后注浆抗压桩荷载试验研究

后注浆抗压桩荷载试验研究

1群桩受力性状通过研究单链的垂直负荷对单链的影响是设计桩的基础。单桩竖向抗压静荷载试验是目前使用最为广泛的一种原位试验,该试验接近桩体实际受力情况,其结果可以为单桩竖向抗压的受力性状研究提供较好的途径。目前广泛使用的桩端后注浆技术,可以固化桩底沉渣,改善桩侧泥皮性能,提高桩的极限承载力,减小群桩的变形量。国内外很多学者[1~14]对群桩受力性状、注浆桩性状与注浆量关系进行了研究。本文从笔者所做的7000多根桩的静载试验中,选取具有范例的温州鹿城广场5根抗压桩(其中4根采用桩端后注浆)来详细阐述其受力性状。2场地工程基础分析鹿城广场工程场地位于温州市鹿城区核心地块,总用地面积132528m2,总建筑面积约410000m2(不包含地下建筑面积),包括1幢350m高的多功能超高层建筑、5幢135~155m高的超高层住宅、3幢80m高的高层以及1幢4~5层的大型商场。场地各土层的物理力学参数参见表1。其中2幢135~155m高的超高层住宅的基础设计采用钻孔灌注桩,桩径φ800mm,持力层为卵石层,并采用桩底后注浆。设计要求单桩竖向抗压承载力特征值为4000kN。为评价其实际承载力,设计要求对本工程做7根静载试验桩,本文选取其中的5根进行分析,编号分别为S1,S2,S3,S4和S5,其中试桩S5未采用桩端后注浆。5根试桩基本资料见表2。3桩底注浆压力随时间的变化规律桩端后注浆是指钻孔灌注桩在下放钢筋笼时预埋注浆管并灌注混凝土成桩,然后在成桩一定时间后对注浆管开塞并向桩端高压注入水泥浆,以加固桩端地层,固化桩端沉渣,从而提高单桩承载力,减小沉降的一种施工技术。合理的注浆量应由桩端、桩侧土层类别、渗透性能、桩径、桩长、承载力增幅要求、沉渣量、施工工艺和设计要求等诸因素确定。在注浆过程中,桩底可灌性的变化直接表现为注浆压力的变化。可灌性好,注浆压力则较低,反之,若可灌性较差,注浆压力势必较高。以往,人们在注浆过程中喜欢把注入压力固定在某一数值,而忽略了注浆压力的相对变化,实际上这种做法是不正确的。现场实测的注浆压力和注浆量随时间的变化曲线如图1所示(选取其中的A535和A686号桩进行分析)。从图1可以看出:在试桩进行桩端后注浆的过程中,注浆压力时刻都在变化,但是有一个大体动态的范围(A535号桩为3~5MPa,A686号桩为2~3MPa,注浆量均为3500kg),注浆过程中有注浆压力突跃而后又下降的现象,这是劈裂注浆和渗透、压密注浆方式交替进行的过程。而注浆量和时间近似呈线性增长的关系。随着注浆量进一步增大和被注土体下浆液浓度的提高,一定时间后注浆压力会有所提高。所以,在桩端后注浆中,一般采用注浆量为主控因素,注浆压力为辅控因素,现场记录必须要记录注浆量、注浆压力随时间的变化情况。4桩顶沉降和桩端沉降温州鹿城广场工程试桩静载试验采用堆载–反力架装置,加载方法采用千斤顶反力加载,JCQ静载自动记录仪自动记录每级压力。加载和卸载方式均按相关规范进行。桩顶沉降是在桩顶用千分表或位移传感器测量得到。桩端沉降则是预先在打桩时沿钢筋笼内侧埋设外径66mm的水管,然后在66mm水管内下放33mm水管,再在桩顶33mm水管上设测点得到。下放钢筋笼时在桩身9个断面预埋了钢筋应力计,每个断面3个,安装的位置根据场地土层的分布情况和桩长确定。4.1荷载–沉降曲线4根采用后注浆的试桩S1~S4的桩顶和桩端荷载–沉降曲线具有较好的相似性,为节省篇幅,本文只给出试桩S1的桩顶、桩端荷载–沉降关系曲线。同时选取和其他试桩具有相似条件的未注浆试桩S5来进行比较。未注浆试桩S5在其他试桩灌注之前先进行了初次静载试验,后注浆试桩是后期完成的(见表2),试桩S5和其他试桩的最大加载值不同,其最大加载值为12.3×103kN。试桩S1和S5的荷载–沉降关系曲线如图2所示。由图2可知,当荷载较小时,荷载–沉降曲线表现为线性关系;随着荷载的增大,沉降增速也逐渐增大,荷载–沉降曲线逐渐变为非线性。