鄒金鋒 ，安愛軍，鄧宗偉，肖華溪

(1. 中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙，410008)

目前廣泛使用的樁基后注漿技術(shù)可以固化樁底沉渣，改善樁側(cè)泥皮性能，提高樁的極限承載力，減小樁基工后沉降。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-2]對(duì)注漿樁的受力性及其與注漿量的關(guān)系進(jìn)行了研究，并給出了不同的計(jì)算分析方法，但是，關(guān)于后注漿對(duì)樁基工后沉降影響的研究較少。張忠苗等[3]通過試樁獲得后注漿樁的承載力比注漿前的承載力提高20%～30%，對(duì)礫石持力層，可提高 40%以上，且沉降量明顯減少。程曄等[4]采用自平衡試樁法獲得了幾個(gè)重大工程的超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁樁端承載力實(shí)測(cè)值。王陶等[5]對(duì)超長(zhǎng)樁的承載性能和荷載傳遞機(jī)理的研究表明：超長(zhǎng)樁的荷載-沉降曲線沒有明顯破壞點(diǎn)，其豎向荷載主要依靠樁側(cè)摩阻力進(jìn)行傳遞，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮存在最佳深度。黃生根等[6]通過實(shí)驗(yàn)獲得樁基總側(cè)阻提高幅度為 12%以上，端阻提高1.4倍以上。側(cè)阻力增量對(duì)樁極限承載力的貢獻(xiàn)可達(dá)到1.5倍以上。吳鵬等[10]提出考慮樁側(cè)摩阻力的深度效應(yīng)的單樁及群樁的荷載傳遞函數(shù)，并獲得了較可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。黃敏等[11]分析了后注漿樁的荷載與位移特性的計(jì)算方法。周波等[14]通過彈性理論和 Mindlin位移解推導(dǎo)出樁頂和樁間土的沉降量計(jì)算公式。但是，上述研究并未涉及后注漿樁技術(shù)減小樁基工后沉降。在京滬高速鐵路的建設(shè)中，為控制地基沉降對(duì)工程的影響，大量采用橋梁，因此，掌握深厚軟土地區(qū)中控制長(zhǎng)鉆孔灌注樁的工后沉降技術(shù)非常重要。在此，本文作者在京滬高速鐵路的長(zhǎng)鉆孔灌注樁的后注漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)豎向荷載下深厚軟土地區(qū)長(zhǎng)鉆孔灌注樁后注漿加固前、后的荷載傳遞特性、荷載沉降特性等進(jìn)行研究，揭示深厚軟土地區(qū)長(zhǎng)鉆孔灌注樁注漿加固前、后的承載性狀和沉降特性等。

1 工程地質(zhì)與實(shí)驗(yàn)概況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料可知：0～-10 m的土為淤泥質(zhì)黏土；-10～-17 m的土為粉質(zhì)黏土；-17～-52.29 m為粉土，且隨深度增加，其承載力略有增加；-52.29～-61 m的土為粉砂土。各土層中，地下水豐富，基本處于飽和狀態(tài)。

注漿樁的具體情況為：503～508號(hào)樁基加3根試驗(yàn)樁S1，S2和S3。其中，505號(hào)和506號(hào)樁為未注漿樁，S3為樁端樁側(cè)同時(shí)注漿，其余為注漿樁。樁側(cè)注漿點(diǎn)的位置為樁長(zhǎng)的2/3處，樁端和樁側(cè)注漿均用預(yù)埋管。各試驗(yàn)樁注漿參數(shù)如表1所示。

