潮河大桥后压浆钻孔灌注桩承载特性分析.pdf

133NO.6/DECEMBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 潮河大桥后压浆钻孔灌注桩承载特性分析张秀梅，张志超，司志增（青岛市水利勘测设计研究院有限公司，山东 青岛 266035）摘要：为研究桩端后压浆钻孔灌注桩承载机理，以拟建潮河大桥为例，设置 4 根试桩和 10 根锚桩展开承载特性现场试验，4 根试桩中 S1 S3 采用桩端后压浆施工工艺，S4 采用常规钻孔灌注桩施工。结果表明，不同地层下后压浆钻孔灌注桩成桩机理不同，对于潮河大桥弱透水性软弱地基土层，桩端承载力的提高主要由桩侧摩阻力提供，且桩端后压浆施工技术能显著提升钻孔灌注桩竖向抗压极限承载力，降低桩基沉降。关键词：潮河大桥；后压浆；钻孔灌注桩；承载特性中图分类号：U445.4 文献标识码：B 文章编号：1673-8098（2023）06-0133-030 引言钻孔灌注桩成桩工艺简单、承载力高，在公路、桥梁等基础设施工程中应用广泛，但是施工期间因泥浆护壁，降低了桩侧阻力，又因孔底残渣的存在使桩端阻力降低，钻孔灌注桩实际承载力或明显低于设计水平。桩端后压浆技术能显著改善以上状况，直接向桩底注入浆液，通过桩端残渣的加固，起到提升桩端承载力的效果。1 工程概况拟建潮河大桥连接潮河左右岸大堤，与堤外城市主干道经十四路相接。路线全长 625.0m，其中桥梁长 115.84m，桥宽 41m，引道长 509.16m，路基宽 40m。该桥结构设计安全等级为一级。桥梁上部采用（20m+217.21m）+（217.21m+20m）先张法预应力混凝土空心板结构；下部则为柱式墩台；基础均采用钻孔灌注摩擦桩。结合地质勘察报告以及公路桥涵地基与基础设计规范（JTG 33632019）进行灌注桩有效桩长的确定，且均采用摩擦桩。桩基钻孔施工过程中在水压力作用下易引发缩孔塌孔，为此必须采取护壁措施，成桩后展开单桩静载试验，水泥土搅拌桩复合地基承载力应以现场载荷试验为准。2 后压浆灌注桩加固机理钻孔灌注桩桩端后压浆技术通过在灌注桩桩身预埋压浆管，待达到成桩状态后，通过预埋于桩底的压浆管压力注浆，将浆液均匀注入桩端地层及密闭腔室，进而对桩端土和桩周土起到填充、渗透、固结、压密、劈裂、置换等效果1，使桩端土与浆液固结为高强、性能稳定的结石体，达到提升桩端阻力和桩体承载力，控制桩基沉降的工程效果。工程实践证明，桩端后压浆钻孔灌注桩具备以下性能优势：（1）持力层受力及传荷性能改善：后压浆灌注桩通过浆液的填充渗透、压密胶结等作用使桩端受力面积扩大，改善持力层受力，从而实现加固，桩侧摩阻力先于桩端承载力提升，此后随着相对位移的持续增大，桩侧摩阻力下降，而桩端承载力继续增大；（2）持力层强度提高：灌注桩成桩过程中，桩端土强度在桩周土的扰动及水的软化作用下持续降低，再通过渗透、压密及劈裂注浆等作用，持力层范围内的土体与浆液便密切结合，使土体强度和物化性能进一步改善，提高土体稳定性；（3）桩土特性及桩周法向力改善：注浆压力及注浆量增大后，部分浆液将沿着桩侧薄弱部位呈上升趋势，渗入并充填桩土间隙，置换、充填桩周泥皮，在桩周形成结石体，改善桩周土物理力学性能，增大桩侧摩阻力和桩周法向力。（4）浆液与桩端土发生物化后可起到压密、加筋、离子交换及固化作用，提升桩端土刚度、强度和稳定性，增大桩端阻力。研究可知，粉质黏土层透水性不良，浆液主要面临土压力，134 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 且后压浆灌注桩侧土压力比桩顶土压力小，在注浆过程中，浆液不会直接沿着桩侧向上流动，而是对桩周不透水地层产生渗透、压密、劈裂，形成较为明显的浆包；此后再沿着桩侧向上流动，在桩端形成扩大头，进而使桩身轴力分布发生改变，更多的承载力主要由桩身承担。圆砾石层透水性良好，浆液主要面临静水压力，且桩顶静水压力比桩侧和桩底小，灌注桩后压浆施工时，浆液直接沿桩侧向上流动。