桩端后压浆钻孔灌注桩提高桩基承载力的应用研究

焦清杰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102060)

1 引言

随着我国城市化进程和大交通的迅速发展，高层建筑和大型构筑物遍地开花，而其基础多采用桩基础，钻孔灌注桩是桩基础中的主要桩型。影响钻孔灌注桩单桩竖向承载力的因素很多，如桩端孔底沉渣厚度、桩孔侧壁泥皮厚度、桩侧土层分布及其力学性质、桩端持力层的强度和力学性质等[1]。研究提高钻孔灌注桩单桩竖向承载力，不仅可以提高单位体积混凝土的承载力，降低工程造价，还能缩短工期[2－3]。

灌注桩的承载性能与桩的几何尺寸、桩身强度、桩土间的相互作用效应有关，作用在桩顶的荷载应由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，故提高桩侧和桩端单位面积阻力，或增加桩侧面积和桩端面积，均能够提高桩的承载力。为达到提高桩基承载力的目标，往往通过增加桩长以增加桩侧面积、通过增大桩径或在桩端局部加大桩径来增加桩端阻力[4]。

桩端后压浆技术就是通过增加桩端面积及提高桩端面上的单位面积阻力以提高桩基承载力的方法，是利用压浆设备将改性浆液通过桩身预埋的压浆管压入到桩端(桩侧)岩土体的一种施工技术，具有适应性广、施工灵活、可靠度高、技术经济效果显著等优点。经过60多年发展，国内外科研人员、工程师围绕该技术已研发出不同注浆装置及相应注浆工艺，并对不同地层的桩端(桩侧)后注浆灌注桩的承载性能及加固机理进行了大量研究，取得了丰富成果[5]。

2 项目简介与桩基试验设计及施工

2.1 工程概况

温州市域铁路S1线灵昆车辆段上盖开发工程地层岩性主要由冲、湖海积的淤泥质土、砂卵石、砂及黏性土组成，60 m以内地层主要为淤泥类土、黏性土，60 m以下主要为砂卵石地层(见图1)。

图1 场地地层与后压浆桩基(单位:m)

该工程拟采用桩端后压浆钻孔灌注桩来提高单桩承载力，设计桩径1 000 mm，以④4卵石层作为桩端持力层，设计单桩承载力15 870 kN。

2.2 试验设计与施工

本次试验在现场施作3根桩端后压浆灌注桩，同时施作3根非后注浆灌注桩做对比分析。试桩桩身混凝土强度均为C40。各试桩设计、施工参数见表1。

表1 试桩设计及施工参数

采用正循环回旋钻机成孔，采用气举反循环进行二次清孔，清孔完成后混凝土采用导管水下浇筑。

注浆作业于成桩后7 d进行，注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。为改善浆液的流动性与稳定性，在浆液中加入管道压浆专用添加剂，水泥浆液的配比为水泥∶水∶添加剂 ＝1∶(0.4 ～0.5)∶(0.05～0.1)。

注浆参数主要包括浆液浓度、浆液配比、注浆速率、注浆压力和注浆量等[6]，其中注浆压力和注浆量为主要控制因素，合理确定注浆参数、控制注浆压力对提高单桩承载力效果十分重要[7]。本次试桩开始注浆压力控制在1～2 MPa，最大稳定注浆压力控制在5～6 MPa，注浆速率控制在10～15 L/min，各试桩注浆量(以干粉质量计)分别为 4.2 t、4.3 t、4.7 t。

3 竖向载荷试验与结果分析

通过单桩竖向静载试验获取荷载－沉降曲线(Q-S曲线)，在进行单桩竖向承载力试验时，根据安装于桩身侧面、桩底的钢筋计及土压力盒获取桩身内力与变形数据，以测定桩的分层极限摩阻力和极限端阻力值[8－9]。

3.1 桩基检测

桩身混凝土强度达到设计强度等级的70%时进行声波透射法检测。结果表明，所检测范围内的声学参数均无异常、波形正常，说明试桩均为Ⅰ类桩，桩身完整。

本次试桩载荷试验由主、次梁搭成堆载平台，混凝土块配重构成加载反力系统，加载采用2台10 000 kN油压千斤顶，通过电动油泵驱动加载，千斤顶的中心与试桩中心重合。试桩的沉降变形，通过4只对称布置于桩顶的位移传感器测量。同时通过在钢筋笼主筋上布设振弦式钢筋应力计来测试整个桩长范围内不同深度处的桩身轴力、侧摩阻力分布规律以及桩端阻力。

