应用后压浆技术的钻孔灌注桩承载力计算方法

应用后压浆技术的钻孔灌注桩承载力计算方法
郭琦;李春轩;刘慧林
【摘要】对于日益增多的采用后压浆钻孔灌注桩的桥梁,为进一步剖析后压浆工艺对桩基侧阻力、端阻力的作用机理并确定合理的承载力计算方法,以陕西渭河特大桥桥址作为试验比选区,制作了2组试桩及一组工艺桩进行了静栽试验及注浆性状直观剖示试验研究.结果表明:由于沉渣固结及泥皮置换作用使得后压浆桩基承载性状得到了充分发挥,应用建科院公式更能够反映后压浆桩的承栽力状况.研究成果对于同类型工程桩基的设计与加固补强具有一定的借鉴意义.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2010(000)003
【总页数】5页(P63-67)
【关键词】钻孔灌注桩;后压浆;桩基承载力;工艺桩
【作者】郭琦;李春轩;刘慧林
【作者单位】西安建筑科技大学,教育部结构工程与抗震重点实验室,陕西,西
安,710055;陕西通宇公路研究所有限公司,陕西,西安,710043;陕西通宇公路研究所有限公司,陕西,西安,710043
【正文语种】中文
【中图分类】TU473.1+4
随着后压浆工法在建筑工程中应用的日趋成熟，对于公路与水运桥梁建设项目中的
钻孔灌注桩，借鉴该工法进行的后压浆技术大规模推广应用也逐渐得以发展[1]。

对于公路水运工程项目，归纳起来具有3方面的独特性：桩基所处地质情况多变、复杂；可变作用的存在使得传递到桩基的竖向荷载量值较大且非恒定；桩基基数大，通常桩径也较大。

结合这些具体特点，同时考虑到钻孔灌注后压浆桩技术又是一项实践先于理论研究的技术，而且国内外的研究主要集中在工艺的改进、机理的定性分析及小范围的工程实例应用等方面[2-3]，因此，目前在行业内关于桥梁后压浆桩基的研究仍缺乏
充足的样本资料积累，从而无法形成系统合理的计算模式。

本文在归纳总结既有的后压浆桩承载力计算方法的基础上，通过预埋的内力测试系统的试桩比对试验结合工艺桩剖示的桩底与桩周传力性状，比选出能够代表渭河平原地区地质特性的后压浆桩基承载力计算方法，其适用性得到了桩基静载试验的验证。

1 承载力计算方法
目前，承载力计算方法主要分为两大类：一类是在传统的钻孔灌注桩承载力计算公式基础上通过经验系数来调整计算值；另一类是按扩底桩或变径桩计算承载力。

1.1 经验系数法
1） JTGP63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》推荐公式
式中：u，Ap分别为桩身周长和桩端面积；li为桩侧的第i层土厚度；qik，qr分
别为极限侧阻力和端阻力；βsi，βp分别为侧阻力增强系数和桩端增强系数。

2）建科院公式[4]。

式中：Qsk1，Qsk2分别为上部未压浆侧阻力和桩端压浆上返段侧阻力；Qpk为
压浆后桩端阻力；qski，qPk分别为极限侧阻力和端阻力；Li为桩侧的第i层土厚
度；U，Ap分别为桩身周长和桩端面积；ξsi，ξp分别为侧阻力增强系数和桩端增强系数；λg为压浆量修正系数。

3） Bruce 公式[5-6]。

Bruce D A根据不同场地、不同桩底持力层的现场试验结果，通过归纳给出估算
桩底压浆钻孔灌注桩竖向极限承载力经验公式：
式中：Pcr为压浆桩的轴向极限承载力；P0为常规桩的轴向极限承载力；V为压
浆量；Vp为桩的体积；V0为自重压浆量，即压浆开始时的填充量；k为比例系数。

式（1）与式（2）中的各项修正参数虽有统一的表格可查，但其取值需在积累大
量实测数据的基础上总结获得，其可靠性与适用性还需在结合实际地质构造特征的工程实际中检验。

式（3）反映了桩底压浆提高桩的竖向承载力的效果，同时指出桩底压浆桩的极限承载力与其屈服荷载的比值介于1.3～1.6之间，而且桩底压浆
在循环作用下不产生残余变形。

1.2 半径修正法
半径修正法主要通过采用压浆后扩大的桩底受压面积A′和后压浆减短后的实际桩
长l′，代人《地基与基础规范》中的钻孔灌注桩单桩极限承载力公式得到。

1）山西省公路局公式[1]。

认为桩底压浆在桩端形成苹果型水泥石结实体，近似取其形状为三维增长r值后的圆柱体，即：
式中：V为压入水泥浆的数量；d为钻孔灌注桩设计直径；h为灌浆管底至钻孔底的高度。

