiàn)在深厚軟土層中樁體失穩(wěn)、在腐蝕環(huán)境下材料耐久性差等問題。為解決上述問題，進(jìn)一步提升樁基承載性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了將螺旋樁與微型樁注漿工藝結(jié)合的研究思路。Livneh等認(rèn)為在樁周注漿能使樁周土和漿液固化體更緊密，從而提高樁身穩(wěn)定性和樁側(cè)摩阻力[2]。Vickars等提出在樁軸上部采用擠土板連接聚氯乙烯套管，通過(guò)重力將水泥漿液帶入土層，形成的水泥漿體與套管能共同提高樁身抗屈曲能力和防腐性能[3]。

注漿工藝在微型樁中的發(fā)展應(yīng)用十分廣泛，注漿方式的不同會(huì)對(duì)成樁質(zhì)量和承載性能產(chǎn)生影響。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)依據(jù)注漿工藝和成樁特點(diǎn)將微型樁劃分為：重力灌注(A類)、加壓灌注(B類)、二次注漿(C類)、多次注漿(D類)四種類型，并指出了每種樁型的注漿特點(diǎn)和成樁技術(shù)工藝措施[4]。宗鐘凌等基于軟土地基的特點(diǎn)提出了一種靜壓鋼管注漿微型樁，通過(guò)注漿液配比試驗(yàn)和抗壓承載力試驗(yàn)得出利用混合注漿液比水泥凈漿硬化快、早期強(qiáng)度高，可滿足強(qiáng)度要求；注漿后微型鋼管樁抗壓極限承載力提高了75%～150%，與用FHWA編寫的《微型樁設(shè)計(jì)和施工參考手冊(cè)》[4]中計(jì)算式計(jì)算的結(jié)果接近[5]。加拿大韋仕敦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種中空螺紋桿微型樁，在前端鉆頭鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行前端注漿以達(dá)到一次成樁的目的[6-8]，比傳統(tǒng)微型樁，中空螺紋桿微型樁同步注漿形成的充填和壓密作用效果更為顯著，樁、土間的漿液固化體性能較好，具有較高的抗壓承載力。

基于深厚海相軟土的特點(diǎn)，綜合螺旋鋼管樁成樁方法和微型樁注漿工藝，課題組提出一種新型注漿螺旋鋼管樁，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)成樁及樁基承載力試驗(yàn)，驗(yàn)證成樁工藝的可行性，研究螺旋樁的葉片直徑、布置、成樁方式等因素對(duì)其抗壓承載性能的影響。

1 成樁工藝

注漿螺旋鋼管樁樁型依據(jù)海相軟土地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，構(gòu)造如圖1所示。其成樁工藝主要包括主軸鋼管和螺旋葉片制作，水泥漿液制備，分段旋進(jìn)注漿成樁和封樁。

注漿螺旋鋼管樁主軸鋼管采用小直徑鋼管，管徑通常為70～150 mm，分節(jié)制作，每節(jié)鋼管的長(zhǎng)度為1.5～3.0 m。螺旋葉片的外徑采用2～4倍鋼管直徑，葉片軸向間距取2.4～3.6倍直徑，等間距分布。管徑靠近首層葉片上部處對(duì)稱開孔，孔徑不超過(guò)鋼管直徑的1/10，且不大于10 mm。采用分段旋進(jìn)注漿技術(shù)成樁，鋼管中插入注漿管，旋進(jìn)過(guò)程中壓力注入水泥凈漿。鋼管間采用螺絲螺母連接，旋入至指定位置或達(dá)到扭矩設(shè)計(jì)值后，停止旋進(jìn)，注漿直至水泥漿溢出。注漿完成后進(jìn)行封樁并與基礎(chǔ)連接。注漿螺旋鋼管樁成樁過(guò)程如圖2所示。

2 試驗(yàn)方案

2.1 地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地埋深15 m范圍內(nèi)的地基土層可以劃分為6個(gè)工程地質(zhì)層：①素填土，厚度為 1.2～1.4 m，松散，稍濕，以黏性土為主，性狀較差；②黏土，厚度為0.9～1.4 m，土層穩(wěn)定，壓縮性中—高，工程性能差；③淤泥，厚度為7.9～8.0 m，土層較穩(wěn)定，壓縮性高，工程性能極差；④含砂姜黏土，厚度為1.0～1.2 m，土層穩(wěn)定，壓縮性中等，工程性能一般；⑤黏土，厚度為2.0～2.2 m，土層穩(wěn)定，壓縮性中等，工程性能良好;⑥黏土夾砂，厚度為1.0～1.2 m，土層穩(wěn)定，壓縮性中等。地質(zhì)剖面圖如圖3所示，各土層的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical property indices of soil strata

