蘇彥 周記名 譚維佳

摘 要：為提升后注漿超長鉆孔灌注樁的承載性能，以靜載試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對3根后注漿超長鉆孔灌注樁的樁側(cè)阻力、樁身軸力以及荷載-沉降等因素進行了系統(tǒng)分析。通過擬合Q-S曲線預(yù)測了單樁極限承載力，并利用有限元模型分析了樁端注漿樁單樁承載力的影響因素。研究表明，1）樁端注漿超長樁的Q-S曲線變形緩慢;2）樁身荷載主要由下部土層決定;3）樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生與樁土相對位移有著緊密的聯(lián)系;4）3種函數(shù)的擬合效果均較好，得到的極限承載力差距不大;5）樁端持力層為粉砂時注漿效果較好，注漿量對極限承載力的影響較小。研究結(jié)果可為此類工程的后注漿超長鉆孔灌注樁的設(shè)計及施工提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;樁端注漿;超長樁;現(xiàn)場足尺試驗;擬合預(yù)測;數(shù)值分析

中圖分類號：U473.1?? 文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2021yx02010

Research on ultimate bearing capacity of end-grouting super-long

cast-in-place pile

SU Yan1，ZHOU Jiming2，TAN Weijia3

（1.Tianjin Huatie Engineering Consulting Company Limited， Tianjin? 300202， China;2. China Civil Engineering Construction Corporation，Beijing 100038，China;3. College of Geological Engineering and Survey，Chang′an University，Xi′an，Shaanxi 710054，China）

Abstract：

In order to improve the bearing capacity of the post-grouting super-long bored cast-in-place piles， on the basis of the static load test data， the influence factors of side resistance， axial force and load settlement of the three post-grouting super-long bored cast-in-place piles were analyzed systematically. The ultimate bearing capacity of single pile was predicted by fitting the Q-S curves， and the factors influencing the single pile bearing capacity of end-grouting piles were analyzed by finite element model. The results show that： 1）the Q-S curves of the super-long piles with pile end grouting are slowly deformed;2）the load of the pile body is mainly determined by the lower soil layer;3） the generation of the side friction of the pile is closely related to the relative displacement of the pile and soil; 4） the fitting effects of the three functions are good， and the difference of the ultimate bearing capacity is not significant; 5） when the bearing layer of pile end is silty sand， the grouting effect is better， and the effect of grouting quantity on ultimate bearing capacity is small. The conclusions can provide some guidance for the design and construction of post-grouting super-long bored cast-in-place pile in similar projects.

Keywords：

foundation engineering; pile end grouting; super-long pile; full-scale test in site; fitting prediction; numerical analysis

為了提高超高層建筑的單樁承載力，超長樁后注漿技術(shù)在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-5]。吳江斌等[6]在充分調(diào)研上海地區(qū)樁端后注漿灌注樁的工程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析得到了合理注漿量，并提出樁端后注漿灌注樁在軟土地區(qū)的承載力計算方法;楊生彬等[7]對后壓漿鉆孔灌注樁做了大量動荷載和靜荷載的對比試驗，不僅提高了試驗的精度，提高了單樁承載力的預(yù)測準確性;朱向榮等[8]提出與地質(zhì)條件相適應(yīng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，推動了樁端后壓漿技術(shù)的發(fā)展;

黃生根等[9]對蘇州大橋進行了大量平衡靜載試驗，分析得出樁端壓漿既可以改良樁和樁周土體接觸面的性質(zhì)，也可以提高樁端阻力。此外，鄒金鋒[10]、鄭愛榮等[11]、邱志雄等[12]采用試驗和數(shù)值計算方法研究了注漿作用對樁基的加固作用機理;趙春風(fēng)等[13]和王忠福等[14]對大直徑長樁的荷載傳遞和承載力機理進行了試驗研究。李永輝等[15]結(jié)合載荷試驗數(shù)據(jù)對大直徑超長樁的承載特性進行了研究。

對后注漿處理的超長鉆孔灌注樁，國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)性研究較少。因此筆者對某工程3根后注漿超長鉆孔灌注樁靜載試驗數(shù)據(jù)進行了整理與分析，并對樁端注漿樁的極限承載力進行了預(yù)測，研究了影響后注漿樁單樁承載力的因素。

