旋挖灌注桩桩底沉渣缺陷处理后受力性能分析

陈 秀 辉

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350025； 2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025)

随着经济社会发展和桩基础施工技术水平的不断提升，旋挖成孔灌注桩相较于传统的冲、钻孔灌注桩以其成孔速度快、工作效率高、低噪声、低污染、适用地层广泛等优点，目前在各类工程建设项目中被广泛使用。但实际施工过程中发现由于旋挖成孔清渣不完全、成孔速度过快、后注浆堵管、后注浆压力不足等原因，往往造成桩底沉渣过厚。近些年，国内许多专家学者运用各种现场试验及数值模拟手段，分析了不同情况下沉渣对基桩承载力的影响[1-5]；而宋林辉等[6]、梅国雄等[7]通过室内模型试验，得出沉渣压实后群桩的承载力可以恢复至正常值，而带承台的摩擦型桩基础中的沉渣对承载力影响较小；武崇福等[8]通过数值模拟结合现场试验研究注浆对旋挖灌注桩的影响，得出桩端桩侧联合注浆效果最好，其次为桩端注浆，最后为桩侧注浆；熊玉春[9]通过现场试验研究了桩底沉渣对桩侧阻力具有强化弱化效应，沉渣较厚或持力层强度较低侧摩阻力往往产生弱化效应，沉渣较少或持力层强度较高时侧摩阻力又往往产生强化效应。

沉渣的存在，对灌注桩承载性能有较大影响，会使得单桩承载力下降，桩顶沉降明显，因此桩底沉渣对灌注桩力学性能的影响显得尤为重要，而工程中遇到的多数沉渣问题都是通过洗孔注浆法进行处理[10-12]，也取得了不错的效果，然而实际处理过程中由于沉渣的厚度不同、处理后的沉渣置换区域强度的差异对基桩承力的影响的大小，此类研究依旧很少，需要进一步的研究和完善。

1 工程及地质概况

福建南平地区某房建项目，基础设计采用旋挖钻孔灌注桩，桩身混凝土强度为C40，有800 mm、1 000 mm、1 200 mm三种桩径，持力层为中风化砂岩，桩端进入持力层大于1 m，桩长均为10 m左右的短桩。为了提高基桩承载力，降低桩顶沉降，桩基础配合使用桩端后注浆工艺，对桩端土体进行加固，单桩竖向抗压承载力特征值根据桩径不同分别为4 300 kN、6 800 kN、9 600 kN三种。地层从上到下依次为：杂填土、素填土、粉质黏土、全风化砂岩、砂土状强风化砂岩、碎块状强风化砂岩、中风化砂岩，场地地层及其物理力学参数指标见表1。

表1 土体物理力学参数

2 现场检测

施工结束后对旋挖成孔灌注桩进行低应变、单桩竖向抗压静载试验等桩基检测，发现部分嵌岩桩低应变曲线异常，如图1所示的511#桩桩底时域反射信号呈单一反射波且与锤击脉冲信号同向，该工程同样混凝土强度下低应变波速为3 800 m/s左右，而511#桩低应变波速只有3 474 m/s远小于正常值，推测此类桩底沉渣较厚，建议对此类桩采用钻孔取芯法进行验证。

图1 511#桩低应变时域曲线

图2为511#桩钻孔取芯验证结果，从图中可以看出桩身连续完整，持力层为完整的中风化砂岩，但桩底有明显沉渣且厚度达17 cm，超规范要求的5 cm。针对此类情况进行扩大检测，使用低应变、声波透射法等进行了全面普查，结果显示异常桩达总桩数34.8%。为了进一步验证异常桩的桩端性状及为后续的沉渣处理做准备，对异常桩均进行了钻孔取芯试验，取芯结果表明87.5%的异常桩存在沉渣过厚或桩底未达持力层等情况。通过以上现场试验综合运用准确排查出了桩底沉渣过厚的基桩为后续沉渣的处理提供了依据与条件。

图2 511#桩钻孔取芯验证结果

3 沉渣处理

经过探讨研究后，决定使用二重管高压洗孔注浆方案对沉渣进行处理。其施工工艺大致为：对于沉渣过厚且需要处理的桩，在原有取芯孔的基础上再加钻一个孔，高压洗孔时一个作为进水孔一个作为出水孔，两孔均应进入中风化砂岩不少于1 m。洗孔时对桩端缺陷段进行重复高压空气、高压水反复喷洗，做到尽可能的清除桩端与持力层间的沉渣颗粒，高压洗孔的气压不应低于0.7 MPa，水压最好大于30 MPa，当孔口上返为清水时即可结束洗孔。然后对两个取芯孔埋设2根DN15注浆花管，花管底部及侧面开孔，待孔口封闭后即可开始高压注浆，注浆压力至少2.5 MPa，最终满足设计要求即可终止注浆。

