趙子江，陳強(qiáng)，別社安

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.天津港航工程有限公司，天津 300457）

0 引言

勁性攪拌樁是將硬芯（PHC管樁、混凝土方樁等）植入凝結(jié)前的水泥土攪拌樁中，使樁頂載荷由芯樁傳遞至水泥土再傳遞到樁周土，可以有效提升承載力和控制沉降，在我國(guó)沿海地區(qū)的深厚軟土層中廣泛使用，避免了灌注樁施工泥漿排放污染、預(yù)制樁施工噪音污染，符合國(guó)家綠色施工的環(huán)保要求。

勁性攪拌樁自從在國(guó)內(nèi)應(yīng)用以來(lái)，不少學(xué)者對(duì)其承載機(jī)理進(jìn)行了研究。1998年，凌光榮等[1]進(jìn)行了勁性攪拌樁承載力試驗(yàn)，結(jié)果顯示，勁性攪拌樁極限承載力比同尺寸灌注樁增大了1.36～1.54倍，且和插芯的長(zhǎng)度、截面的含芯率有關(guān)。2000年，吳邁等[2-3]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究表明，勁性攪拌樁的芯樁和水泥土之間的側(cè)摩阻力與水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu有關(guān)，平均值約為0.194fcu，而水泥土本身的抗剪強(qiáng)度為0.2fcu～0.3fcu，所以在水泥土自身可能發(fā)生剪切破壞之前，芯體和水泥土之間已經(jīng)發(fā)生破壞。2010年，丁永軍等[4]的方形芯樁勁性攪拌樁承載力試驗(yàn)表明，勁性攪拌樁的側(cè)摩阻力和規(guī)范建議的混凝土預(yù)制樁相比可以提高到1.29～3.9倍。2013年，錢(qián)于軍等[5]以實(shí)際工程樁為背景，得出了管樁-水泥土復(fù)合樁身的軸力、樁端阻力分布特征。

本文進(jìn)行了足尺度等長(zhǎng)芯樁大直徑勁性攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（JGJ-94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定設(shè)計(jì)直徑d≥800 mm為大直徑樁），并和同直徑灌注樁進(jìn)行對(duì)比，研究試樁的承載力發(fā)揮機(jī)制，為重新修訂DB29-102—2004《勁性攪拌樁技術(shù)規(guī)程》提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以供樁基設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

試樁場(chǎng)地位于天津市漢沽區(qū)楊家泊鎮(zhèn)天津港航樁業(yè)有限公司園區(qū)。場(chǎng)地地勢(shì)平坦，原地貌為魚(yú)池，地表為人工填土，勘察孔位布置在準(zhǔn)備施工的攪拌樁孔位，土層的分布見(jiàn)圖 1，各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 土層分布和鋼筋應(yīng)力計(jì)在豎向土層分界面處布置Fig.1 Arrangement of soil distribution and string wire stress gauges at the soil interface

表1 樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indicators of soil layers within the length of the pile

2 試驗(yàn)方案

對(duì)勁性攪拌樁和相同直徑灌注樁進(jìn)行承載力試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，研究二者承載力差異。設(shè)置和勁性攪拌樁長(zhǎng)度相同、水灰比一致的水泥土樁，取芯研究水泥土芯的單軸抗壓強(qiáng)度隨著埋深增大的變化趨勢(shì)。本次試驗(yàn)所涉及的勁性攪拌樁、灌注樁、水泥土樁、管樁的樁長(zhǎng)和數(shù)量如表2所示。

勁性攪拌樁芯樁采用國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集10G409，型號(hào)為PHC800C130-15、PHC600C 130-15和PHC600 C 130-10。勁性攪拌樁水泥土摻灰量22%（濕土重量），水灰比1.5，外摻減水劑為聚羧酸1%（水泥重量）。

勁性攪拌樁的施工工藝為“四攪四噴”，在樁頂以下3 m、樁底以上2 m范圍內(nèi)噴漿復(fù)攪。目的是使得水泥漿能與土充分拌和，提升樁身質(zhì)量。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，鋼筋應(yīng)力傳感器埋設(shè)在每個(gè)土層交界面來(lái)監(jiān)測(cè)軸力，位置如圖1所示。本次現(xiàn)場(chǎng)單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)的檢測(cè)方法為慢速維持荷載法。試驗(yàn)依據(jù)的規(guī)范條文為JTJ 255—2002《港口工程基樁靜載荷試驗(yàn)規(guī)程》和JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》。

表2 試樁方案Table 2 Testing scheme

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥土強(qiáng)度隨深度的變化

對(duì)水泥土攪拌樁N1、N2進(jìn)行鉆芯取樣，測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，目的是考察攪拌樁水泥土的均勻性、完整性以及成樁質(zhì)量。部分水泥土鉆芯如圖 2（a）所示。N1、N2在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的取芯樣品連續(xù)、完整、堅(jiān)硬，攪拌均勻，呈柱狀，表明芯樣均勻性良好。

圖2 水泥土強(qiáng)度隨深度的變化及部分鉆芯展示Fig.2 Variation of cement-soil strength with depth and part of core display