1 地質(zhì)情況和靜載試驗概況

據(jù)勘察報告，場地相應(yīng)土層的力學(xué)性質(zhì)分布如表1所示。

采用鉆孔灌注樁，樁徑為1 000 mm，樁長為76 m，試樁采用樁端后注漿方式和C45砼，錨樁采用C35砼。單樁的最大承載力設(shè)計為28 500 kN，而持力層設(shè)計為⑨1層灰色粉砂。樁端后注漿的注漿量為2.19 m3，注漿壓力為1.80 MPa，水泥漿液上返高度分別為30.8，36.8和34.6 m。

采用慢速維持荷載法來實施本次的靜載荷試驗，

通過在載荷試驗中施加不同實際載荷來研究樁側(cè)摩阻力沿樁長的實際分布以及樁身軸力等參數(shù)。如圖1所示，試驗過程中的3根試樁都采用的是錨樁-反力架裝置，通過8只5 000 kN級千斤頂來實施加載，并使用4根錨樁連接鋼梁來提供試驗所需的反力。試驗過程中當對3根試樁同時加載28 500 kN時，裝置均未產(chǎn)生破壞。試樁靜力載荷試驗沒有加載至破壞，主要是基于2個方面的原因：1）出現(xiàn)試驗安全和成本考慮，錨樁直徑和樁長均較小，所能提供的抗拔力有限。2）雖然對于科研需求而言，加載至完全破壞更能體現(xiàn)研究價值，但對于實際工程需求，設(shè)計最大承載力為28 500 kN，3根試樁達到28 500 kN時，均未發(fā)生破壞已表明了設(shè)計工作的可靠性。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 荷載-沉降（Q-S）曲線

圖2-圖4為3根試樁在加荷結(jié)束后的變形曲線圖。

圖中的樁頂沉降、樁身沉降和樁端沉降分別指樁頂位置、樁身中間位置和樁底位置的實測沉降量。通過分析不同位置的荷載沉降曲線可以間接明確不同位置樁土間的相對位移，從而明確樁土間相互作用的發(fā)揮程度和樁承載力的發(fā)揮機理。由于傳感器安裝時出現(xiàn)問題，導(dǎo)致TP2試樁樁端沉降數(shù)據(jù)沒采集到，圖3中只顯示了相應(yīng)的樁頂和樁身沉降。

如圖2-圖4所示，試驗過程中3組試樁樁頂Q-S曲線的變化趨緩，也無較為明顯的拐點，卸載后順利回彈;與此同時，樁端的Q-S曲線和樁身Q-S曲線的變化也趨緩，無較為明顯的拐點，最大沉降量也處在較小范圍內(nèi)。結(jié)果說明：試樁的單樁豎向抗壓最大承載力大于等于28 500 kN，試驗中每組試樁都未達到最大受力狀態(tài)。

2.2 樁身軸力的分布曲線

在施加不同等級荷載的情況下，試驗中的3根試樁樁身軸力曲線均較為接近，如圖5-圖7所示。

樁身軸力隨著試驗荷載的增大而增大。同時樁身軸力隨埋深增大而減小，樁身28 m時成為軸力減小速率的分界線：當試驗荷載較小時，28 m以上樁段承擔(dān)了多數(shù)試驗荷載，這表明此時的樁類似于摩擦樁;隨著試驗荷載的加大，28 m以上樁段承擔(dān)荷載的比例逐漸減小，而28 m以下樁段分承擔(dān)荷載的比例逐漸加大，這表明此時樁承載性能由上部

分承載為主的摩擦樁向下部分承載為主的摩擦樁過渡;當試驗荷載較大時，28 m以上部分承擔(dān)荷載的比例很小，此時28 m以下樁段承擔(dān)了試驗中的主要樁側(cè)摩阻力。

