鄭 賀，鮑 宇，姚春磊

（1.徐州市城市建設(shè)工程管理中心，江蘇 徐州 221018；2.徐州市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 徐州 221116；3.徐州市建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著設(shè)計(jì)能力和施工水平的提高，單樁豎向抗壓承載力呈現(xiàn)越來(lái)越高的趨勢(shì)，數(shù)千噸、上萬(wàn)噸的單樁設(shè)計(jì)承載力已屢見(jiàn)不鮮［1，2］。越來(lái)越高的單樁承載力，對(duì)檢測(cè)的要求也越來(lái)越高，對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作的要求也越細(xì)致。靜載試驗(yàn)中，樁破壞形式主要有兩種：樁體材料破壞和樁側(cè)、樁端巖土體無(wú)法繼續(xù)承載而產(chǎn)生的破壞。在樁體材料破壞模式中，多見(jiàn)樁上部被壓壞，但如果樁身存在缺陷或負(fù)摩阻力，破壞可能發(fā)生在樁身缺陷截面或中性點(diǎn)附近，本文對(duì)此不做討論，僅討論樁頭被壓爆的現(xiàn)象。對(duì)于灌注樁，在靜載試驗(yàn)之前往往需要對(duì)灌注樁樁頭單獨(dú)加固，即便如此，試驗(yàn)過(guò)程中仍經(jīng)常出現(xiàn)樁頭壓爆現(xiàn)象，此時(shí)往往需要重新或擴(kuò)大檢測(cè)，造成工期拖延和成本的提高。

表1 表示的是某地區(qū)某檢測(cè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)的 2018 年和 2019 年灌注樁靜載試樁檢測(cè)數(shù)量。從表1 可知，爆樁率約占試樁總數(shù)的 3.5 %，在被壓壞的試樁中，樁頭破壞的比例占 15 %～20 %，該比例還是比較大，不容忽視的。所以有必要針對(duì)試樁樁頭加固材料進(jìn)行相關(guān)研究，尋求一種加固效果更好的材料替代混凝土材料。

表1 試樁樁頭破壞數(shù)量情況統(tǒng)計(jì)

灌注樁樁頭處理一般按照 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［3］進(jìn)行制作，1 倍樁徑范圍內(nèi)用 3～5 mm 鋼板圍裹或在樁頂 1.5 倍樁徑范圍內(nèi)設(shè)置箍筋，并在樁頂附近設(shè)置 1～2 層鋼筋網(wǎng)片，混凝土一般提高一至兩個(gè)標(biāo)號(hào)。目前有的地區(qū)建設(shè)主管部門(mén)要求靜載驗(yàn)收試驗(yàn)樁要隨機(jī)選取，試驗(yàn)在基坑標(biāo)高上進(jìn)行，原來(lái)的檢測(cè)樁位在設(shè)計(jì)圖紙中直接選定好，施工時(shí)將試驗(yàn)樁直接灌至地面標(biāo)高，提前進(jìn)行樁頭加固處理的做法就無(wú)法實(shí)行了。樁頭加固只能在基坑開(kāi)挖后才能進(jìn)行，此時(shí)如采用常規(guī)混凝土，其強(qiáng)度發(fā)揮需要一周甚至更長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)造成檢測(cè)周期的延長(zhǎng)，所以也需要尋求一種性質(zhì)和混凝土相當(dāng)，短期強(qiáng)度更高的材料代替混凝土進(jìn)行樁頭處理。