圖1 樁荷載-沉降曲線Fig.1 Curves of load and settlement for pile

表1 試驗(yàn)樁注漿參數(shù)Table1 Grouting parameters of pile

2 荷載沉降關(guān)系結(jié)果

2.1 荷載沉降關(guān)系

采用慢速維持荷載堆載法，荷載分9級(jí)加載。試驗(yàn)中，儀器可以自動(dòng)補(bǔ)載，從而保證每級(jí)荷載的穩(wěn)定。加載方法、加載穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)和終止加載條件嚴(yán)格按照《鐵路基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。樁荷載-沉降曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：4.6 MN荷載作用下，注漿和未注漿樁均未達(dá)到破壞。在荷載水平較低時(shí)，注漿與否對(duì)荷載-沉降曲線的影響不大。與未注漿柱相比，注漿柱的樁頂沉降減少量如表2所示。從表2可見，在4.6 MN荷載作用下，樁端注漿的樁頂沉降比未注漿樁的減少30%以上，樁側(cè)注漿的樁頂沉降比未注漿的小20%以上。后注漿技術(shù)能較好地改善了樁的工程特性。

從圖1和表2可以看出：在荷載水平較低時(shí)，與未注漿樁相比，樁側(cè)注漿樁的沉降速率較快。對(duì)未注漿樁而言，在樁頂施加荷載初期，由于荷載不夠大，淺層土體的摩阻力全部承擔(dān)了樁頂荷載，樁頂位移主要為樁側(cè)土體與樁體之間的相對(duì)位移；當(dāng)樁側(cè)土體注漿之后，樁側(cè)土體被加固，強(qiáng)度顯著提高，樁頂位移主要為樁身壓縮，而樁側(cè)土體與樁體之間的相對(duì)位移所占比例較小。

2.2 持荷時(shí)間曲線

由于高速鐵路對(duì)工后沉降要求極其嚴(yán)格，樁基后注漿加固是減小樁基工后沉降的有效方法之一。本試驗(yàn)主要通過模擬工作荷載作用下樁基持荷時(shí)間與沉降的關(guān)系，獲得了9根典型樁基在不同荷載作用下的荷載-時(shí)間曲線，如圖2所示。

表2 沉降減少量Table2 Decreasement of displacement %

圖2 樁基的荷載-時(shí)間曲線Fig.2 Curves of load and time for pile

從圖2可以看出：在6.0 MN恒定荷載作用下(遠(yuǎn)大于工作荷載4.6 MN)，隨著持荷時(shí)間的延長(zhǎng)，總體沉降趨勢(shì)不變。在持荷荷載為4.6 MN時(shí)，隨著持荷時(shí)間的延長(zhǎng)，其沉降有微量回彈趨勢(shì)。因此，后注漿技術(shù)是減小樁基工后沉降的有效方法之一。

3 應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

3.1 各級(jí)荷載下的樁身軸力

試樁在各級(jí)荷載作用下的樁身軸力分布可以通過埋設(shè)在樁身 14個(gè)斷面處的鋼筋應(yīng)力計(jì)所采集的數(shù)據(jù)換算得到。鋼筋應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)為鋼弦振動(dòng)頻率，由下式計(jì)算得到某一級(jí)荷載作用下i斷面鋼筋軸力pi：

式中：K為標(biāo)定系數(shù)；Fi為某一級(jí)荷載作用下 i斷面鋼弦振動(dòng)頻率, Hz；F0為鋼弦初始振動(dòng)頻率, Hz；B為計(jì)算修正值, kN，由儀器標(biāo)定書提供。得到i斷面鋼筋軸力后，可以由下式計(jì)算該斷面鋼筋應(yīng)變?chǔ)舏：

式中：Ag為鋼筋面積，m2；Eg為鋼筋彈性模量，kPa。鋼筋和混凝土澆灌在一起，假設(shè)二者變形一致，即任一斷面鋼筋與混凝土具有相同的應(yīng)變。故樁身軸力為

式中：Ec為混凝土彈性模量，MPa；Ac為混凝土面積，m2。

3.2 樁側(cè)阻力隨深度變化關(guān)系

根據(jù)靜力平衡原理，不考慮樁身自重影響，相鄰2個(gè)測(cè)試斷面間的軸力變化值等于兩斷面間的側(cè)阻發(fā)揮值，由此可算出該段樁樁側(cè)平均側(cè)阻力qsi：

式中：U為樁身周長(zhǎng)，m；li為第i層土厚度，m；i-1和 i分別為土層的上、下界面；Qi-1和 Qi分別為第 i個(gè)土層上、下分界面處實(shí)測(cè)軸力，kN。