2.3 樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮

各典型土層樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移曲線如圖8-圖10所示。

分析曲線圖后得知，當樁土相對位移在3 mm范圍內(nèi)變動時，隨著相對位移逐漸增大，不同土層的

樁側(cè)摩阻力也呈現(xiàn)出較為明顯的線性增長趨勢，并且在樁土位移一定的情況下，樁身中下部土層會受到最大的側(cè)摩阻力。而當樁土相對位移增長至接近6 mm時，側(cè)阻力開始呈現(xiàn)非線性變化趨勢，淺層①1-3層粉質(zhì)黏土等軟化均較為明顯。而當樁土相對位移進一步增長至接近12 mm時，中部土層⑥、⑦2上層粉砂、⑦2中層粉砂等軟化也較為明顯，而樁端附近⑦2下層粉砂等沒有達到極限狀態(tài)。

本試驗過程中，荷載是分步施加的。當樁頂施加荷載較小時，上部土體所提供的樁側(cè)阻力即可平衡所施加的荷載。隨著樁頂荷載的增加，上部土體與樁側(cè)的相對位移增加，側(cè)阻力也有一定程度增大。當樁頂荷載繼續(xù)增加時，上部側(cè)阻力達到極限后基本不變，增加的荷載基本由下部側(cè)阻力所承擔(dān)。因此會出現(xiàn)隨著試驗荷載的加大，28 m以上樁段承擔(dān)荷載的比例逐漸減小，而28 m以下樁段承擔(dān)荷載的比例逐漸加大。

3 單樁極限承載力預(yù)估

試驗過程中對樁豎向承載性狀的認識取決于對樁頂Q-S曲線的解讀。在試驗過程中，加載會因為試驗設(shè)備限制等諸多原因而達不到樁的極限破壞狀態(tài)，所以預(yù)估樁的極限承載力就變得很有必要。

筆者通過指數(shù)函數(shù)[16]、雙曲線和三次多項式等擬合試樁樁頂Q-S曲線。試驗結(jié)果表明：當荷載在試樁最大加載量變化時，由上述3種函數(shù)分別得出的擬合曲線均大致與試驗中的實測曲線重合;當荷載大于試樁最大加載量且荷載一定時，由指數(shù)函數(shù)擬合出的曲線樁頂變形程度最大，雙曲線次之，三次多項式最小。3種函數(shù)的擬合結(jié)果如表2和圖11-圖13所示。

4 樁端注漿樁極限承載力影響因素數(shù)值分析

考慮到現(xiàn)場足尺試驗成本太大，無法大量開展。而有限元數(shù)值計算方法是省時省成本的多變量計算方法。筆者通過應(yīng)用ABAQUS軟件來對抗壓樁三維有限元進行數(shù)值模擬。主要參數(shù)：彈性模量為33.5 GPa，泊松比為0.15。土的黏聚力等參數(shù)與勘察報告中的對應(yīng)數(shù)值保持相同，而土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。側(cè)面施以水平位移約束;地面邊界施以豎向位移約束和水平位移約束，并且數(shù)值固定。

為研究注漿量、樁尺寸、樁端土的力學(xué)性質(zhì)對樁承載力的影響，需采用有限元法進行多變量計算。在計算之前先進行有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，以驗證有限元計算方法的有效性。同時定義樁頂沉降達到樁徑的0.05時，對應(yīng)的荷載為極限承載力。有限元計算所建立的模型如圖14所示。

4.1 模型的驗證

有限元模擬與實測的Q-S曲線對比圖如圖15所示。通過分析圖15可知，無論是通過有限元模擬還是實測，兩者結(jié)果均較為接近，這一結(jié)果說明試驗中對有限元模型相關(guān)參數(shù)數(shù)值的選取較為合理。

4.2 注漿量

假設(shè)漿體凝固后的形狀為標準圓柱體，且d=D（設(shè)漿體凝固后的直徑為d，樁身直徑為D）。于是可通過式（1）求出樁體長度L。

π4d2L=1 000tρn，（1）

式中：d=D/2，為注漿體半徑，m;t為注漿量，t;ρ為注漿體的密度，kg/m3;n為樁端土孔隙率。

樁端注漿樁的實際注漿量會對其豎向極限承載力有較為明顯的影響，為了定量研究這一影響，將注漿量從0～5 t等量設(shè)置6個梯度，并逐一計算不同注漿量下的承載力。在樁端土以及注漿體的彈性模量均保持不變的情況下，通過改變注漿體的長度決定注漿量的多少。