灌漿料具有短期強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)［4］。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 類(lèi)水泥基灌漿材料 1 d 強(qiáng)度≥20MPa，3 d 強(qiáng)度≥40 MPa［5］。加固的樁頭由于被鋼護(hù)筒包裹，可以將其視為鋼管混凝土短柱進(jìn)行研究。閆志剛等［6］基于極限平衡理論提出了鋼管 RPC 短柱的極限承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，但其計(jì)算精度依賴(lài)于 RPC 常規(guī)三軸強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則［7］。張嘯馳等［8］以圓鋼管約束高強(qiáng)灌漿料局部承壓性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立圓鋼管約束高強(qiáng)灌漿料局部承壓性能的分段模型，指出增大試件高徑比、鋼管壁厚和高強(qiáng)灌漿料強(qiáng)度均可提高其極限承載力。武立偉等［9］基于鋼管灌漿套筒連接軸向受壓性能靜載試驗(yàn)，指出隨著連接長(zhǎng)度和灌漿料強(qiáng)度的增大，試件抗壓極限荷載提高。加固灌漿料脆性大，與高強(qiáng)混凝土相比尺寸效應(yīng)更顯著［10］。前期研究中針對(duì)大直徑鋼護(hù)筒約束灌漿料抗壓性能關(guān)注較少，本文擬針對(duì)鋼護(hù)筒約束灌漿料樁頭加固開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果研究。

1 灌漿料材料配比及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)反復(fù)適配，水泥基灌漿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 配比經(jīng)膠砂攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢璨⒔?jīng)振實(shí)臺(tái)振實(shí)好樣品后，在實(shí)驗(yàn)室制作 3 組芯樣，芯樣尺寸 40 mm×40 mm×160 mm，1 d 后脫模，如圖1 所示。脫模后立即進(jìn)行一組抗壓試驗(yàn)，其余芯樣放入 20±3 ℃ 恒溫養(yǎng)護(hù)水箱養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到齡期后分別進(jìn)行 3 d、7 d 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備采用 ACE-201 水泥強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，如圖2 所示。

圖1 加工后芯樣

圖2 ACE-201 水泥強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)

圖3 表示的是灌漿料單軸抗壓強(qiáng)度變形曲線(xiàn)。由圖3 可得，同一齡期的三個(gè)灌漿料試塊抗壓強(qiáng)度接近，離散性小；水泥基灌漿料短期強(qiáng)度發(fā)揮較快，1 d 的平均抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 35.3 MPa，3 d 和 7 d 的可以分別達(dá)到 51.5 MPa、68.5 MPa。峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨強(qiáng)度增加略有增長(zhǎng)，均在 0.9～1.2×10-3。灌漿料峰值應(yīng)力的發(fā)揮較混凝土快，應(yīng)力應(yīng)變加卸載曲線(xiàn)較陡，說(shuō)明該材料彈性模量較大。

圖3 灌漿料單軸壓縮曲線(xiàn)

圖4 表示的是水泥基灌漿料、混凝土彈性（割線(xiàn)）模量與強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)，圖中混凝土彈性模量通過(guò) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）［11］表4.1.5 差值得到。由圖4 可知灌漿料的彈性模量和峰值割線(xiàn)模量均隨強(qiáng)度略有增長(zhǎng)，峰值割線(xiàn)模量的增長(zhǎng)速率小于彈性模量的增長(zhǎng)速度，但二者均高于混凝土彈性模量增長(zhǎng)速率。同等強(qiáng)度的灌漿料的彈性模量約為混凝土彈性模量的 1.9～2.6 倍；而對(duì)于峰值割線(xiàn)模量，這一比例是混凝土的 1.2～1.5 倍，這說(shuō)明水泥基灌漿料比混凝土的塑性更小，更容易發(fā)生脆性破壞。

圖4 灌漿料、混凝土彈性（割線(xiàn)）模量與強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

結(jié)合圖3、圖4 可以得出，本文配比的灌漿料 1 d 強(qiáng)度接近或超過(guò)一般灌注樁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，3 d、7 d 強(qiáng)度超過(guò)灌注樁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，也就是說(shuō)對(duì)于樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 C35 左右時(shí)，本文配合比下灌漿料加固的樁頭最快僅需 1 d 后即可進(jìn)行靜載試驗(yàn)，與用混凝土加固樁頭相比，更利于縮短檢測(cè)工期。