各級(jí)荷載下軸力和摩阻力沿樁身深度變化如圖 3和4所示。從圖3和4可以看出：

(1) 503～508號(hào)樁樁側(cè)阻力的最大值分別出現(xiàn)在樁頂以下位置：26，18，20，20，18和20 m；對(duì)應(yīng)的最大摩阻力分別為：44.60，44.60，42.20，41.40，48.56和55.73 kPa。而最大摩阻力對(duì)應(yīng)的土層為粉質(zhì)土，其對(duì)樁基的摩阻力發(fā)揮比黏土、淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土的好。

(2) 503～508號(hào)樁樁端阻力分別占總荷載的6.96%，6.09%，8.70%，8.26%，5.43%和 4.35%。說明樁在傳遞豎向荷載的過程中，大部分荷載轉(zhuǎn)由樁側(cè)土體以摩阻力的形式承擔(dān)。樁頂荷載在傳遞過程中，上部土層側(cè)阻力先于下部發(fā)揮，隨荷載增加，下部土層的側(cè)阻力逐步被激發(fā)，同時(shí)還可看出各土層側(cè)阻力的增速不同，其峰值有逐漸下移的趨勢(shì)。503～508號(hào)樁樁側(cè)摩阻力占總荷載的93.04%，93.91%，91.3%，91.74%，94.57%和95.65%，說明軟土地區(qū)超長(zhǎng)樁受力以樁側(cè)摩阻力為主。

(3) 在豎向荷載下，樁身軸力曲線大致呈線性分布，且隨樁體深度的增加而逐漸減小。軸力曲線上某段區(qū)間的斜率則反映了該段土層的側(cè)阻力：斜率越大，則側(cè)阻力越??；反之，則側(cè)阻力越大。

圖3 樁軸力沿樁身深度變化曲線圖Fig.3 Distribution of axis force along length of pile

(4) 加載初期，由于樁側(cè)阻力較小，曲線較陡，隨荷載增加，曲線逐步變緩，說明樁側(cè)阻力在逐漸發(fā)揮，樁端阻力也隨之不斷增大，也說明各測(cè)試截面軸力隨加載的增加逐漸增加，而增幅則與樁側(cè)各土層阻力的發(fā)揮程度有關(guān)。

(5) 樁側(cè)注漿樁的摩阻力顯著提高且軸力傳遞隨深度衰減得更快，層面間軸力曲線的斜率也較大。隨著荷載的增加，這種趨勢(shì)更加顯著。

(6) 樁端荷載與未注漿樁相比有所減小。原因是漿液的上升對(duì)樁側(cè)泥皮起到固化作用，使樁-土形成一個(gè)更加緊密的共同作用系統(tǒng)，改善了基樁的力學(xué)性狀。而且由于鉆孔灌注樁泥漿護(hù)壁的存在，阻礙了樁身與樁周土的黏結(jié)咬合，降低了樁側(cè)摩阻力。因此，泥漿護(hù)壁的存在成為泥漿護(hù)壁法鉆孔灌注樁的一大癥結(jié)，而通過樁基后注漿技術(shù)可有效解決，使樁側(cè)摩阻力得到顯著提高。

圖4 摩阻力沿樁身深度變化曲線圖Fig.4 Distribution of frictional resistance along length of pile

4 結(jié)論

(1) 確定了總荷載為4.6 MN時(shí)各級(jí)荷載作用下的樁身軸力和樁側(cè)摩阻力隨樁身深度的變化規(guī)律。樁側(cè)摩阻力占總荷載的93%左右，樁端軸力只占樁頂荷載的5%左右。

(2) 當(dāng)注漿量為3 t且注漿壓力為1～3 MPa時(shí)，在4.6 MN荷載作用下，樁側(cè)注漿可減小樁頂位移23%左右，樁端注漿可減小樁頂位移32%左右。

(3) 通過樁基后注漿技術(shù)，在一定程度上增大了樁徑，改善了樁側(cè)土體受力特性，顯著提高了樁側(cè)摩阻力。因此，后注漿技術(shù)是減小工后沉降的有效方法之一。

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