由式（4）可计算出增长值r，则压浆后的桩底受压扩大面积为：
2）上海地区后压浆单桩极限承载力公式[7]。

由公式得出合理压浆量Gcp（水泥量）后，由式（6）求得压浆加固土体的体积
V1。

式中：Gcp为压入的水泥量；n为浆液注入系数（与空隙率、充填率、损耗率有关），一般取0.4～0.6；V1为压浆加固区体积；ρ1为水泥密度；ρ0为水的密度；C为净浆水灰比。

从而可由式（7）求出桩端扩大头的半径r。

以上两种半径修正法对于粗粒土的渗透注浆具有较好的适应性，而对于细粒土的劈裂注浆则会产生较大的误差。

2 静载试验研究
2.1 试验区工程地质概况
试验区位于渭河河漫滩及一级阶地，上部地层为全新统冲积黄土状土、亚黏土、亚砂土，局部含砂粒，下部地层为全新统冲积中细砂、中粗砂含砾及砂砾石层，其间夹薄层透镜状亚黏土、亚砂土层。

2.2 试桩静载试验
1）试桩设计。

试验工程共2组试验桩、每组3根，参数如表1所示。

第一组试桩采用后压浆工艺，每根桩设置1根桩侧压浆管，3根桩端压浆管；第二组试桩作为后压浆的对比桩，采用常规灌注工艺。

两组试桩桩身同时埋设了钢筋计和滑动测微计管，进行内力测试。

表1 试桩设计参数试桩桩径/cm 桩长/m 说明S1-1，S1-2，S1-3 130 25 采用后压浆S2-1，S2-2，S2-3 130 25 常规灌注桩
2）后压浆参数。

对于第一组后压浆试桩，压浆参数如表2所示。

表2 后压浆施工参数说明S1-1 130 1.20 0.75 成桩5 d后间歇注浆S1-2 130 1.30 0.75 成桩4 d后正常注浆S1-3 130 1.10 0.75 成桩5 d后正常注浆桩号桩径/cm 桩长/m 25 25 25桩端压浆桩侧压浆水泥量/kg 泵压/MPa 水泥量/kg 3 000 1.7 500 3 000 1.7 500 3 000 1.8 500泵压/MPa 水灰比
3）试验过程。

采用锚桩横梁反力装置实施试桩的破坏性试验，试验过程如图1，2所示。

图1 静力加载
图2 沉降量测
2.3 试验结果
1）沉降试验。

以加、卸载分级荷载下的Q-S曲线及桩身内力实测曲线为基准，对两组试桩试验结果进行对比分析，试验结果如图3，4所示。

从图3和4可以看出，后压浆灌注桩沉降曲线较未采用后压浆的桩基曲线缓和许多，表明后压浆桩基荷载传递减缓，加各级荷载时沉降减小，沉降稳定较快。

桩顶荷载相同时，后压浆灌注桩累计沉降量远小于常规灌注桩，在18 000 kN加载等级时，累计沉降量减少达80%以上。

2）桩身内力试验。

图3 加卸载Q-S曲线对比
图4 加卸载S-lgt曲线对比
通过预埋的钢筋应力计和滑动测微计能够实时量测桩身的内力，从而根据静力平衡换算得到桩侧摩阻力和桩端支承力，以此实测值为基准，对两组试桩试验结果进行对比分析，试验结果如图5所示。

图5 侧阻力和端阻力发挥性状对比
从图5可以看出，压浆桩侧阻力及桩端阻力曲线斜率均较未压浆桩大，说明其阻
力发挥充分，增长速度快。

未压浆桩由于桩端沉渣和持力层的扰动，端阻力在很大沉降的情况下才因沉渣固结而有所发挥；而压浆桩在沉降很小时端阻力就逐渐发挥，而且提高极快，占桩承载力的比例较高（30%～50%）。

同级荷载时，压浆桩侧
阻力较未压浆桩侧阻力有所提高。

3 注浆性状直观剖示试验
3.1 常规灌注试桩剖示
1）桩周泥皮现象。

为对比分析后压浆桩周土体荷载传力性状，对S2组未压浆试桩上部约5 m范围进行开挖。

结果显示，桩身粘有厚约5～10 cm的潮湿的泥皮，系成孔时护壁泥浆未干所致，具体性状如图6所示。

图6 灌注桩剖示
2）影响机理。

该层泥皮对桩侧阻力产生了润滑的作用，导致桩周侧阻力减小，桩基承载力降低。

因此，在成桩前期，采用不同的成孔工艺（循环钻和旋挖钻）对桩基承载力存在一定影响，采用旋挖钻成孔的桩基承载力较采用循环钻成孔的桩基承载力高；同时，剖示结果也直观表明，对于循环钻成孔的桩基其竖向极限承载力需要较长的时间逐步发挥。