圖3 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)剖面Fig.3 The geological profile of the test field

場(chǎng)地地下水類型為孔隙潛水和承壓水，地下水初見水位約在地表下1.35 m處，地下水穩(wěn)定水位約在地表下1.65 m處，地下水位最大變幅約1.00 m。

2.2 試樁設(shè)計(jì)和施工

設(shè)計(jì)兩批次試驗(yàn)，第一批次共設(shè)計(jì)6根試樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)均為10.5 m，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，該批次樁主要用于驗(yàn)證和優(yōu)化成樁工藝。須要說(shuō)明的是FSP1、FSP3及FCP1樁在成樁過(guò)程中均出現(xiàn)連接螺紋滑絲現(xiàn)象，表明螺紋連接強(qiáng)度不足，后改進(jìn)為高強(qiáng)螺栓與空心螺桿連接方式，可順利成樁。第二批次共設(shè)計(jì)7根試樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)均為14.0 m，主軸鋼管采用改進(jìn)后的連接方式，設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。該批次試驗(yàn)樁主要用于樁基抗壓承載性能試驗(yàn)。

表2 第一批試樁設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of the first batch of test piles

表3 第二批樁型設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of the second batch of test piles

兩批樁型主軸鋼管直徑均為89 mm，壁厚均為6 mm，設(shè)計(jì)和成樁效果如圖4所示。依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，注漿壓力為0.6 MPa，旋樁豎向壓入速度控制在1.0～1.5 m/min。兩批次樁型在靜置28 d后進(jìn)行靜載試驗(yàn)。對(duì)比樁FSP1為傳統(tǒng)螺旋鋼管樁，F(xiàn)SP2樁僅在主軸鋼管內(nèi)注漿，F(xiàn)SP3采用旋進(jìn)注漿工藝成樁，F(xiàn)CP1采用增加碳纖維復(fù)材(CFRP)套管后僅管內(nèi)注漿成樁工藝，且主軸鋼管連接方式由普通螺絲螺母改進(jìn)為高強(qiáng)螺栓與空心螺桿連接方式，F(xiàn)CP2采FSP為第一階段試驗(yàn)樁；FCP為第一階段帶套管試驗(yàn)樁。

a—第一批試驗(yàn)樁；b—第二批試驗(yàn)樁。圖4 基樁設(shè)計(jì)剖面示意Fig.4 The profiles of test foundation piles

用CFRP套管和旋進(jìn)注漿工藝成樁，且主軸鋼管連接方式由普通螺絲螺母改進(jìn)為高強(qiáng)螺栓與空心螺桿連接方式，F(xiàn)SP4采用旋進(jìn)注漿工藝成樁，且主軸鋼管連接方式由普通螺絲螺母改進(jìn)為高強(qiáng)螺栓與空心螺桿連接方式。

2.3 試樁布置與加載

JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定基樁的最小中心距約為2.0～4.0倍樁徑?？紤]到在試驗(yàn)場(chǎng)地允許的情況下盡可能減小擠土效應(yīng)，設(shè)計(jì)第一批樁的中心距離為3.0 m，第二批樁的中心距離為2.2 m，具體平面布置見圖5。

a—第一批試驗(yàn)樁;b—第二批試驗(yàn)樁。 壓重平臺(tái)支墩。圖5 樁位布置 mmFig.5 Arrangements of testing piles

驗(yàn)要求參照J(rèn)GJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[10]，采用壓重反力平臺(tái)堆載法，加載方法采用慢速維持荷載法。試驗(yàn)出現(xiàn)如下情況之一即可中止加載：

1)某級(jí)荷載作用下樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍(樁頂沉降能相對(duì)穩(wěn)定且總沉降量小于40 mm時(shí)宜加載至樁頂總沉降量超過(guò)40 mm)；2)某級(jí)荷載作用下樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 第一批試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)荷載-沉降位移曲線以及抗壓極限承載力結(jié)果見圖6和表4。

圖6 第一批次單樁抗壓荷載與沉降位移曲線Fig.6 Load-settlement curves for the first batch test piles

表4 抗壓極限承載力Table 4 The ultimate compressive bearing capacity of the first batch of test piles kN

FSP1抗壓極限承載力為30 kN。FSP2與FSP1樁極限承載力接近。FSP3極限承載力與FSP1相比未見提高，但從樁頂荷載-位移曲線看，注漿對(duì)后期抗壓承載性能有所提升。FCP1極限承載力較之FSP1提高了約37%。FCP2極限承載力較之FSP1提高了160%。FSP4極限承載力較之FSP1提高了225%。