水泥土取芯強(qiáng)度隨著深度增加單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，如圖 2（b）所示，與文獻(xiàn)[6]結(jié)果一致。取芯結(jié)果表明樁身上部成樁質(zhì)量仍然好于樁身下部。N1鉆芯平均強(qiáng)度4.307 MPa，N2鉆芯平均強(qiáng)度3.355 MPa，所有取芯的最小值為2.17 MPa。

式中：Fs為管樁和水泥土內(nèi)界面所能提供的極限剪切力；d為管樁的直徑；L為管樁的長(zhǎng)度；α為水泥土內(nèi)界面黏結(jié)系數(shù)，文獻(xiàn)[2]表明水泥土內(nèi)界面黏結(jié)系數(shù)平均值為0.19，僅與水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu相關(guān)。

保守計(jì)算，fcu取N1、N2所有取芯樣品中最小值2.17 MPa，按照式（1）計(jì)算S11、S5的內(nèi)界面極限剪切力。計(jì)算結(jié)果為S11內(nèi)界面可以提供31 719 kN抗剪力，S5可以提供23 789.2 kN抗剪力，遠(yuǎn)大于S11的極限載荷10 000 kN和S5的極限載荷9 000 kN，表明水泥土和管樁接觸的內(nèi)界面所能提供的抗剪力富余量足夠，可使管樁和水泥土協(xié)同發(fā)揮作用。

圖3所示為勁性攪拌樁開(kāi)挖結(jié)果，圖3（a）是長(zhǎng)度為24.6 m，內(nèi)插PHC600管樁的勁性攪拌樁，圖 3（b）是長(zhǎng)度為29.6 m，內(nèi)插PHC800管樁的勁性攪拌樁，觀察發(fā)現(xiàn)這兩種勁性攪拌樁的水泥土部分質(zhì)地堅(jiān)硬，攪拌均勻，與N1、N2取芯的樣品性狀接近。水泥土樁側(cè)表面凸凹不平增強(qiáng)了與樁側(cè)土之間的摩阻力。

圖3 勁性攪拌樁開(kāi)挖結(jié)果Fig.3 Excavation results of reinforced mixing pile

3.2 極限承載力和位移分析

各試樁的Q-S曲線如圖4所示。本次試驗(yàn)所有試樁的載荷-樁頂沉降曲線有明顯的陡降拐點(diǎn)，屬于陡降型Q-S曲線。GS3、GS4、S4、S5、S6、S11最后一級(jí)沉降量大于上一級(jí)沉降量的8倍，試樁S9、S10最后一級(jí)大于上一級(jí)5倍。試樁的極限承載力均取破壞載荷的上級(jí)載荷值，見(jiàn)表3。在各個(gè)樁型極限承載力之前，在相同數(shù)值的載荷下，樁頂沉降量的大小分別為：灌注樁＞短樁＞長(zhǎng)樁，勁性攪拌樁比同長(zhǎng)度的灌注樁有更好的沉降控制效果。

圖4 試樁Q-S曲線Fig.4 Q-S curve of test pile

表3 試樁承載力統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary of bearing capacity of test piles

3.3 軸力分布

取具有代表性的試樁分析勁性攪拌樁軸力沿著深度的分布規(guī)律，并分析和同長(zhǎng)度灌注樁規(guī)律的異同。

GS3灌注樁軸力分布如圖 5（a）所示，初始加載荷載較小時(shí)，軸力曲線很陡峭，表明軸力沿深度衰減速率很快，側(cè)阻力發(fā)揮程度很小。隨著荷載逐級(jí)增大，軸力曲線逐漸變緩，斜率逐漸減小，表明側(cè)阻力發(fā)揮的比例逐漸在增大；對(duì)于某一土層，隨著載荷逐漸增大，軸力曲線表現(xiàn)為斜率逐漸減小，曲線變緩，在這一層土的側(cè)阻力也逐漸增大。

圖5 試樁在各級(jí)載荷下軸力分布曲線Fig.5 Distribution curve of axial force of test pile under various loads

圖 5（b）為勁性攪拌樁S11的分級(jí)加載軸力圖。由于S11和GS3處于相同土層，二者軸力趨勢(shì)類(lèi)似地表現(xiàn)為：隨著載荷增大側(cè)阻力沿著深度逐漸增大，且在同一土層中側(cè)阻也逐漸增大。但勁性攪拌樁的載荷傳遞機(jī)制不同于傳統(tǒng)的灌注樁，軸力曲線也展現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。S11軸力曲線在土層5-2有變緩的趨勢(shì)，表明隨著載荷增大，攪拌樁側(cè)阻力在這段土層中發(fā)揮程度較好。另外，S11端阻力發(fā)揮比例比GS3高，結(jié)合圖6可以看出，隨著載荷逐漸增大，S11端阻承載比為0.089～0.18，GS3 僅為 0.034～0.087（端阻承載比=端阻力/樁頂軸力）。這是因?yàn)楣嘧抖顺猎?，沒(méi)有預(yù)制樁對(duì)樁周土和樁端土擠密加固作用，所以灌注樁的端阻承載比很小。但勁性攪拌樁是植入樁，PHC管樁插入水泥土?xí)r，對(duì)樁周土和樁端土產(chǎn)生兩種效果，一是將水泥土擠開(kāi)，物理性地對(duì)水泥土擠密，二是入滲的水泥漿對(duì)樁周土產(chǎn)生化學(xué)凝固作用。最終使得樁端土被一定程度地加固，勁性攪拌樁體現(xiàn)出半剛性樁特性，荷載傳遞規(guī)律類(lèi)似于剛性樁。

