软弱地层管桩承载力提升试验研究

徐 军 蓝 天 朱言灯 薛永江

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海建工七建集团有限公司 上海 200050

临河临海地区的地基多为软土层[1]，地质条件差，难以满足建筑所需求的承载力要求。自20世纪80年代，我国从发达国家引入PHC管桩[2-4]预制技术以来，管桩以其经济效益高、质量可靠、承载力高、适应性广等优势被大量应用于软土层桩基施工。但随着社会发展，较大综合体以及高层建筑的需求逐渐增多，为达到设计承载力，并减轻不良地质的影响，桩基的密集程度越来越大，从而产生群桩效益，在经济效益及施工便利上存在不足。为了加固桩端地层，提高桩基础的承载力，修复部分桩身缺陷，桩底及桩侧后注浆技术[5-8]近年来应用广泛，并取得了一定的成果。本文通过实际工程应用，采用高压旋喷的方式，向桩端和桩侧后注浆，从而增强桩端附近软土层的承重能力、增加桩端的受力面积，大幅增加PHC管桩设计承载力，达到减少总体桩数量或减少桩长的目的，收获经济效益。

1 工程概况

本工程位于上海市浦东新区国际医学园区西南角地块，拟建场地东至学院河、南至紫萍路、西至天雄路、北至景观横二河，整个场地用地面积约18万 m2，总建筑面积约为42.5万 m2。其中，地上建筑面积约34.5万 m2，地下建筑面积约8万 m2。

桩基工程所涉及的单位工程有：行政楼、档案校史馆、AI医学研究中心、信息中心、 教师生活综合楼南楼、教师生活综合楼中楼、教师生活综合楼北楼、图书馆等。

上海地区位于长江三角洲入海口东南前缘，按上海地貌单元分区图，拟建场地位于滨海平原地貌单元。根据勘探资料，场地内土层自上而下可划分为9大层及若干亚层，其中①1层为填土层，②1层～⑤1层为全新世Q4沉积层，⑥层～⑨层为晚更新世Q3沉积层。拟建场地外分布有学院河、五灶港、景观纵二河及景观横二河，场地内分布多条明浜及暗浜，土质较差，要求桩基工程提高地基承载力，以满足设计标准。

工程桩采用预应力混凝土管桩（PHC管桩），桩径为500 mm和600 mm，桩长21～46 m多种（二节桩、三节桩），共计5 220根工程桩，桩尖入第⑦1层砂质粉土2 m，部分单体入第⑦2灰黄-灰色粉砂层。单桩竖向承载力特征值为1 000～2 350 kN。单桩竖向抗拔承载力300～1 000 kN。

根据勘察结果、相邻区域工程的施工经验、设计给定的桩承载力分析结果，本工程地基土第⑤1层以上均为第四纪饱和软土层， 沉桩阻力很小，当桩基施工进入⑥号土层（暗绿-草黄色粉质黏土），沉桩阻力逐渐增大。局部位置在送桩最后阶段，沉桩阻力瞬时减小。

2 试验方案

通过高压旋喷的方式，向现有PHC管桩桩底注浆，桩底注浆旋喷半径为1.2 m，旋喷桩高度2.0 m。该方法可以有效改变桩端附近土的性质，并增加桩端的受力面积，大幅增加PHC管桩设计承载力，从而达到减少总体桩数量或减少桩长的目的。

本次试验测试范围选择在历史核心区的AI研究中心进行，理由如下：

1）本工程施工范围内只有AI研究中心桩基且全是抗压桩，无需考虑抗拔影响。

2）AI研究中心无地下室，考虑整体施工流程，可最晚进行施工，有利于后续的试桩数据收集。

AI研究中心桩基详情如表1所示。

表1 AI研究中心桩基概况

根据AI研究中心处物探探孔详图，桩基伸入至7①层（灰黄-灰色黏质粉土与粉质黏土互层）6.19 m，7①层厚度为11.2 m，桩长35 m。

本次试验桩采用ZYC800B型全液压静力压桩机进行顶压施工，参照AI医学研究中心工程桩的单桩抗压承载力设计值1 000 kN，以桩端设计标高为主，以单桩抗压极限承载力标准值为辅。试验桩与工程桩平面位置相近，土层分布及性质相差不大，确保试验结果更具有代表性（图1）。