2 工程應(yīng)用

表3 表示的是某檢測(cè)機(jī)構(gòu) 2021 年采用水泥基高強(qiáng)灌漿料加固的灌注樁樁頭的檢測(cè)情況。該機(jī)構(gòu)全年共檢測(cè)了 72 根灌注樁，全部用本文配合比的水泥基灌漿料加固樁頭，檢測(cè)的單樁設(shè)計(jì)極限承載力從 4 950～29 600 kN 不等，其中對(duì)于承載力為 29 600 kN 的樁，為驗(yàn)證樁頭強(qiáng)度多特意加了 10 % 的荷載，仍未再出現(xiàn)爆樁頭現(xiàn)象，這說(shuō)明本文配合比的水泥基灌漿料在縮短檢測(cè)周期的同時(shí)，在材料強(qiáng)度方面也是可以保證的。

表3 2021年高強(qiáng)灌漿料加固試樁樁頭情況

基于以上分析，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，建議針對(duì)小噸位的（<8 000 kN）試樁，按照規(guī)范［3］附錄 B 的做法，采用本文配合比下的水泥基灌漿材料，休止期 1～2 d 即可進(jìn)行靜載試驗(yàn)；針對(duì)中噸位樁（8 000～20 000 kN），按照規(guī)范［3］附錄 B 要求配備護(hù)筒鋼板和鋼筋網(wǎng)片，2～3 d 后可進(jìn)行靜載試驗(yàn)；大噸位樁（＞20 000 kN），應(yīng)慎重對(duì)待，鑒于高強(qiáng)灌漿料的脆性，建議采取比規(guī)范［3］附錄 B 稍嚴(yán)格的做法配備護(hù)筒鋼板和鋼筋網(wǎng)片，3～5 d 后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以保證靜載檢測(cè)過(guò)程中試樁樁頭不先破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

試樁樁頭的承載力對(duì)靜載試驗(yàn)至關(guān)重要，檢測(cè)前首先要把樁頭加固好，通過(guò)以上分析得到如下結(jié)論。

1）本文配比的水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度離散性較小，1、3、7 d 的平均強(qiáng)度可達(dá)到 35.3、51.5、68.5 MPa，高于同齡期混凝土的強(qiáng)度。

2）本文配合比下的水泥基灌漿料的彈性模量和峰值割線(xiàn)模量與強(qiáng)度正相關(guān)，但有別于混凝土的隨強(qiáng)度線(xiàn)性增長(zhǎng)，其彈性模量約為同等強(qiáng)度混凝土的 1.9～2.6 倍，表現(xiàn)出更明顯的脆性。

3）結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，采用本文配比的水泥基灌漿料加固的試驗(yàn)樁：建議小噸位試樁樁頭 1 d 后即可靜載試驗(yàn)；中等噸位樁，按構(gòu)造配備護(hù)筒鋼板和鋼筋網(wǎng)片，2～3 d 后進(jìn)行靜載試驗(yàn)；大噸位樁應(yīng)慎重對(duì)待，稍高配鋼護(hù)筒和鋼筋網(wǎng)片，3～5 d 后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以保證靜載檢測(cè)過(guò)程中試樁樁頭不先破壞。

4）由于條件有限，本文采用的試驗(yàn)機(jī)剛度較小，材料制備稍顯粗糙，且試驗(yàn)過(guò)程中加載速度較快，對(duì)數(shù)據(jù)的精度會(huì)產(chǎn)生一定影響，抗壓強(qiáng)度會(huì)稍高估，豎向變形會(huì)低估，計(jì)算的彈性模量和割線(xiàn)模量會(huì)被高估，但數(shù)據(jù)的總體趨勢(shì)是符合該材料承載規(guī)律的。今后需要進(jìn)一步提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，擴(kuò)大水泥基灌漿料在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍，以更精確的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和更廣泛的足尺試驗(yàn)應(yīng)用效果來(lái)驗(yàn)證其在縮短工期，保證樁頭強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。Q