可見：旋進(jìn)注漿對(duì)承載力提高明顯，推斷在下壓旋進(jìn)成樁時(shí)，螺旋葉片使得樁頭擴(kuò)大，將樁周土排開形成了空腔，使得樁底部土層受到了較大的擾動(dòng)，而注入的水泥漿可以填充這部分空腔，通過(guò)劈裂和擠壓作用，使樁周土擠密的同時(shí)，由于水泥漿液的固化和圍裹，使土的強(qiáng)度改善了土層應(yīng)力狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)樁頭附近溢出的漿液也驗(yàn)證了這一推斷。

另一方面，注漿壓力控制在0.6 MPa左右，未見地表局部顯著隆起或地表冒漿現(xiàn)象，注漿液能夠順利進(jìn)入淤泥質(zhì)土層，驗(yàn)證了成樁工藝可行性。

3.2 第二批試驗(yàn)結(jié)果

第二批次單樁抗壓試驗(yàn)樁頂荷載-沉降位移曲線如圖7所示?？梢姡撼蓸斗绞綄?duì)鋼管螺旋樁的荷載-沉降位移曲線有較大影響，除SCP1外，其余6種樁型的Q-s曲線均為陡降型。依據(jù)JGJ 106—2014，確定的單樁抗壓極限承載力見表5。

圖7 第二批次試樁單樁抗壓荷載與沉降位移曲線Fig.7 Load-settlement curves for the second batch test piles

表5 第二批次試樁抗壓極限承載力Table 5 The ultimate compressive bearing capacity for the second batch of test piles

SSP1和SCP1均為未注漿樁型，區(qū)別為有、無(wú)GFRP套管，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在達(dá)到極限承載力以前兩條曲線的斜率相似，SCP1的抗壓極限承載力較于SSP1提高了12.8%，說(shuō)明套管對(duì)樁基豎向承載性能的影響并不明顯。SCP1的斜率未發(fā)生明顯變化，判斷SSP1還未達(dá)到基樁的極限承載力時(shí)樁身發(fā)生了失穩(wěn)破壞，SCP1則達(dá)到了樁的極限承載力而發(fā)生破壞，說(shuō)明GFRP套管能夠增加樁體剛度，提高穩(wěn)定性。

SSP3承載力相較SSP1提高了169.2%，相較于SSP2提高了87.5%。注漿后螺旋鋼管樁的承載性能大幅度提升，說(shuō)明葉片將水泥凈漿與周圍土體拌和形成水泥土，能夠?qū)吨芡馏w加固。不僅提高了承載力，還能夠有效擴(kuò)大樁徑，提高樁基的穩(wěn)定性。

SSP4的抗壓極限承載力相較SSP3提高了14%，考慮到土質(zhì)間的差異以及螺旋葉片在淤泥層中的受力性能，處于較軟弱地層中的螺旋葉片對(duì)于抗壓極限承載力的提高主要是使得注漿漿液固化體直徑擴(kuò)大，使得樁身上部側(cè)摩阻力有所提升。推斷無(wú)葉片段漿液固化體直徑小于延長(zhǎng)段螺旋葉片漿液固化體直徑，進(jìn)一步證明了延長(zhǎng)段螺旋葉片起到擴(kuò)大樁徑的作用。

SSP4的抗壓極限承載力相較SSP5提高了9.1%，由于SSP5的上部樁身的葉片直徑小于SSP4，判斷承載力的差異主要是由注漿漿液固化體形成的直徑不同所造成的；SSP4與SSP5的承載力區(qū)別并不明顯，說(shuō)明在樁端部注漿漿液固化體直徑基本相同的前提下，由于在淤泥層中土體的不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低，樁身上部注漿漿液固化體提供的側(cè)摩阻力在總承載力中的占比較小，對(duì)總承載力的影響不顯著。葉片在成孔的過(guò)程中能夠?qū)吨芡馏w排開形成一個(gè)與葉片直徑有關(guān)的孔徑，由前面分析的SSP4和SSP5樁漿液固化體直徑導(dǎo)致承載力的差異，推斷鋼管樁漿液固化體直徑大小會(huì)受到上部樁身螺旋葉片直徑大小影響。