3.2 后注浆试桩剖示
1）注浆性状直观表征。

从试桩后压浆过程中看到浆液上返，从桩周土层冒出，浆液沿桩侧面充填胶结附在桩侧面的泥皮，形成固化的水泥土结石。

由工艺桩剖示图（图7）可清晰判断，桩端压浆浆液循桩侧泥皮和软弱扰动层向上扩散8～12 m的高度，同时桩身也被
2～4 cm厚水泥浆液包裹，后压浆的痕迹明显可见。

图7 工艺桩侧压浆剖示
2）机理分析。

后注浆通过向桩侧饱和土、饱和软黏土中渗入注浆、压密注浆，使桩侧土的孔隙水压力增大，形成孔隙水压向地面消散，排挤出桩侧土中的泥浆水，水泥浆进入置换，土中形成水泥浆脉、浆泡，加速了桩周土的固结压密，对桩侧阻力起增强作用。

同时，对于桩周为中粗砂类土的地质情况，一般会形成以桩体为核心向外辐射的浆脉网，由于劈裂面受到浆液的挤压，土体被压缩固结，浆脉网可提高土体的刚度和稳定性。

这一增强现象从试桩静载试验的轴力测试中也得到证实。

4 推荐计算公式
4.1 竖向极限承载力
由静载试验中单桩的极限承载力结果（表3）可以看出，虽然在试验中后压浆灌注桩（S1组）还未达到极限破坏，但是其竖向荷载等级已经达到同参数未压浆试桩（S2组）极限承载力的1.5倍，提高的幅度达45%及以上。

表3 各试桩最大加载量及极限承载力桩号最大加载量/kN累计沉降量/mm 极限
承载力/kN压浆桩常规桩S1组26 000 ≯14.2 ≮26 000 S2-1 18 000 40.28 ≮26 000 S2-2 18 000 40.969 ≮26 000 S2-3 18 000 40.198 18 000
而式（2）中计入压浆量对承载力的影响系数λg来估算极限承载力的公式较符合
后压浆桩基承载力的计算模式，其中后压浆桩最大加载量影响系数λg可通过实际注浆量与合理压浆量的比对来确定，以此反映压浆量对承载力的贡献。

4.2 容许承载力
对于陕西省渭河平原区域内以中细砂、中粗砂含砾及砂砾石层为主要地质构造特征的桥址，在新建项目中进行后压浆桩基设计时，可直接应用式（1）计算后压浆桩基的容许承载力，其中根据试验结果得到的桩阻力增强系数列于表4。

表4 后压浆桩阻力增强系数项目土层地质状况实测值/kPa 增强系数推荐值端阻
力中砂（持力层）9 000 2.5侧阻力中砂 89 1.5粗砂 140 1.6
5 结论
1）在后压浆桩基承载力计算方法中，经验系数法的公式几何概念明确，便于理解和应用，计算值与实际值相符，但一些参数的取值还须在积累大量实测数据的基础上总结获得。

2）桩径130 cm且桩长25 m的钻孔灌注桩，采用联合压浆工艺，同时加固桩端土层及桩侧泥皮，桥梁桩基承载力增幅可达45%以上，采用后压浆技术后，更能确保桩基承载力。

3）静载试验结果充分验证了后压浆提高桩基承载力的工作机理，为桥梁工程桩基的设计与加固中全面采用后压浆技术提供了一定的依据和参考。

参考文献：
[1]刘金砺,祝经成.泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用[J].建筑科学,1996(2):13-18.
[2]宋炎.大直径负摩擦灌注长桩荷载-沉降关系研究[J].水运工程,2007（12）:21-26.
[3]龚维明,戴国亮,张浩文.桩端后压浆技术在特大桥梁桩基中的试验与研究[J].东南大学学报:自然科学版,2007,37(6):1066-1070.
[4]黄生根,龚维明.苏通大桥一期超长大直径试桩承载特性分析[J].岩石力学与工程
学报,2004,23（19）:370-375.
[5]Fleming,W G K.The Improvement of pile performance by base
grouting[J].Civil Engineering,1993（8）:88-93.
[6]Bruce D A.Enhancing the performance of large diameter piles by grouting[J].Grouting Engineering,1985（4）:72-77.
[7]陶兴文.上海地区钻孔灌注桩后压浆技术的设计与施工[J].探矿工程:岩土钻掘工
程,2001(4):35-38.。