圖6 端阻力承載比Fig.6 Bearing ratio of end resistance

勁性攪拌樁S5的軸力趨勢(shì)和S11類(lèi)似，如圖5（c）所示。結(jié)合圖6可以看出，S5的端阻承載比大于GS3、S11，表明短勁性攪拌樁的端阻發(fā)揮的時(shí)機(jī)更早且比例更大。另外，結(jié)合圖1、表1可以看到S5樁端位于端阻力標(biāo)準(zhǔn)值較大的5-2粉砂層，對(duì)樁端阻力發(fā)揮也有很大貢獻(xiàn)。

3.4 勁性攪拌樁側(cè)摩阻力調(diào)整系數(shù)確定

勁性攪拌樁側(cè)阻有兩種估算方法：

1）統(tǒng)一調(diào)整系數(shù)法：文獻(xiàn)[1]勁性攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)和其后在天津市進(jìn)行的百余根工程樁檢測(cè)結(jié)果表明，在不同地質(zhì)條件下以預(yù)制樁側(cè)阻為基數(shù)的總側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)差異不大，約為1.5±0.2即 1.3～1.7。

2）分層調(diào)整系數(shù)法：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 327—2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》對(duì)各土層取泥漿護(hù)壁鉆孔樁的側(cè)阻值乘以根據(jù)各土層的巖性分別給出的不同側(cè)阻調(diào)整系數(shù)，取值范圍是1.3～2.3，黏性土取低值，砂性土取高值。

分層調(diào)整系數(shù)法目前尚缺少試驗(yàn)依據(jù)，有待深入研究?，F(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果與《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》給出的分層調(diào)整系數(shù)方法匹配不太理想。作者將同直徑勁性攪拌樁和灌注樁的側(cè)阻極限值的總和（單樁總側(cè)阻力）進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表4所示，發(fā)現(xiàn)總側(cè)阻力的調(diào)整系數(shù)為1.408～1.643，與文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)結(jié)果以及天津市工程經(jīng)驗(yàn)側(cè)阻調(diào)整系數(shù)值基本一致。

表4 試樁總極限側(cè)摩阻力對(duì)比Table 4 Comparison of lateral friction resistance of test piles

3.5 大直徑勁性攪拌樁荷載傳遞規(guī)律

在荷載作用下，由于勁性攪拌樁中水泥土部分的彈性模量遠(yuǎn)小于內(nèi)插的PHC管樁的彈模，樁頂?shù)慕^大部分荷載首先由PHC管樁承擔(dān)，管樁和水泥土的內(nèi)界面可以提供足夠的抗剪力，以確保豎向載荷以剪應(yīng)力的形式傳遞給水泥土，然后再通過(guò)水泥土傳遞給樁周土，最終勁性攪拌樁通過(guò)水泥土外界面摩阻力傳遞到地基土并在地基土中形成應(yīng)力場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為芯樁與水泥土協(xié)調(diào)作用。這樣，通過(guò)管樁和水泥土結(jié)合的形式，分別利用了抗壓剛度較大的PHC管樁和大直徑大表面積水泥土外殼的優(yōu)勢(shì)，后者可以提供更大的側(cè)表面積來(lái)承擔(dān)側(cè)摩阻力。勁性攪拌樁樁身結(jié)構(gòu)合理，和同尺寸的灌注樁比，可以大幅度提升極限承載力，提供相同的承載力所需的樁身長(zhǎng)度大幅度減少，降低了單位承載力造價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文場(chǎng)地地層條件下，進(jìn)行了等長(zhǎng)芯勁性攪拌樁和同直徑的灌注樁承載力對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1）1 200 mm大直徑勁性攪拌樁極限承載力是同直徑、同長(zhǎng)度灌注樁的1.6倍左右，總側(cè)阻比值在1.408～1.643之間。

2）隨著載荷逐漸增大，在極限承載力狀態(tài)時(shí)，勁性攪拌樁端阻力可以達(dá)到總荷載的18%，同規(guī)格灌注樁僅為8.7%，承載比高于后者，短勁性攪拌樁的比例更大可達(dá)到21.3%，且端阻發(fā)揮的時(shí)機(jī)更早。

3）大直徑勁性攪拌樁施工效率高，利用工廠預(yù)制的PHC管樁作為芯樁，成樁質(zhì)量容易得到控制，是一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的施工工藝。在提供相同的承載力的情況下，所需樁長(zhǎng)比灌注樁少，可以降低單位承載力造價(jià)。