后注浆超长大直径钻孔灌注桩承载性能试验研究

2015-03-23高子珺吴祖咸

浙江建筑 2015年10期

高子珺，吴祖咸，张卉

GAO Zijun1，WU Zuxian2，ZHANG Hui3

(1.杭州市居住区发展中心有限公司，浙江杭州310016;2.国网浙江省电力公司经济技术研究院，浙江杭州310012;3.浙江同济科技职业学院，浙江杭州311231)

随着高层、超高层建筑和大跨度桥梁桩基的施工，钻孔灌注桩得到了越来越广泛的应用，尤其是在软土地区，超长大直径钻孔灌注桩大量涌现。超长大直径桩虽然具有单桩承载力高的优点，但是这类桩荷载传递机理不同于普通桩，工程中超长桩的设计计算方法仍然采用普通桩基理论，这究竟会给工程带来多大问题?有待我们作进一步探讨。

《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》［1］定义桩径D≥800 mm 为大直径桩，给出了大直径桩侧阻力、桩端阻力尺寸效应系数，但是对超长桩尚未作出规定，超长桩的理论研究远远落后于实际工程应用。目前工程实践一般认为桩长径比L/D≥100 或者桩长L≥50 的桩为超长桩［2-3］。超长大直径桩的大量应用，需要我们重视其理论研究。本文通过对3 根超长大直径桩采用两种静载试验方法得到的静载试验数据进行整理分析，以揭示了软土地区超长大直径桩灌注桩的受力特性，可供同类桩理论分析和工程设计作参考。

1 试验概况

1.1 工程概况

浙江沿海某工程，建筑物主楼为23 层，裙房4层，地下室2 层，建筑面积为46000 m2，采用框架-剪力墙结构，基桩均为钻孔灌注桩。场地内地基土在勘察深度内分为9 个工程地质层，各土层主要物理力学性能指标见表1。

本工程基础设计采用600 mm(抗拔桩)、700 mm、1000 mm、1200 mm 等4 类钻孔灌注桩。本文主要讨论后两种直径灌注桩:57#桩(D =1000 mm)桩长约65.7m，进入卵石持力层1600 mm，设计单桩竖向承载力特征值6400 kN;103#桩(D =1200 mm)桩长约66.44 m，进入⑨-2 层卵石持力层2000 mm，设计单桩竖向承载力特征值8400 kN;153#桩(D =1200 mm)桩长约66.44 m，进入卵石持力层3600 mm，设计单桩竖向承载力特征值8400 kN;桩身混凝土设计强度均为C30。

表1 土层及其物理力学性能指标

桩基施工完成后对桩径D≥1000 mm 采用桩端后注浆。每根桩对称安放2 根DN32 注浆管，注浆管下部设置500 mm 喷头，出浆孔直径8 mm，外套橡胶内套，注浆管超出钢筋笼50 mm，混凝土达到龄期后开始注浆。注浆过程采用控制单桩水泥用量和注浆压力的双控措施以确保注浆质量，注浆终止后必须进行憋压，持续至压力自然消失。首先用清水开塞，工程桩的开塞压力在1～4 MPa。考虑到浆液的可注性，本工程采用的浆液浓度为:注浆初始阶段采用水灰比为0.8，而后逐步提高达到0.5。注浆量不满足时，采用稳压间隔式注浆工艺。最后注浆压力达到4 MPa，注浆水泥用量为3000 kg/m3(D =1000 mm)、4000 k/gm3(D=1200 mm)。

1.2 试验方法

本工程中静载试验采用两种方法，153#桩采用自平衡静载试验，其余两根桩采用堆载试验。

自平衡静载试验方法，在距离桩端2 m 左右位置放置一能够提供最大加压值为60 MPa 的荷载箱，将高压油管与位移棒引到地面。试验时，从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上与向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力与端阻力来维持加载。在地面上安置基准钢梁，用于固定5 只百分表，其中2 只用于量测桩身荷载箱处向上位移，2 只用于量测桩身荷载箱处向下位移，1 只用于量测桩顶位移。加载时采用慢速维持荷载法，加载方法和沉降稳定标准参考相关规范规定执行。