二重管高压洗孔注浆处理后为了验证处理后桩基础质量，对处理后的桩基础全数进行了低应变复检，并对部分桩基础进行钻孔取芯抽检及静载试验验证。从图3—图6沉渣处理前后244#、517#、519#桩的低应变及钻孔取芯试验结果对比发现，经过二重管高压洗孔注浆处理后的效果明显更好。低应变复检发现很多异常桩桩底已经没有明显同向反射，而呈现桩底更好的反向反射；钻孔取芯验证发现处理后桩底沉渣均被混凝土所置换，244#桩胶结完好，517#、519#桩上下形成明显二次胶结面，对比可知桩底缺陷越大的注浆效果越完整，缺陷小的完整性略差。

图3 244#、517#、519#桩处理前后低应变对比图

通过截取沉渣置换区域的芯样到实验室进行芯样抗压试验，从表2的沉渣置换区域芯样抗压结果看出沉渣最厚的244#桩芯样抗压强度达43.2 MPa与桩身强度相符，沉渣最小的519#仅有10.1 MPa与设计桩身强度相差甚远。沉渣越厚处理后芯样抗压强度越高，表明由于桩底的空间大小对于高压洗孔及后续的高压注浆有很大影响，尤其是狭小的空间不利于高压水流洗孔，并影响了高压注浆后的强度。

图4 244#桩钻孔取芯前后对比图

图5 517#桩钻孔取芯前后对比图

图6 519#桩钻孔取芯前后对比图

最终通过静载及高应变试验验证了处理后基桩承载力情况，试验结果均满足设计要求，所以通过各种桩基检测试验综合分析、相互验证得出二重管高压洗孔注浆处理后的成桩效果良好。但是，由于桩底沉渣厚度差异、地层的差异及沉渣成分的不同，往往导致处理效果差异很大，表现在芯样抗压强度差异明显，而对于依靠端阻力承受荷载的短桩，沉渣处理的好坏直接影响了桩的受力性能，所以为了探究沉渣置换区域强度差异、厚度差异、桩底扩大头的差异对基桩受力性能影响有多大，我们通过数值模拟做了进一步的研究。

表2 244#、517#、519#桩沉渣置换区域芯样抗压结果

4 数值模拟

4.1 参数选取

以沉渣处理后517#桩为例开展研究，图7为517#桩有限元的模型装配图，根据模型和变形受力特点建立以桩中心为对称轴的三维轴对称模型。桩长9.3 m，沉渣厚度0.2 m，桩径1.2 m；土体深度取桩长2倍(19.0 m)，土体为桩半径30倍(18.0 m)的半圆柱，成桩后对桩顶施加竖向力以模拟单桩竖向静载试验。

图7 模型装配图

模型中灌注桩简化成刚体模型，土体及沉渣采用的是Mohr-Coulomb模型。混凝土弹性模量根据规范[13]选取，土体弹性模量根据地勘资料及现场试验情况适当选取，517#桩地层分布从上到下依次为：全风化砂岩、砂土状强风化砂岩、碎块状强风化砂岩、中风化砂岩。桩与土接触面设置面与面的接触类型，切向方向采用罚函数接触并根据不同土层设置摩擦系数，法向方向采用“硬”接触，保证接触面的应力传递，模型中具体物理力学参数取值见表3。

表3 桩、土及沉渣置换区域物理力学参数取值

4.2 计算结果与现场试验结果对比

图8中给出了沉渣处理后517#桩静载实测值与模拟值的Q-S曲线，从图上可以看出两者的沉降在前半部分荷载下基本重合，变形趋势基本一致，随着荷载的增加模拟桩顶沉降量略大于现场实测值。现场实测加载至11 520 kN时位移小幅走大后又趋于平缓，应该是沉渣置换区域由于荷载增大破坏了沉渣置换区域水泥的胶结结构，而由于沉渣置换区域强度高、刚度大，重新压实后位移变小。数值模拟得出的累计沉降量为54.73 mm，现场试验累计沉降量为45.83 mm，根据规范[14]两者均能满足设计的19 200 kN极限承载力要求，计算结果与现场试验结果基本吻合。