当荷载较小时,桩顶即产生沉降,而此时的桩端沉降值为0。只有当荷载增大到一定值时,桩端才开始出现沉降。从图2对比可以看出,当未注浆的试桩S5加载到荷载为9000kN时,桩端沉降约为5.72mm,桩顶沉降约为25.33mm;而采用桩端后注浆的试桩S1在9000kN时桩端沉降为2.11mm,桩顶沉降为17.83mm,说明桩端后注浆的试桩桩端和桩顶沉降都要比未注浆的沉降值小。也就是说,桩端后注浆可以减少沉降量,使得桩底的沉渣及卵石层得到固化。试桩S1~S4按规定荷载级别加载到4000kN时,桩端刚开始有沉降量出现,但其值较小,分别为0.11,0.09,0.10,0.08mm。而未注浆的试桩S5在加载到3000kN时,桩端沉降就开始出现,其值约为0.35mm。说明未采用后注浆的试桩侧摩阻力先于后注浆的试桩充分发挥出来,即桩端后注浆技术改善了桩侧土的性状,提高了桩侧摩阻力。实践证明,桩端注浆后浆液可以沿着桩侧向上爬升,从而可以固化桩侧的泥皮,达到增大桩侧摩阻力、提高桩的承载能力的目的。尽管未采用后注浆的试桩S5满足承载能力特征值在4000kN以上的要求,但其在9000kN时的桩顶和桩端沉降值都较大。鉴于本工程的重要性和后注浆技术的优点以及甲方的要求,工程桩决定采用桩端后注浆技术。4.2桩身压缩量计算方法利用实测桩顶、桩端沉降数据可以确定桩身压缩量Ss,其值可以通过下式获得式中:St为桩顶沉降实测值,Sb为桩端沉降实测值。利用式(1)得到的试桩S1~S5的桩身压缩量见表3。由表3可知,在未达到桩的极限承载力之前,对本工程中持力层是卵石层的长桩(桩长50m左右)而言,桩身压缩量是单桩沉降的主要组成部分。采用桩端后注浆的试桩在桩顶荷载低于桩极限承载力时,桩身压缩量占桩顶沉降的80%以上。所以在对持力层是卵石层的桩端后注浆长桩进行设计时,桩身压缩量不可忽视。采用理论计算方法可以近似得出桩身压缩量。假定桩身为线弹性,桩身截面积为A,弹性模量为Ep,考虑桩身自重对压缩量的贡献,桩身压缩量可以表示为式中:γd为桩身钢筋混凝土的重度,Q为单桩桩顶荷载,L为桩长。为简化计算,本文采取如下规定:对于端承型桩,桩身压缩系数ξe=1.0。对于摩擦型桩可按长径比确定ξe;当l/d≤30时,ξe=2/3;当l/d≥80时,ξe=1/3;当30<l/d<80时,ξe线性内插取值。采用本文计算方法得出的试桩桩身压缩量和实测值比较见表3,可以看出,压缩量采用本文的计算方法得出的桩身压缩量和实测值较为接近。4.3荷载作用下桩身轴力试桩S1~S4在各级荷载作用下的桩身轴力分布可以通过埋设在桩身9个断面处的钢筋应力计所采集的数据换算得到。钢筋应力计实测为钢弦振动频率,由下式计算得到某一级荷载作用下i断面钢筋轴力Pi:式中:K为标定系数(kN/Hz2);Fi为某一级荷载作用下i断面钢弦振动频率(Hz);F0为钢弦初始振动频率(Hz);B为计算修正值(kN),由仪器标定书提供。得到i断面钢筋轴力后,可以由下式计算该断面钢筋应变εi:式中:Ag为钢筋面积(m2),Eg为钢筋弹性模量(kPa)。钢筋和混凝土浇灌在一起,假定二者变形一致,即任一断面钢筋和混凝土具有相同的应变值。故桩身轴力为式中:Ec为混凝土弹性模量(MPa),Ac为混凝土面积(m2)。计算得到的各级荷载下的桩身轴力见图3。从图3可以看出,在各级荷载作用下,桩身轴力随着深度的增加而减少,相邻的两级荷载所对应的轴力增量随着深度的增加也逐渐减小。当荷载较小时,桩身下部轴力为0,随着荷载的增大,桩身下部逐渐产生轴力,端阻也开始逐渐发挥出来。桩端轴力所占桩顶荷载的比例随着荷载的增加逐渐增大,当荷载为9000kN时,桩端轴力约为桩顶荷载的50%。4.4桩土相对位移桩顶荷载较小时,桩身上部混凝土受力压缩,从而引起桩身上部桩土产生相对位移。随着桩顶上部荷载增大,桩身压缩量逐渐增加,桩身上部桩土相对位移增大,当桩土相对位移值大于桩土极限位移值后,桩身上部土的侧摩阻力已发挥到极限,桩土之间出现滑移,此时桩身下部土的侧摩阻力才得以进一步发挥。