周 亞 軍

(武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司,湖北 武漢 430072)

鉆孔灌注樁樁端及樁側(cè)后壓漿承載力特性研究

周 亞 軍

(武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司,湖北 武漢 430072)

以武漢環(huán)球貿(mào)易中心項(xiàng)目為工程研究案例，基于靜荷載現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值理論仿真計(jì)算，對鉆孔灌注樁樁端及樁側(cè)后壓漿承載力特性展開了綜合研究，分別對未壓漿的單樁極限承載力、樁側(cè)壓漿樁極限承載力、極端壓漿樁極限承載力等進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)展開對比分析，獲得了后壓漿對鉆孔灌注樁承載力的提升效果。

鉆孔灌注樁，后壓漿，數(shù)值仿真計(jì)算，極限承載力

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，水利、建筑等建設(shè)領(lǐng)域的進(jìn)步非常明顯。地下工程開挖范圍越來越廣，建設(shè)規(guī)模也越來越大。在城市建設(shè)發(fā)展中，土地資源的利用率一直是個(gè)非常緊迫的問題。地下工程技術(shù)的發(fā)展為地下空間的利用開辟了一條新的途徑，這也是未來城市建設(shè)的發(fā)展方向[1]。因此，越來越多的高樓大廈、錯(cuò)綜復(fù)雜的地下交通軌道以及各種規(guī)模龐大的地下商場不斷出現(xiàn)。由于場地地質(zhì)條件的復(fù)雜程度越來越高，因而推動了深基礎(chǔ)特別是樁基礎(chǔ)的迅速發(fā)展。國內(nèi)外諸多研究表明[2-5]：后壓漿技術(shù)應(yīng)用于鉆孔灌注樁對其承載力的提高起到了顯著的作用。鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是指在鉆孔灌注樁施工過程中，預(yù)先在樁身或樁周埋設(shè)注漿管路，當(dāng)樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定程度后用高壓注漿泵均勻地注入特殊的漿液(工程中大多數(shù)為純水泥漿液、水泥砂漿等)的過程。漿液經(jīng)過滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結(jié)等物理或化學(xué)形式的單獨(dú)或共同作用，改變了樁端及樁側(cè)周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使樁端阻力和樁側(cè)阻力得到不同程度的提高，使樁的沉降量得以減小，樁的承載能力得到提高[6]。但是，國內(nèi)外對鉆孔灌注樁樁端及樁側(cè)后壓漿作用機(jī)理的研究還存在一定的不足，后壓漿對鉆孔灌注樁承載力提升的程度尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識[7]。鑒于此，本文基于靜荷載現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值理論計(jì)算方法，對鉆孔灌注樁樁端及樁側(cè)后壓漿承載力特性展開了綜合研究，獲得了后壓漿對鉆孔灌注樁承載力提升的幅度大小，研究結(jié)論能夠?yàn)橥惞こ痰脑O(shè)計(jì)施工及鉆孔灌注樁后壓漿作用機(jī)理的理論研究提供一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

工程重要性等級均為一級，場地等級為二級，地基等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，巖土工程勘察等級為甲級。

2 后壓漿樁現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

B棟寫字樓共設(shè)計(jì)240根φ1 000 mm抗壓鉆孔灌注工程樁，本次選取B棟寫字樓4根后壓漿工程樁兼試樁進(jìn)行現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)，鉆孔灌注樁有效樁長為42.3 m～46.7 m，空孔約15.5 m，入巖8 m，普通工程樁樁身混凝土強(qiáng)度為C40，工程樁兼試樁混凝土強(qiáng)度為C45。

2.2 試驗(yàn)方法

現(xiàn)場試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，由鋼梁、工字鋼和預(yù)制塊組成壓重反力裝置，采用電動油泵逐級加載，然后通過電子靜載儀測度并實(shí)時(shí)上傳質(zhì)量監(jiān)督站。根據(jù)甲方及設(shè)計(jì)單位要求，其最大加載力為19 000 kN。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)規(guī)范》[8]，本次試驗(yàn)分8級進(jìn)行加載，第一級、第二級加載量為分級荷載的2倍，以后每級加載量為1/8，當(dāng)達(dá)到其極限荷載時(shí)，該樁若沒有被破壞，則進(jìn)行回彈試驗(yàn)。