堆载试验采用钢质伞形架圆形加载，桩顶设置4 个千斤顶，通过油泵加载，加载时采用慢速维持荷载法，加载方法和沉降稳定标准参考相关规范规定执行。桩顶沉降由4 个对称设置于桩顶的大量程百分表测定。

2 试验结果分析

2.1 堆载试验结果

图1、图2 为工程桩57#、103#桩顶处荷载-沉降关系曲线。由于试桩采用的是工程桩，荷载仅加到桩设计荷载的两倍即停止试验，桩没有达到破坏。从荷载沉降曲线可以看出，两根桩的Q-S 曲线呈缓变型，当加载到设计要求的最大试验荷载时，没有出现明显的向下转折段，也没有出现拐点，即没有达到极限状态。表2 为各试桩静载试验结果，从表2 可以看出，两种直径桩在最大试验荷载作用下沉降量都在8 mm 左右，残余沉降量也基本一致。桩端注浆使得沉降量减小，并且在设计要求荷载下桩沉降均匀，桩端注浆在大粗粒(卵石)持力层应用效果比较明显。

图1 注浆后57#桩Q-S 曲线

图2 注浆后103#桩Q-S 曲线

表2 试桩静载试验结果

在文献［2 - 4］中长桩都是由于过量沉降(＞40 mm)而破坏，长桩承载力大部分都是由桩侧摩阻力承担，而桩端几乎不承担，一般认为长桩为摩擦桩。本文通过对桩底注浆，可以看出虽然桩顶沉降值较小，但是注浆后桩端承载力先于非注浆桩发挥，使得轴力沿桩身传递较慢，桩顶沉降主要以桩身压缩为主，这说明在大粗粒(卵石)持力层桩端注浆能够改变长桩的承载力特性，能使得长桩由摩擦桩变为端承摩擦桩，从而大大提高了桩的极限承载力。

2.2 自平衡试验结果

对注浆后的153#桩进行自平衡静载试验，得到的荷载位移曲线见图3。根据位移协调原则，采用传统转换法将自平衡实测向上、向下两条荷载位移曲线转换成传统桩顶荷载位移曲线，见图4［4］。

图3 注浆后153#桩Q-S 曲线

图4 153#桩等效转换Q-S 曲线

从图3 可以看出，在荷载箱压力作用下，153#试桩上、下桩段的位移均呈渐变发展，由于超过加载能力而终止，荷载加至最大时未出现破坏迹象，荷载位移曲线为缓变型。上桩段在最大试验荷载作用下位移为1.69 mm，下桩段最大位移为23.12 mm。卸载后上、下桩段的位移回弹率分别为33.14%、36.29%。这些迹象显示上、下桩段均没有进入塑性破坏状态。从等效转换荷载位移曲线可以看出，桩的Q-S 曲线呈缓变型，当加载到最大试验荷载时，没有出现明显的向下转折段，也没有出现拐点，即没有达到极限状态。

从图4 可以看出，采用传统转换法转换的荷载位移曲线与103#桩实测荷载位移曲线基本相同，转换系数为K=1.25，在文献［4］所列的1～1.6 之间。自平衡试验在工程应用中采用传统转换法已能满足工程要求。还可以看出，注浆后桩的实际承载力远大于设计要求，本工程桩基偏于保守，需要优化。

3 经验公式计算结果

根据地质勘探报告提供的数据，利用《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》第5.3.6 条大直径桩单桩极限承载力计算公式:Quk= Qsk+ Qpk=u∑ψsiqsikli+ ψpqpkAp，我们可以计算出理论的非注浆灌注桩的单桩承载力，见表3。

表3 经验公式计算结果

从表3 可以看出，由理论经验公式计算的后注浆钻孔灌注桩的极限承载力比未注浆的钻孔灌注桩极限承载力提高30%左右，直径越大越明显;故在工程中采用大直径灌注桩时考虑后注浆对提高单桩极限承载力效果非常明显。同时，153#桩通过加大试验荷载后桩仍然没有破坏，并达到了比较理想的试验结果。故将经验公式计算结果与静载试验结果进行比较，不难发现，静载试验所得结果比理论计算结果明显较大，这就说明本工程实际承载力远大于设计要求，偏于保守。