图1 试验布桩示意

试验共2组，第1组试验采用桩长36 m的管桩，桩型为PHC 500-AB-125-12-12-12，第2组试验采用桩长31 m的管桩，桩型为PHC 500-AB-125-11-10-10。压桩完成后，通过PHC管桩中心伸入高压旋喷桩钻杆至桩底，在桩底2 m范围内进行旋喷加固（图2），单桩水泥用量为2 t，施工完成28 d后分别进行静压荷载破坏性试验，将2组PHC管桩的单桩竖向抗压极限承载力与AI医学研究中心的单桩抗压极限承载力（2 000 kN）进行比较。

图2 试验桩入土深度

3 施工与检测

3.1 现场旋喷注浆试验施工

1）采用静压法沉桩工艺。沉桩前的桩位定位，需要检查各轴线交点的距离是否与桩位图保持一致，无误后用直角坐标或极坐标法测放样桩。压桩机按照额定总重配置压重，压桩前检查桩机设备、抱压器、桩帽、桩垫及桩身的完好情况。桩尖定位偏差应小于2 cm；第1节桩插入时垂直度偏差不得超过0.3%，之后桩身垂直度偏差不得超过0.5%，成桩后桩顶标高不得高于桩顶标高设计值，顶标高的允许偏差控制在±50 mm；采用CO2气体保护焊接桩，接桩时焊接按图集及规范要求进行，上下节桩间的缝隙用铁片垫密焊实，焊接时先点焊固定，然后对称施焊，焊缝应连续饱满，不得虚焊漏焊，焊好的接头自然冷却完全后，再进行压桩，接桩在离地面1 m左右进行，上下桩的中心线偏差不大于2 mm，桩身弯曲矢度不得大于桩长的1/1 200，且不大于20 mm；接桩就位时，须在下节桩头设置导向箍，确保上、下2节桩对正、接直。当静力压桩桩端进入持力层，达到综合确定的压桩力要求但未至设计标高时，宜稳压1～2 min，沉桩施工时派专人做好施工记录，在压桩过程中要认真记录桩入土深度和压力表读数的关系，以判断接桩的质量及管桩整体的承载力，当下沉到设计标高或载荷2倍于设计值时，记录最后的压力值。以控制桩端设计标高为试验桩停压控制原则。

2）PHC管桩打设完成后，通过PHC管桩中心进行高压旋喷施工，试验桩桩底加固选用XP-25/35A型高压旋喷桩机、SYB50-45Ⅱ型注浆泵、30A型螺杆式空气压缩机，采用双重管工艺，高压旋喷桩桩径1 200 mm，桩长2 m，注浆压力为35～40 MPa，水灰比为1.0，采用42.5级普通硅酸盐水泥，用量为500 kg/m3。

3）施工完成后第28 d进行静载试验，分析对比不同工艺桩基设计承载力。

3.2 试验桩检测

在PHC管桩桩底高压旋喷桩施工完成28 d后进行静载试验，根据检测结果记录PHC管桩试桩的单桩竖向抗压极限承载力，统计并分析PHC管桩承载力检测结果。

3.2.1 检测方法

检测方法采用慢速维持荷载法。检测工具：压重平台反力装置、静载测试仪。

1）静载试验在地面进行，所有试桩需接至自然地面进行。一般试桩高出自然地面约0.5 m。

2）抗压试验桩桩顶加固处理。在开口PHC管桩试桩桩顶内，将十字加劲肋焊接于试桩内钢管壁，桩顶采用一块厚度4 cm的钢板，焊接在试桩顶上。

3）检测方法采用堆载法进行。

3.2.2 试验过程

1）加载分级。根据设计、委托方和规范要求，荷载按十级划分，逐级等量加载，首级（第1级）荷载取2倍级差加载，慢速维持荷载法实施时，每级荷载在维持过程中保持数值的稳定。

2）沉降观测。沉降测读时间：每级荷载施加后1 h内5次测读试桩沉降量，分别是第5、15、30、45、60 min，慢速维持荷载以后每隔0.5 h测读1次，当沉降速率达到相对稳定的标准时，进行下一级加载。