以上两种地层中后压浆灌注桩均能使桩承载力显著提高，但机理方面存在略微差异2：不透水地层中，主要依靠浆液对桩土接触面摩阻力的影响而提高承载力；透水地层中，则除了依靠浆液对桩侧摩阻力影响外，还离不开桩端扩大头的作用。3 灌注桩承载力测试3.1 测试方案为展开潮河大桥后压浆钻孔灌注桩承载力测试，设置 4 根试桩，编号为 S1 S4，桩长均为 30m，桩径 1.5m。为便于比较，S1 S3 均采用桩端后压浆施工工艺，而 S4 则采用常规钻孔灌注桩施工。此外，在试桩四周设置 10 根桩长 38m、桩径1.8m 的锚桩，且锚桩全部通过桩侧后压浆施工，每根锚桩布置3 根桩端压浆管，且压浆管的设置高度应高出桩顶 50cm；在桩侧与桩顶相距 15m、25m、35m 处设置环向压降阀，通过壁厚2.75mm、公称直径 20mm 的套管焊接桩侧压浆管。出于灌注桩允许承载力和加载设备负荷等的考虑，在试验中将常规桩加载至破坏，桩侧后压浆桩最大加载量按照 30000kN 确定。试桩过程中使用主筋直径为 28mm 的 JXG-1 型钢筋计测力元件，标定后使用；桩顶正面设置 4 个测量沉降的百分表。试验开始后逐级加载，直至满足终止加载条件后分级卸载。试桩 S1 设计单级荷载为 1500kN，按照 16 级加载，加载量最大为24000kN；试桩 S2 S4 设计单级荷载为 1500kN，均按照 20级加载，加载量最大为 30000kN。在完成每级加载后依次按照5min、10min、15min 的时间间隔进行一次测值读取。此后按照每级加载量的 2 倍确定每级卸载量，卸载后按照 15min 时间间隔进行残余沉降测值读取，连续读取 3 次后卸除一级荷载；待全部荷载均卸除的 180min 后进行最后一次测值读取。3.2 估算方法桩端后压浆钻孔灌注桩主要采用桩身几何参数扩大法和常规灌注桩参数提高法估算单桩承载力，前者从桩端扩径角度考虑桩端面积的提升，即先设定出后压浆加固体形状，再结合注浆量反推桩端扩径后面积；后者则从桩周土强度提升的角度，进行钻孔灌注桩极限侧阻和端阻值确定。根据相关研究，桩端后压浆钻孔灌注桩注浆量和极限承载力计算方法并不一致，且具有明显的地域性特征，两者的计算也缺乏系统性与关联性。事实上，桩端后压浆钻孔灌注桩承载力的提升幅度与注浆量有关，结合拟建潮河大桥钻孔灌注桩静力荷载试验，基于扩径视角，提出软弱地层桩端后压浆钻孔灌注桩承载力估算公式：Rk=Upfskili+fpApk （1）式（1）中：Rk单桩竖向承载力极限值；Up桩身周长；fski桩侧摩阻力极限值；li第 i 层土体实际厚度；fp桩端阻力极限值；Apk桩端横截面面积。根据式（1）所估算的潮河大桥后压浆钻孔灌注桩承载力值可知，如果单桩承载力预计估值采用预制桩参数法，则个别试桩承载力必定超出静载试验值，且这种估算方法并未改变桩端后注浆灌注桩本质，也更为广大工程技术人员接受。在桩端后压浆钻孔灌注桩承载力估算时，关键在于根据注浆量进行扩径值的确定。实际工程中，实际注浆量可能会超出理论计算值，此时应参照合理注浆量计算中桩端加固注浆量和桩侧返浆量之比来确定桩侧注浆量。桩端后压浆灌注桩极限承载力受到诸多因素影响，通过各种预估方法所得到的极限承载力值均与桩体实际承载力存在一定误差，故应在施工图阶段加强静荷载试验，基于静荷载试验结果进行桩端后压浆灌注桩最终承载力值的确定。3.3 测试结果3.3.1 承载力比较单桩竖向极限承载力通过荷载-回弹量曲线表示，桩端后压浆施工技术下试桩有效桩长均为 30m，S1 S3 均按照 30000kN 的设计最大加载量加载，对应的累积沉降量依次为 11.307mm、10.891mm 和 11.817mm，最大回弹量依次为7.856mm、8.625mm 和 8.894mm，回 弹 率 依 次 为 69.5%、79.3%和 75.2%。根据试验结果，潮河大桥后压浆试桩荷载-回弹量曲线属于缓变型，且 3 根试桩加载后累积沉降均不超出12mm；卸荷后桩体则表现出较大的回弹率，桩底位移几乎为零。