高强灌浆料加固灌注桩桩头研究

郑 贺，鲍 宇，姚春磊

（1.徐州市城市建设工程管理中心，江苏 徐州 221018；2.徐州市建筑工程质量安全监督站，江苏 徐州 221116；3.徐州市建设工程检测中心有限公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

随着设计能力和施工水平的提高，单桩竖向抗压承载力呈现越来越高的趋势，数千吨、上万吨的单桩设计承载力已屡见不鲜［1，2］。越来越高的单桩承载力，对检测的要求也越来越高，对试验准备工作的要求也越细致。静载试验中，桩破坏形式主要有两种：桩体材料破坏和桩侧、桩端岩土体无法继续承载而产生的破坏。在桩体材料破坏模式中，多见桩上部被压坏，但如果桩身存在缺陷或负摩阻力，破坏可能发生在桩身缺陷截面或中性点附近，本文对此不做讨论，仅讨论桩头被压爆的现象。对于灌注桩，在静载试验之前往往需要对灌注桩桩头单独加固，即便如此，试验过程中仍经常出现桩头压爆现象，此时往往需要重新或扩大检测，造成工期拖延和成本的提高。

表1 表示的是某地区某检测机构统计的 2018 年和 2019 年灌注桩静载试桩检测数量。从表1 可知，爆桩率约占试桩总数的 3.5 %，在被压坏的试桩中，桩头破坏的比例占 15 %～20 %，该比例还是比较大，不容忽视的。所以有必要针对试桩桩头加固材料进行相关研究，寻求一种加固效果更好的材料替代混凝土材料。

表1 试桩桩头破坏数量情况统计

灌注桩桩头处理一般按照 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》［3］进行制作，1 倍桩径范围内用 3～5 mm 钢板围裹或在桩顶 1.5 倍桩径范围内设置箍筋，并在桩顶附近设置 1～2 层钢筋网片，混凝土一般提高一至两个标号。目前有的地区建设主管部门要求静载验收试验桩要随机选取，试验在基坑标高上进行，原来的检测桩位在设计图纸中直接选定好，施工时将试验桩直接灌至地面标高，提前进行桩头加固处理的做法就无法实行了。桩头加固只能在基坑开挖后才能进行，此时如采用常规混凝土，其强度发挥需要一周甚至更长时间，会造成检测周期的延长，所以也需要寻求一种性质和混凝土相当，短期强度更高的材料代替混凝土进行桩头处理。

灌浆料具有短期强度高、稳定性好、性价比高等特点，广泛应用于各行各业［4］。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 类水泥基灌浆材料 1 d 强度≥20MPa，3 d 强度≥40 MPa［5］。加固的桩头由于被钢护筒包裹，可以将其视为钢管混凝土短柱进行研究。闫志刚等［6］基于极限平衡理论提出了钢管 RPC 短柱的极限承载力计算经验公式，但其计算精度依赖于 RPC 常规三轴强度屈服准则［7］。张啸驰等［8］以圆钢管约束高强灌浆料局部承压性能试验为基础，建立圆钢管约束高强灌浆料局部承压性能的分段模型，指出增大试件高径比、钢管壁厚和高强灌浆料强度均可提高其极限承载力。武立伟等［9］基于钢管灌浆套筒连接轴向受压性能静载试验，指出随着连接长度和灌浆料强度的增大，试件抗压极限荷载提高。加固灌浆料脆性大，与高强混凝土相比尺寸效应更显著［10］。前期研究中针对大直径钢护筒约束灌浆料抗压性能关注较少，本文拟针对钢护筒约束灌浆料桩头加固开展室内试验和实际应用效果研究。

1 灌浆料材料配比及室内试验结果

经过反复适配，水泥基灌浆料最后采用的配合比如表2 所示（每 100 kg 清水）。

表2 材料配比表

按照表2 配比经胶砂搅拌机充分搅拌并经振实台振实好样品后，在实验室制作 3 组芯样，芯样尺寸 40 mm×40 mm×160 mm，1 d 后脱模，如图1 所示。脱模后立即进行一组抗压试验，其余芯样放入 20±3 ℃ 恒温养护水箱养护，待达到龄期后分别进行 3 d、7 d 单轴抗压强度试验。试验设备采用 ACE-201 水泥强度试验机，如图2 所示。