2.3 荷載及沉降測量

骨結(jié)合，是種植體表面與骨組織在形成緊密結(jié)合情況下形成的一種永久性、功能性的生化反應(yīng)，其一旦形成后即使在承受咬合力的情況下種植體也不會發(fā)生移動[1]。以往的研究發(fā)現(xiàn)，有諸多因素對骨結(jié)合的過程產(chǎn)生影響，其中種植體形態(tài)及特征至關(guān)重要，對種植體表面進(jìn)行處理或功能化的改性后，可有效加快骨結(jié)合的速度并提高其質(zhì)量[2-4]。同時(shí)，術(shù)者的操作對骨結(jié)合也會產(chǎn)生影響，因此在種植體植入過程中應(yīng)嚴(yán)格無菌操作、采用微創(chuàng)化植入方式以及遵循必要的生物功能性需求。

荷載值通過壓力傳感器測量，試樁沉降則通過對稱布置于樁頭的位移傳感器測量，所有百分表均用磁性表座固定于基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁在獨(dú)立的基準(zhǔn)樁上安裝，基準(zhǔn)樁中心與試樁中心的距離為4.0 m，基準(zhǔn)樁中心與壓重平臺的墩邊的距離為4.0 m，試樁中心與壓重平臺的墩邊的距離為6.0 m。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要為5 000 kN千斤頂，F(xiàn)P-50型數(shù)顯百分表，YL-PLT型壓力傳感器，YL-PLT型靜載荷測試儀。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

限于篇幅，現(xiàn)選取B1-54號試驗(yàn)樁的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在分級加載時(shí)，B1-54號試驗(yàn)樁的分級荷載、時(shí)間以及沉降的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 B1-54號試驗(yàn)樁分級荷載、時(shí)間及沉降試驗(yàn)結(jié)果

B1-54號試驗(yàn)樁的Q—s荷載—位移曲線和s—lgt位移—時(shí)間曲線分別如圖1，圖2所示。

全部4根工程樁兼試樁的試驗(yàn)總結(jié)果為：

從圖1，圖2可知，B1-54號樁試驗(yàn)加載到19 000 kN時(shí)，總沉降量13.23 mm，且Q—s荷載—位移曲線無明顯陡降段，s—lgt位移—時(shí)間曲線尾部未出現(xiàn)明顯陡降段，因此單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥19 000 kN。

B-106號樁試驗(yàn)加載到19 000 kN時(shí)，總沉降量13.05 mm，且Q—s荷載—位移曲線無明顯陡降段，s—lgt位移—時(shí)間曲線尾部未出現(xiàn)明顯向下彎曲，因此單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥19 000 kN。

BS3-237號樁試驗(yàn)加載到19 000 kN時(shí)，總沉降量12.97 mm，且Q—s荷載—位移曲線無明顯陡降段，s—lgt位移—時(shí)間曲線尾部未出現(xiàn)明顯向下彎曲，因此單樁豎向抗壓極限承載力Qu≥19 000 kN。

上述試驗(yàn)結(jié)果匯總表見表2。

表2 試驗(yàn)樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

3 數(shù)值理論仿真計(jì)算

為對比后壓漿對鉆孔灌注樁承載力提升的作用效果，現(xiàn)采用數(shù)值仿真計(jì)算方法對鉆孔灌注樁承載力展開理論計(jì)算，分別計(jì)算未壓漿的單樁極限承載力、樁側(cè)壓漿樁極限承載力、樁端壓漿樁極限承載力、樁側(cè)與樁端混合壓漿極限承載力，以此理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)展開對比分析。

3.1 數(shù)值模型的建立

本文利用Flac3D有限差分?jǐn)?shù)值仿真計(jì)算軟件對鉆孔灌注樁進(jìn)行理論分析計(jì)算，為提高計(jì)算精度，建立的鉆孔灌注樁模型為原比例模型，且對重點(diǎn)研究部位的網(wǎng)格劃分進(jìn)行了加密處理。所建模型的樁徑為1 m，樁長58 m，根據(jù)Flac3D有限差分計(jì)算樁周土的影響范圍，所建模型的計(jì)算范圍為x方向80 m，y方向80 m，z方向80 m，其中z方向包括樁身長度58 m，樁底巖土厚22 m。樁周土體采用圓柱體放射形狀網(wǎng)格radcylinder，樁身采用圓柱體形狀網(wǎng)格cylinder。