由圖8可見，第二批次注漿螺旋鋼管樁出現(xiàn)了兩種破壞模式：第一種為樁身整體失穩(wěn)，樁身向一側(cè)產(chǎn)生了較大的水平位移，包裹在樁身主軸鋼管的一層厚度為10～14 mm的水泥漿片與主軸鋼管整體剝落。由于水泥基注漿體與周邊土層之間漿液固化體性能較好，形成的水泥土漿液固化體強(qiáng)度較高，未出現(xiàn)水泥漿片與周邊土層的剪切破壞(圖8a)，與未注漿螺旋鋼管樁的失穩(wěn)破壞模式相類似；第二種則是頂部套管注漿結(jié)合體與周圍土層之間的剪切破壞(圖8b)，類似于柱狀體破壞模式，柱狀體斷面直徑約470～510 mm，約為套管外直徑的1.81～1.96倍。

a—破壞模式一；b—破壞模式二。圖8 兩種破壞模式Fig.8 The two types of failure modes

從現(xiàn)場(chǎng)第二批次試樁總體破壞規(guī)律來(lái)看，出現(xiàn)第一種破壞模式的樁型通常是無(wú)套管鋼管螺旋樁，其樁頭全部進(jìn)入持力層，螺旋葉片段注漿較為飽滿，形成的水泥土漿液固化體強(qiáng)度大，端部承載力較高。SCP1和SCP2均未出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，同樣驗(yàn)證了GFRP套管可提高樁體的穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，將第二批試驗(yàn)樁實(shí)測(cè)值與文獻(xiàn)[11]推薦算式的計(jì)算結(jié)果及FHWA推薦的注漿微型樁計(jì)算方法[4]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中，文獻(xiàn)[11]關(guān)于螺旋樁在飽和黏性土中的理論抗壓極限承載力計(jì)算式為：

QH=AHcNc

(1)

式中：QH為極限承載力；AH為螺旋投影面積；c為不排水抗剪強(qiáng)度；Nc為黏性土的抗壓承載力系數(shù)，計(jì)算中取9。

FHWA《微型樁設(shè)計(jì)和施工參考手冊(cè)》[4]中微型樁樁土約束極限承載力計(jì)算式為：

PG=αbondπDbLb

(2)

其中αbond=αSu

式中：PG為樁周極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，是約束長(zhǎng)度范圍內(nèi)注漿體與土間的側(cè)阻力；Db為鉆孔直徑；Lb為約束長(zhǎng)度；αbond為注漿體與土極限約束強(qiáng)度；α為系數(shù)，計(jì)算中取0.8；Su為土的不排水抗剪強(qiáng)度。

計(jì)算時(shí)，SCP2、SSP3、SSP4、SSP5鉆孔直徑Db，取樁尖螺旋葉片直徑(0.26 m)，計(jì)算約束長(zhǎng)度Lb時(shí)，取注漿孔至樁頂之間的長(zhǎng)度。

表6為實(shí)測(cè)值與文獻(xiàn)[11]及FHWA推薦方法[4]計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

表6 第二批次樁抗壓極限承載力對(duì)比Table 6 Comparisons of the ultimate compressive bearing capacity for the second batch of test piles kN

由表6對(duì)比可以看出：螺旋樁SSP1實(shí)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]極限承載力計(jì)算結(jié)果接近；SCP1實(shí)測(cè)結(jié)果比螺旋樁承載力計(jì)算值大，表明對(duì)于樁尖進(jìn)入較好持力層的螺旋樁，GFRP套管可以有效擴(kuò)大樁徑，提高樁身穩(wěn)定性，進(jìn)而提高承載力。

全段旋進(jìn)注漿樁型中，SCP2實(shí)測(cè)值約為計(jì)算值1.79倍，較SSP3提升了6.7%，套管對(duì)于樁徑擴(kuò)大效果有限；SSP4實(shí)測(cè)值為計(jì)算值1.92倍，較SSP5提升了9.1%，上部螺旋葉片對(duì)注漿漿液固化體直徑有影響。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可知：采用壓力旋進(jìn)注漿的螺旋樁，樁基平均試驗(yàn)結(jié)果是FHWA方法計(jì)算值的1.79倍，說(shuō)明FHWA建議的設(shè)計(jì)計(jì)算方法較為保守，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，并不適用于注漿螺旋鋼管樁極限承載力計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種新型注漿螺旋鋼管樁，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證成樁方法，研究樁基抗壓承載性能，主要結(jié)論如下：

1)成樁方法可行，旋進(jìn)注漿可顯著提高螺旋鋼管樁抗壓承載性能，螺旋葉片可以擴(kuò)大注漿體漿液固化體直徑，GFRP套管能夠有效提高樁身穩(wěn)定性。

2)注漿工藝與螺旋鋼管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)成樁質(zhì)量、樁基抗壓極限承載力以及破壞模式均有較大影響。

3)FHWA建議的設(shè)計(jì)計(jì)算方法不適用于注漿螺旋鋼管樁抗壓極限承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果較為保守。