采用慢速维持荷载法进行试验，其中加载过程采用逐级等量加载，卸载过程采用逐级等量卸载，见表2。

表2 试桩加载及卸载分级情况

3.2 荷载－沉降(Q-S)试验结果

本次试桩的单桩竖向抗压极限承载力检测结果见表3，载荷－沉降(Q-S)曲线对比见图2(限于篇幅，下文针对后压浆灌注桩中编号为SZ1002的一根试桩、非后压浆灌注桩中编号为SZ1002a的一根试桩测试成果进行对比分析)。

表3 单桩竖向抗压极限承载力检测结果

图2 桩端后压浆试桩与未压浆试桩载荷－沉降(Q-S)曲线

通过载荷－沉降(Q-S)曲线图，结合表3中测试成果可以看出:

(1)对于成桩条件相同的单桩，未压浆灌注桩的Q-S曲线呈陡降型，极限承载力特征值明显；而后压浆灌注桩的Q-S曲线呈缓变型，极限特征点不明显。

(2)桩顶荷载小于10 000 kN时，同一桩顶荷载作用下，未压浆桩与压浆桩的沉降变形大致相同。根据桩顶荷载的传递机理，荷载较小时桩顶荷载主要有浅部地层侧摩阻力承担，桩端后压浆施工的灌注桩上部土层力学性质未得到改善(根据《建筑桩基技术规范》，单一桩端后注浆时，竖向增强段为桩端以上12 m)，故桩顶荷载较小时两种桩型的沉降大致相同。

(3)桩顶荷载大于10 000 kN时，同一桩顶荷载作用下，未压浆桩的沉降变形大于压浆桩的沉降变形。据桩顶荷载的传递机理，随着荷载的增加，桩土相对位移增大，桩侧摩阻力发挥到极限后荷载一部分由桩端阻力承担，后压浆灌注桩的桩端在注浆的作用下桩端土层得到加固，力学性质有所改善，沉降量得以明显减小。

(4)从表3测试结果可知，后压浆灌注桩的承载力比未注浆桩的承载力有很大提高，提高比例约30%[10－11]。

3.3 桩端内力测试

试验过程中记录每级荷载作用下桩顶竖向位移、不同深度处桩身应变，据此可进一步确定单桩竖向抗压承载力极限值与每级荷载作用下桩身内力分布。各级荷载作用下两种桩型桩端阻力测试结果见图3。

图3 各级荷载作用下桩端承担荷载对比

(1)相同桩顶荷载作用下，未注浆桩端承担荷载比注浆桩端承担荷载大，这与注浆桩桩侧阻力增强(相同桩顶荷载下，注浆桩桩侧阻力承担荷载比例较大)有关。

(2)未注浆的灌注桩在破坏荷载14 040 kN作用下端阻力达到最大值，但此时桩顶沉降量已达77.8 mm。极限荷载12 960 kN作用下端阻承担荷载2 927 kN，相应的桩端持力层极限端阻力标准值为3 729 kPa。

(3)后注浆桩在极限荷载16 370 kN作用下端阻力达到最大值，端阻达到荷载4 183 N，相应的桩端持力层极限端阻力标准值为5 328 kPa，比未注浆桩极限端阻力标准值提高43%(即端阻力增强系数为1.43)[12]。

(4)随荷载增大，桩端阻力呈明显增大趋势，因此选择合适的桩基持力层和保障桩身下部的施工质量非常重要。

4 讨论

桩底后压浆在注浆过程中胶结固化桩端土，对桩端底部地层进行压密，同时浆液沿桩侧上返加固桩侧土，形成桩底“复合地基”持力层。其提高单桩承载力的机理可概括为以下两个方面:

(1)后压浆对桩底周围地层进行渗透、压密、劈裂和胶结钙化，改善了桩底土层(包括扰动土、沉淀土、孔口与孔壁回落土等)的组成结构，增大了桩端的承载面积，提高了桩端持力层极限端阻力。

(2)后压浆浆液沿桩壁泥皮向上渗透使部分桩侧土得到加固，改善了桩侧泥皮与桩侧土体的应力松弛，使得桩侧阻力得到提高。

5 结论

本文从桩底后压浆加固机理出发，从桩基承载力理论分析入手，通过工程实例，从静载荷试验曲线、桩身轴力传递等方面对桩底后压浆的荷载传递性状进行分析，旨在对比分析桩底后压浆工艺在力学性能方面的优势。通过研究得到如下主要结论:

(1)采用后压浆工艺可显著提高以砂卵石层作为持力层的钻孔灌注桩承载力，在本工程场地条件下可提高承载力约30%。

(2)采用桩底后压浆技术可减少桩基沉降，减少群桩基础的不均匀变形。

(3)实施桩端注浆后，桩端土层得到注浆加固，桩端阻力得以提高，在本工程场地条件下桩端极限端阻力提高43%。