所建壓漿單樁模型如圖3所示(圖中，外邊界為樁周長方體土體，中心為鉆孔灌注樁)。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算z方向的位移結(jié)果云圖如圖4所示。

數(shù)值計(jì)算最大主應(yīng)力結(jié)果云圖如圖5所示。

在最大加載時(shí)未壓漿鉆孔灌注樁的塑性區(qū)如圖6所示。

選取未注漿的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，其樁身軸力分布如圖7所示，樁側(cè)摩阻力如圖8所示。

從計(jì)算結(jié)果圖7，圖8可知，未注漿的鉆孔灌注樁數(shù)值計(jì)算的單樁極限承載力為14 362.6 kN。樁身軸力隨樁深的增加而呈減小趨勢，其減小趨勢線較為均勻。但當(dāng)軸向力小于15 000 kN時(shí)，樁側(cè)摩阻力隨樁深增加，首先呈增大趨勢，但一定程度后開始減小，而當(dāng)軸向力等于15 000 kN后，樁側(cè)摩阻力隨樁深增加而持續(xù)增加。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試樁試驗(yàn)對比分析

現(xiàn)提取未壓漿的單樁極限承載力、樁側(cè)壓漿單樁極限承載力、樁端壓漿單樁極限承載力、樁側(cè)與樁端混合壓漿單樁極限承載力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與后壓漿樁的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)值進(jìn)行對比，其結(jié)果見表3。

表3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試樁試驗(yàn)對比分析匯總表

從表3可知，對于樁側(cè)、樁端都壓漿的情況下，單樁極限承載力的數(shù)值理論計(jì)算結(jié)果為21 865.4 kN，比后壓漿處理的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)值19 000 kN大15.1%，表明理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)際有一定誤差，但誤差不大，具有實(shí)際參考意義。未注漿的理論計(jì)算結(jié)果為14 362.6 kN，與現(xiàn)場靜載荷結(jié)果相比，經(jīng)過后壓漿處理后，單樁極限承載力提升32.3%，充分體現(xiàn)了后壓漿對于鉆孔灌注樁極限承載力的提升效果。與未壓漿樁極限承載力理論計(jì)算值相比較，樁側(cè)壓漿的單樁極限承載力提高幅度為27.0%，樁端壓漿的單樁極限承載力提高幅度為18.6%，樁側(cè)及樁端混合壓漿的單樁極限承載力提高幅度高達(dá)52.2%。

4 結(jié)語

本文經(jīng)過研究，得到以下結(jié)論：1)鉆孔灌注樁樁端及樁側(cè)后壓漿承載力特性是十分復(fù)雜的，對樁側(cè)及樁端進(jìn)行后壓漿處理后的單樁極限承載力提高幅度也不具有統(tǒng)一的解答，這與樁周及樁端巖土體的性質(zhì)有直接聯(lián)系。2)本文中樁側(cè)壓漿承載力提升幅度略大于樁端承載力提升幅度，因?yàn)闃抖巳霂r較深，使得樁側(cè)土體壓漿后的提升作用較為明顯。3)后壓漿的現(xiàn)場試驗(yàn)值比未壓漿的理論計(jì)算值提高幅度為32.3%，表明樁長達(dá)到60 m左右后，其有效側(cè)摩阻力效應(yīng)明顯，從而減弱了后壓漿的強(qiáng)化作用。4)對于不同的地層條件，要具體問題具體分析，但總體來說，后壓漿的作用效果較為明顯，對單樁極限承載力有較為明顯的提升。

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Research on bearing capacity characteristics of post grouting on bored pile end and pile side

ZHOU Ya-jun

(WuhanGeologicalSurveyandFoundationEngineeringCo.,Ltd,Wuhan430072,China)

This paper has taken the world trade center project in Wuhan as the object of engineering research. Based on the theory of static load field test and numerical simulation calculation, the end lientang grouting and pile bearing capacity of bored cast-in-situ pile feature launched a comprehensive study. Calculated the single pile limit bearing capacity of grouting, bearing capacity of pile side grouting, grouting pile ultimate bearing capacity, further more, the theoretical calculation results with the field static load test analysis, the grouting on the bearing capacity of bored piles after ascending the size of the size.

bored pile, post grouting, numerical simulation calculation, ultimate bearing capacity

2014-07-16

周亞軍(1985- )，男，碩士，助理工程師

TU473.14

A