通過分析圖16可知，樁體是否注漿會明顯影響Q-S曲線的走向。在其他條件不變的情況下，隨著注漿量變大，樁的承載力也會逐漸變大，但是其增大幅度逐漸趨緩。

4.3 長徑比

在實際試驗中，樁端注漿樁極限承載力也會受到長徑比的影響。為了進一步研究這一影響，取樁長L=90 m，且其整個試驗過程中保持不變。樁徑D則取0.60，0.75，1.00，1.50，2.00 m等5個不同數(shù)值。注漿量保持一定時，繪制不同樁徑對應(yīng)的樁頂Q-S曲線，如圖17所示。

分析圖17得知，樁端后注漿Q-S曲線在很大程度上會受到長徑比的影響而呈現(xiàn)不同走勢。L/D增大時，極限承載力逐漸減小。因此推測存在某一最優(yōu)長徑比數(shù)值A(chǔ)，當實際長徑比小于A時，極限承載力增長趨緩。

4.4 樁端土

樁端后注漿樁的承載力同時也會受到樁端土質(zhì)量的影響。本文取粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土等4種不同樁端土，并且假設(shè)注漿量均為3 t，土的孔隙比數(shù)值分別為0.650，0.758，0.814和0.884。為了得到不同注漿體長度，可通過式（1）來進行相關(guān)計算。

通過分析圖18得知，樁端注漿的實際效果從砂土到粉質(zhì)黏土逐漸變差。注漿樁相對于未注漿樁而言，其極限承載力在不同持力層中均有顯著提升，具體提升比例分別為35%，25%，18%和12%。

筆者采用變化注漿體模量的方式模擬樁端后注漿樁的承載力受注漿后樁端土的影響。具體在計算中樁端土彈性模量的變化為60，90，120和250 MPa。不同持力層模量下的樁頂荷載-沉降曲線如圖19所示。從圖中可以看出，隨著樁端土彈性模量的增大，樁的承載力不斷提高，這表明樁端后注漿的效果越好對樁承載力越有利。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合某實際工程的3根樁端后注漿超長灌注樁靜載荷試驗，對試驗結(jié)果進行了分析比較，通過對實測Q-S曲線的擬合預(yù)估了單樁極限承載力，并通過數(shù)值模擬，分析了注漿量、長徑比、持力層對單樁極限承載力的影響，得到以下結(jié)論。

1）樁端后注漿超長樁Q-S曲線變化趨緩，沒有達到樁的承載極限狀態(tài)。

2）樁端后注漿超長樁樁身軸力受埋深和樁頂荷載影響而呈現(xiàn)較大差異，樁頂荷載很小時，樁主要由樁段上部分側(cè)摩阻力承載，樁頂荷載較大時，主要由樁段下部分側(cè)摩阻力承載。

3）樁側(cè)摩阻力在很大程度上由樁土相對位移和所處的實際埋深所決定。

4） 應(yīng)用多項式、雙曲線、指數(shù)函數(shù)都可以對樁頂?shù)腝-S曲線進行較好的擬合，在達到最大加載量之前部分擬合曲線和實測曲線基本重合，擬合出的極限承載力精度高低依次為多項式、雙曲線、指數(shù)函數(shù)。

5） 樁的承載力隨注漿量增大逐漸變大，但是其增大幅度逐漸趨緩。

6）樁的長徑比在很大程度上決定了單樁極限承載力的大小，并且一定存在最優(yōu)長徑比。

7）采用不同樁端持力層時注漿效果不同，采取粉砂能達到最好的注漿效果。

采用數(shù)值分析方法對樁土間相互作用進行精確模擬，研究樁端后注漿超長灌注樁的承載性能和機理是今后研究的方向。

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收稿日期：2020-05-08;修回日期：2020-12-20;責(zé)任編輯：張 軍

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0800501）

第一作者簡介：蘇 彥（1984—），男，山東棗莊人，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程方面的研究。

E-mail：su1yan23@163.com

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