3）沉降相对稳定判断标准：沉降量不大于0.1 mm/h，并连续出现2次。

4）终止加载条件：

① 当试桩在某级荷载作用下的沉降量相较于前一级荷载沉降量，比值大于5时，终止加载。

② 当试桩在某级荷载作用下的沉降量相较于前一级荷载沉降量，比值大于2，且经24 h尚未稳定，终止加载。

③ 达到设计要求的最大加载量且沉降趋于稳定，或已达到反力装置提供的最大加载量或桩身已出现明显的破坏现象。

④ 荷载-沉降曲线呈缓变形时，应按总沉降量控制；当桩长≤40 m时，总沉降量根据设计要求按45 mm控制。

5）卸载及卸载沉降观测。每级卸载量取加载量的2倍，卸除每级荷载后慢速维持荷载60 min，分别在15、30、60 min测读沉降量。最后一级卸载至零后维持荷载3 h左右，以测读稳定后的残余沉降量。

3.3 试验结果

本次试验桩达到检测强度后，进行单桩竖向抗压静载试验，采用慢速维持荷载法，预估最大试验荷载为4 000 kN。加载分级进行，且采用逐级等量加载；桩长36 m的分级荷载为256 kN，桩长31 m的分级荷载为216 kN。其中，第1级加载量取分级荷载的2倍，从第12级开始每级按分级荷载的1/2加载；卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，且逐级等量卸载；加载、卸载时，应使荷载传递均匀、连续、无冲击，且每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的±10%。

当试桩在某级荷载作用下的桩顶沉降量大于前一级荷载沉降量的5倍且总沉降量大于100 mm时终止加载，记录竖向承载加载值。

根据检测结果，第1组试验桩型PHC 500-AB-125-12-12-12，通过桩底旋喷加固，单桩竖向抗压极限承载力值为2 816、3 072、3 072 kN，平均值为2 987 kN；第2组试验桩型PHC 500-AB-125-11-10-10，通过桩底旋喷加固，单桩竖向抗压极限承载力值为2 700、2 592、2 700 kN，平均值为2 664 kN。具体如表2所示。

表2 试验结果汇总

通过试桩静载荷检测数据，可以得出φ500 mmPHC管桩在桩底标高相同，且桩底进入同一持力层相同深度的情况下，桩长36 m的管桩通过桩底加固，单桩抗压承载力极限值与单桩抗压承载力比值为40.8%～53.6%；顶标高不变，将管桩入土深度缩短5 m，桩长31 m的管桩通过桩底加固，单桩抗压承载力极限值与单桩抗压承载力比值为29.6%～35.0%，可见对静压桩进行桩底旋喷加固可提高单桩承载能力。

第1组单桩竖向抗压极限承载力平均值为2 987 kN，相比于原桩单桩竖向抗压承载力标准值提高49.3%，第2组单桩竖向抗压极限承载力平均值为2 664 kN，相较于原桩单桩竖向抗压承载力标准值提高33.2%。

4 结语

通过试验研究分析发现，在现有PHC管桩桩底通过高压旋喷的方式进行注浆，可以改变桩端附近土层的性质，并增加桩端的受力面积，从而大幅增加PHC管桩的承载力，达到了预期的效果。

1）桩长36 m的管桩通过高压旋喷的方式后注浆，对桩底进行加固之后，管桩的抗压承载力极限值与原桩单桩抗压承载力比值为40.8%～53.6%；保持顶标高不变，将管桩入土深度缩短5 m，桩长31 m的管桩通过同样的方式进行桩底加固之后，PHC管桩的单桩抗压承载力极限值与原桩单桩抗压承载力比值为29.6%～35.0%。

2）通过优化桩基设计，可以减少沉桩数量，或缩短桩长，同时可降低对周边环境造成的不利影响。PHC管桩桩基承载力通过后注浆的方式提高桩端持力层的承载力，从而达到提升桩基承载力的效果。

3）可通过高压旋喷的方式后注浆，进行桩底加固，减少桩基工程的管桩数量，合理减少管桩入土深度，节约一定的工程造价，对经济效益的具体影响还需要进一步进行分析。

4）通过试验，发现PHC管桩承载力与地层性质有极大的关联性，后续可进一步分析桩端持力层为⑥层（灰黄暗绿-草黄色粉质黏土）、⑤1（灰色黏土）时的承载力数据，通过大量试验及检测开展进一步探究和总结。

5）后续可以通过在桩侧间隔旋喷注浆加固或桩身整体旋喷注浆加固后，检测对桩基承载力的影响。