图4是各级荷载作用下各断面中心桩土相对位移值。从图4可以看到,桩土相对位移最大值出现在桩顶位置,且桩土相对位移随着深度的增加近似呈线性减少。同时桩土相对位移随着荷载的增加也是逐渐增加的。在荷载较小时,桩端处的桩土相对位移为0。只有当桩顶荷载增大到一定值时,桩端才开始出现桩土相对位移。4.5同下土层侧摩阻力的变化通过埋设的钢筋应力计所采集的数据换算成轴力后,进而可以得到平均侧摩阻力。桩身不同位置处的平均侧摩阻力分布如图5所示。由图5可知,上部和下部土层侧摩阻力的发挥是一个异步的过程。上部土层的侧摩阻力先于下部土层发挥作用;随着荷载增大,上部土层的侧摩阻力逐渐趋于稳定,而下部土层的侧摩阻力还远未发挥完全。不同的土层中,平均侧摩阻力有所差别。在同一土层中,随着荷载的增加,平均侧摩阻力也相应增大,但增加的幅度也有所差别。在荷载较小时,桩端处的平均侧摩阻力为0,随着荷载的增大,桩端处的平均侧摩阻力逐渐发挥出来,且其值在荷载增加不多时会急剧增大。4.6桩侧摩阻力的软化将钢筋应力计采集到的数据换算成平均侧摩阻力和桩土相对位移以后,可以得到试桩在同一断面、不同荷载作用下的平均侧摩阻力和桩土相对位移曲线(见图6),可以直观地反映侧摩阻力的发挥机制。从图6可以看出,平均侧摩阻力的发挥程度和桩土相对位移有着很好的对应关系。当桩土相对位移较小时,桩长范围内土层的平均侧摩阻力均随着桩土相对位移的增大而增大,随着桩土相对位移的逐渐增大,上部土层的平均侧摩阻力达到峰值,此后随着荷载的增加(桩土相对位移的增大),平均侧摩阻力逐渐降低,最后达到并维持一个残余强度。将这种桩侧摩阻力超过峰值进入残余阶段的现象定义为桩侧摩阻力的软化。侧摩阻力软化机制实质上是当桩上部的桩土相对位移大于土层强度发挥的临界极限位移时,上部桩土界面发生滑移(静摩擦变成动摩擦),桩土界面的滑移导致了自上而下每一层土的桩侧极限摩阻力由峰值强度跌落为残余强度。所以,由图6和表1可以判断,该工程中的灰黄色黏土和灰色淤泥质黏土中钻孔灌注桩发挥极限侧摩阻力所需要的位移约为3mm,灰色淤泥质黏土和灰色淤泥夹粉砂中钻孔灌注桩发挥极限侧摩阻力所需要的位移为1~2mm。而下部土层侧摩阻力仍在增大,且并未出现侧摩阻力软化现象,也就是说,桩下部土层的侧摩阻力并没有发挥完全。在桩端位置处,当桩土相对位移增加不多时,平均侧摩阻力却急剧增加。5桩侧摩阻力小本文在温州鹿城广场5根试桩静载试验的基础上,得出了如下结论:(1)在进行桩端后注浆的过程中,注浆压力时刻都在变化,但有一个大体动态范围。注浆过程中会有注浆压力突跃而后又下降的现象,这是劈裂注浆和渗透、压密注浆方式相互交替进行的表现。注浆量和注浆时间近似呈线性增长关系。本文工程中的A535号桩注浆压力为3~5MPa,A686号桩注浆压力为2~3MPa,注浆量均为3500kg。(2)桩端后注浆技术使得桩底的沉渣得到固化,相当于人为制造了一个坚硬的持力层,使得桩端沉降值较小。未采用后注浆的试桩侧摩阻力先于后注浆的试桩充分发挥出来,即桩端后注浆技术改善了桩侧土的性状,通过固化桩侧泥皮,达到增大桩侧摩阻力、提高桩的承载能力的目的。(3)对本工程中持力层是卵石层的长桩(桩长50m左右)而言,采用桩端后注浆的试桩在桩顶荷载低于桩极限承载力时,桩身压缩量占桩顶沉降的80%以上。所以在对持力层是卵石层的桩端后注浆长桩进行设计时,桩身压缩量不容忽视。(4)每级荷载下,桩身轴力随着深度的增加而减少。当荷载较小时,桩身下部轴力为0,随着荷载的增大,桩身下部逐渐产生轴力,端阻也开始逐渐发挥出来。桩端轴力所占桩顶荷载的比例随着荷载的增加逐渐增大。本文工程中采用的后注浆试桩,当荷载为9000kN时,桩端轴力约为桩顶荷载的50%。(5)桩土相对位移最大值出现在桩顶位置,且随着深度的增加近似呈线性减少,同时桩土相对位移随着荷载的增加也逐渐增加。在荷载较小时,桩端处的桩土相对位移为0。只有当桩顶荷载增大到一定值时,桩端