图1 加工后芯样

图2 ACE-201 水泥强度试验机

图3 表示的是灌浆料单轴抗压强度变形曲线。由图3 可得，同一龄期的三个灌浆料试块抗压强度接近，离散性小；水泥基灌浆料短期强度发挥较快，1 d 的平均抗压强度可以达到 35.3 MPa，3 d 和 7 d 的可以分别达到 51.5 MPa、68.5 MPa。峰值应力对应的应变随强度增加略有增长，均在 0.9～1.2×10-3。灌浆料峰值应力的发挥较混凝土快，应力应变加卸载曲线较陡，说明该材料弹性模量较大。

图3 灌浆料单轴压缩曲线

图4 表示的是水泥基灌浆料、混凝土弹性（割线）模量与强度关系曲线，图中混凝土弹性模量通过 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）［11］表4.1.5 差值得到。由图4 可知灌浆料的弹性模量和峰值割线模量均随强度略有增长，峰值割线模量的增长速率小于弹性模量的增长速度，但二者均高于混凝土弹性模量增长速率。同等强度的灌浆料的弹性模量约为混凝土弹性模量的 1.9～2.6 倍；而对于峰值割线模量，这一比例是混凝土的 1.2～1.5 倍，这说明水泥基灌浆料比混凝土的塑性更小，更容易发生脆性破坏。

图4 灌浆料、混凝土弹性（割线）模量与强度关系曲线

结合图3、图4 可以得出，本文配比的灌浆料 1 d 强度接近或超过一般灌注桩混凝土设计强度，3 d、7 d 强度超过灌注桩混凝土设计强度，也就是说对于桩身混凝土设计强度为 C35 左右时，本文配合比下灌浆料加固的桩头最快仅需 1 d 后即可进行静载试验，与用混凝土加固桩头相比，更利于缩短检测工期。

2 工程应用

表3 表示的是某检测机构 2021 年采用水泥基高强灌浆料加固的灌注桩桩头的检测情况。该机构全年共检测了 72 根灌注桩，全部用本文配合比的水泥基灌浆料加固桩头，检测的单桩设计极限承载力从 4 950～29 600 kN 不等，其中对于承载力为 29 600 kN 的桩，为验证桩头强度多特意加了 10 % 的荷载，仍未再出现爆桩头现象，这说明本文配合比的水泥基灌浆料在缩短检测周期的同时，在材料强度方面也是可以保证的。

表3 2021年高强灌浆料加固试桩桩头情况

基于以上分析，结合工程经验，建议针对小吨位的（<8 000 kN）试桩，按照规范［3］附录 B 的做法，采用本文配合比下的水泥基灌浆材料，休止期 1～2 d 即可进行静载试验；针对中吨位桩（8 000～20 000 kN），按照规范［3］附录 B 要求配备护筒钢板和钢筋网片，2～3 d 后可进行静载试验；大吨位桩（＞20 000 kN），应慎重对待，鉴于高强灌浆料的脆性，建议采取比规范［3］附录 B 稍严格的做法配备护筒钢板和钢筋网片，3～5 d 后进行静载试验，以保证静载检测过程中试桩桩头不先破坏。

3 结语

试桩桩头的承载力对静载试验至关重要，检测前首先要把桩头加固好，通过以上分析得到如下结论。

1）本文配比的水泥基灌浆料抗压强度离散性较小，1、3、7 d 的平均强度可达到 35.3、51.5、68.5 MPa，高于同龄期混凝土的强度。

2）本文配合比下的水泥基灌浆料的弹性模量和峰值割线模量与强度正相关，但有别于混凝土的随强度线性增长，其弹性模量约为同等强度混凝土的 1.9～2.6 倍，表现出更明显的脆性。

3）结合工程经验，采用本文配比的水泥基灌浆料加固的试验桩：建议小吨位试桩桩头 1 d 后即可静载试验；中等吨位桩，按构造配备护筒钢板和钢筋网片，2～3 d 后进行静载试验；大吨位桩应慎重对待，稍高配钢护筒和钢筋网片，3～5 d 后进行静载试验，以保证静载检测过程中试桩桩头不先破坏。

4）由于条件有限，本文采用的试验机刚度较小，材料制备稍显粗糙，且试验过程中加载速度较快，对数据的精度会产生一定影响，抗压强度会稍高估，竖向变形会低估，计算的弹性模量和割线模量会被高估，但数据的总体趋势是符合该材料承载规律的。今后需要进一步提高试验数据的精度，扩大水泥基灌浆料在实际工程中的应用范围，以更精确的室内试验数据和更广泛的足尺试验应用效果来验证其在缩短工期，保证桩头强度方面的优势。Q