说明后压浆钻孔灌注桩端阻力在沉降较小时便得到充分发挥，且提升速度快，后压浆对桩底沉渣固结效果显著。S4 常规灌注桩在 24000kN 的最大加载量下，沉降量累计值为 39.841mm，回弹量最大为 9.523mm，回弹率仅为 23.8%，远比 S1 S3 桩端后压浆钻孔灌注桩小。充分表明，常规灌注桩因持力层和桩端沉渣的扰动，在发生较大沉降及沉渣固结后135NO.6/DECEMBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 端阻力才能得以发挥。考虑到单桩静载试验属于非破坏性的鉴定试验，根据单桩竖向极限承载力荷载-回弹量曲线，在起初的加载过程中，桩顶荷载未超出 9000kN 的情况下，S1 S3 桩端后压浆钻孔灌注桩和 S4 常规灌注桩回弹量曲线基本重合；此后随桩顶荷载的持续增大，S4 常规灌注桩沉降逐渐超出相同荷载作用下的S1 S3 桩；S1 S3 桩端后压浆钻孔桩极限承载力基本重合，且略大于 30000kN，常规灌注桩极限承载力则取 24000kN。由此可知，桩端后压浆技术的应用能显著提升钻孔灌注桩极限承载力。后压浆灌注桩沉降曲线也更为缓和，表明后压浆技术能减小各级荷载下的桩基沉降差异，加快沉降稳定速度，提升桩基承载力。3.3.2 桩侧阻力和桩端阻力的发挥根据试桩在各级荷载作用下桩身轴力、桩侧摩阻力与桩顶荷载关系的测试结果，得出各级荷载下后压浆钻孔灌注桩和常规灌注桩桩端阻力、摩阻力分布比例，具体见表 1。结果显示，桩端后压降灌注桩和常规灌注桩具备一致的荷载传递规律，即桩身轴力随荷载增大而从上至下传递，随桩入土深度的增大而减小；桩端阻力随荷载的增大而增大；桩侧阻力从上至下逐渐发挥，并随荷载增大，发挥程度越大。根据后压浆灌注桩和普通灌注桩端阻力、侧阻力与桩顶荷载关系可知，桩端后压浆对临近桩底的侧阻力有较大增强效果，且当荷载达到最大时，桩端后压浆桩比普通桩同深度桩侧摩阻力增大了近 2 倍；后压浆和常规灌注桩桩端阻力均随荷载增大表 1 各级荷载下后压浆灌注桩和常规灌注桩桩端阻力、摩阻力分布比例（单位：%）项目荷载/102kN306090120150180210240270300后压浆灌注桩端阻力3.62.14.37.213.819.424.131.835.938.4摩阻力96.497.996.892.886.280.675.968.264.161.6常规灌注桩端阻力2.48.76.112.216.426.533.437.8摩阻力97.691.393.987.783.683.566.662.2而增加，在加载初期，两种施工方法下端阻力和摩阻力占比基本一致，且桩端后压浆效果也未充分体现；此后随着荷载增大，桩侧摩阻力逐渐得到发挥，后压浆桩基侧壁摩阻力开始增大，端阻力同时较快增长。常规灌注桩桩基沉降随荷载增大而快速增加，桩端阻力逐步发挥。这一点也可通过表1中数据得到印证，在达到最大荷载 24000kN 时，常规灌注桩端阻力占比较大，且其桩达到破坏程度时，端阻力占比约为 37.8%；后压浆灌注桩达到最大荷载 30000kN 时，桩端阻力占比 38.4%。4 结语综上所述，在不同类型地层进行桩端注浆时，桩端承载力的提升机理不同，必须结合工程地质条件及施工要求，合理确定地层类型。潮河大桥地层主要为软弱地基土，弱透水性，采用桩端后压浆钻孔灌注桩后持力层受力及传荷性能明显改善，桩端土刚度、强度和稳定性提升，桩端阻力改善。显然，采用桩端后压浆处理后的钻孔灌注桩比常规灌注桩极限承载力大，且在相同荷载作用下，后压浆灌注桩桩基沉降比常规桩至少减少 70%，单桩竖向抗压极限承载力至少提高 25%。参考文献1 张升进，丁小军，王旭，等.深厚卵石地层桩底注浆灌注桩承载特性分析 J.兰州工业学院学报，2022，29（3）：30-34.2 卢萍珍，孙宏伟，方云飞.深厚砂层灌注桩后注浆提高系数试验分析 J.岩土工程技术，2022，36（2）：116-121.