4.3 沉渣置换区域强度差异对承载力影响

钻孔取芯后的沉渣置换区域芯样抗压差异很大，理论上若沉渣置换区域弹性模量不小于持力层，基桩的承载力应该均能满足设计值，但是体现在沉降上的差异有多大不得而知。所以在原模型的基础上只改变沉渣置换区域弹性模量来研究此类差异对基桩承载力的影响，设置方式见表4。

图8 静载实测值与模拟值Q-S曲线对比

表4 不同工况下对应弹性模量

图9中可以看出，沉渣置换区域随着强度的减小E1-E3沉降曲线基本重合，E4、E5沉降曲线接近且大于前三条，这与对应弹性模量设置密切相关，虽然E4、E5弹性模量明显小于前三者，但是引起的沉降并没有明显差异，尤其是E5当强度降到持力层的60%后对沉降的影响仍然有限，所以沉渣置换区域强度应该是存在某一阈值，当强度到达某一阈值后再提高强度对桩的性能提高并不明显。

图9 弹性模量差异下荷载-沉降关系曲线

4.4 沉渣置换区域厚度对承载力影响

由于实际工程中沉渣厚度差异很大，为了对比沉渣厚度对承载力的影响，在强度差异的基础上增加了30 cm、50 cm沉渣工况下对基桩承载力的影响进行对比研究。

图10可以看出当沉渣置换区域厚度达到30 cm时，沉降的差异逐渐体现，随着弹性模量的降低沉降量逐渐增大，但增幅有限最大的沉降也未超过60.00 mm。图11当厚度达到50 cm时，弹性模量降低引起的沉降就更加明显，尤其是E4、E5最大沉降均超过60.00 mm，但是数据上的增幅并不明显。所以当沉渣厚度增大且沉渣置换区域强度减小时虽然会引起沉降的增大，端承受力短桩只要持力层强度不低，且沉渣置换区域有足够强度不发生结构性破坏，就不至于引起影响承载力明显沉降的情况。

图10 30 cm厚弹性模量差异下荷载-沉降关系曲线

图11 50 cm厚弹性模量差异下荷载-沉降关系曲线

4.5 沉渣置换区域扩大头对承载力影响

二重管高压洗孔注浆处理通过长时间高压洗孔及高压注浆，不仅仅置换了桩底沉渣，也能进一步对桩底高压范围进行加固补强，为了模拟这一工况，我们对沉渣置换区域进行扩大，即在原有模型基础上对沉渣置换区域直径进行扩大处理，模型桩桩径1.2 m，设置了1.2 m、1.6 m、2.0 m三种扩大头。有学者研究得出当沉渣厚度大于30 cm时，桩端阻力降低幅度明显[15]，故统一设置沉渣置换区域厚度30 cm进行对比研究。

图12 不同扩大头影响下荷载-沉降关系曲线

图12可以看出，扩大头的增大对沉降的影响非常明显，1.6 m的扩大头沉降相较于1.2 m减小了10%，2.0 m的扩大头沉降相较于1.2 m的减小了28%。而1.6 m的扩大头在最后一级加载中沉降速率明显增大，应该是扩大头部分在受压过程中因结构破坏而产生刚度弱化[9]而地下有限空间的三相土压力使得结构破坏经充分压实后又产生刚度强化，不至于发生明显沉降。这也就很好的解释了为何现场实测沉渣处理后的517#桩静载沉降数据比模拟沉降小。故二重管高压洗孔注浆不仅对沉渣区域进行了置换，还能对持力层及周边土体进行加固，并扩大了桩端受力区域。

5 结 论

(1) 不同的桩基检测方式综合运用，不仅可以很好的发现端承旋挖桩的桩底缺陷，还可以有效的验证沉渣处理后的效果，尤其对短桩的检测试验效果尤其明显。

(2) 使用二重管高压洗孔注浆可以对沉渣进行很好的处理，通过试验对比沉渣厚的桩沉渣置换区域完整性及强度都要好于沉渣少的。

(3) 通过数值模拟可以发现沉渣置换区域厚度越大受力引起沉降越大，沉渣置换区域强度应该是存在某一阈值，当强度到达某一阈值后再提高强度对桩的承载力性能提高并不明显，而高压注浆引起的桩端持力层及桩周土体强度增强，桩端受力区扩大等对桩的承载力增强明显。