軟弱地層管樁承載力提升試驗研究

徐 軍 藍 天 朱言燈 薛永江

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050

臨河臨海地區的地基多為軟土層[1]，地質條件差，難以滿足建筑所需求的承載力要求。自20世紀80年代，我國從發達國家引入PHC管樁[2-4]預制技術以來，管樁以其經濟效益高、質量可靠、承載力高、適應性廣等優勢被大量應用于軟土層樁基施工。但隨著社會發展，較大綜合體以及高層建筑的需求逐漸增多，為達到設計承載力，并減輕不良地質的影響，樁基的密集程度越來越大，從而產生群樁效益，在經濟效益及施工便利上存在不足。為了加固樁端地層，提高樁基礎的承載力，修復部分樁身缺陷，樁底及樁側后注漿技術[5-8]近年來應用廣泛，并取得了一定的成果。本文通過實際工程應用，采用高壓旋噴的方式，向樁端和樁側后注漿，從而增強樁端附近軟土層的承重能力、增加樁端的受力面積，大幅增加PHC管樁設計承載力，達到減少總體樁數量或減少樁長的目的，收獲經濟效益。

1 工程概況

本工程位于上海市浦東新區國際醫學園區西南角地塊，擬建場地東至學院河、南至紫萍路、西至天雄路、北至景觀橫二河，整個場地用地面積約18萬 m2，總建筑面積約為42.5萬 m2。其中，地上建筑面積約34.5萬 m2，地下建筑面積約8萬 m2。

樁基工程所涉及的單位工程有：行政樓、檔案校史館、AI醫學研究中心、信息中心、 教師生活綜合樓南樓、教師生活綜合樓中樓、教師生活綜合樓北樓、圖書館等。

上海地區位于長江三角洲入?？跂|南前緣，按上海地貌單元分區圖，擬建場地位于濱海平原地貌單元。根據勘探資料，場地內土層自上而下可劃分為9大層及若干亞層，其中①1層為填土層，②1層～⑤1層為全新世Q4沉積層，⑥層～⑨層為晚更新世Q3沉積層。擬建場地外分布有學院河、五灶港、景觀縱二河及景觀橫二河，場地內分布多條明浜及暗浜，土質較差，要求樁基工程提高地基承載力，以滿足設計標準。

工程樁采用預應力混凝土管樁（PHC管樁），樁徑為500 mm和600 mm，樁長21～46 m多種（二節樁、三節樁），共計5 220根工程樁，樁尖入第⑦1層砂質粉土2 m，部分單體入第⑦2灰黃-灰色粉砂層。單樁豎向承載力特征值為1 000～2 350 kN。單樁豎向抗拔承載力300～1 000 kN。

根據勘察結果、相鄰區域工程的施工經驗、設計給定的樁承載力分析結果，本工程地基土第⑤1層以上均為第四紀飽和軟土層， 沉樁阻力很小，當樁基施工進入⑥號土層（暗綠-草黃色粉質黏土），沉樁阻力逐漸增大。局部位置在送樁最后階段，沉樁阻力瞬時減小。

2 試驗方案

通過高壓旋噴的方式，向現有PHC管樁樁底注漿，樁底注漿旋噴半徑為1.2 m，旋噴樁高度2.0 m。該方法可以有效改變樁端附近土的性質，并增加樁端的受力面積，大幅增加PHC管樁設計承載力，從而達到減少總體樁數量或減少樁長的目的。

本次試驗測試范圍選擇在歷史核心區的AI研究中心進行，理由如下：

1）本工程施工范圍內只有AI研究中心樁基且全是抗壓樁，無需考慮抗拔影響。

2）AI研究中心無地下室，考慮整體施工流程，可最晚進行施工，有利于后續的試樁數據收集。

AI研究中心樁基詳情如表1所示。

表1 AI研究中心樁基概況

根據AI研究中心處物探探孔詳圖，樁基伸入至7①層（灰黃-灰色黏質粉土與粉質黏土互層）6.19 m，7①層厚度為11.2 m，樁長35 m。

本次試驗樁采用ZYC800B型全液壓靜力壓樁機進行頂壓施工，參照AI醫學研究中心工程樁的單樁抗壓承載力設計值1 000 kN，以樁端設計標高為主，以單樁抗壓極限承載力標準值為輔。試驗樁與工程樁平面位置相近，土層分布及性質相差不大，確保試驗結果更具有代表性（圖1）。

圖1 試驗布樁示意

試驗共2組，第1組試驗采用樁長36 m的管樁，樁型為PHC 500-AB-125-12-12-12，第2組試驗采用樁長31 m的管樁，樁型為PHC 500-AB-125-11-10-10。壓樁完成后，通過PHC管樁中心伸入高壓旋噴樁鉆桿至樁底，在樁底2 m范圍內進行旋噴加固（圖2），單樁水泥用量為2 t，施工完成28 d后分別進行靜壓荷載破壞性試驗，將2組PHC管樁的單樁豎向抗壓極限承載力與AI醫學研究中心的單樁抗壓極限承載力（2 000 kN）進行比較。

圖2 試驗樁入土深度

3 施工與檢測

3.1 現場旋噴注漿試驗施工

1）采用靜壓法沉樁工藝。沉樁前的樁位定位，需要檢查各軸線交點的距離是否與樁位圖保持一致，無誤后用直角坐標或極坐標法測放樣樁。壓樁機按照額定總重配置壓重，壓樁前檢查樁機設備、抱壓器、樁帽、樁墊及樁身的完好情況。樁尖定位偏差應小于2 cm；第1節樁插入時垂直度偏差不得超過0.3%，之后樁身垂直度偏差不得超過0.5%，成樁后樁頂標高不得高于樁頂標高設計值，頂標高的允許偏差控制在±50 mm；采用CO2氣體保護焊接樁，接樁時焊接按圖集及規范要求進行，上下節樁間的縫隙用鐵片墊密焊實，焊接時先點焊固定，然后對稱施焊，焊縫應連續飽滿，不得虛焊漏焊，焊好的接頭自然冷卻完全后，再進行壓樁，接樁在離地面1 m左右進行，上下樁的中心線偏差不大于2 mm，樁身彎曲矢度不得大于樁長的1/1 200，且不大于20 mm；接樁就位時，須在下節樁頭設置導向箍，確保上、下2節樁對正、接直。當靜力壓樁樁端進入持力層，達到綜合確定的壓樁力要求但未至設計標高時，宜穩壓1～2 min，沉樁施工時派專人做好施工記錄，在壓樁過程中要認真記錄樁入土深度和壓力表讀數的關系，以判斷接樁的質量及管樁整體的承載力，當下沉到設計標高或載荷2倍于設計值時，記錄最后的壓力值。以控制樁端設計標高為試驗樁停壓控制原則。

2）PHC管樁打設完成后，通過PHC管樁中心進行高壓旋噴施工，試驗樁樁底加固選用XP-25/35A型高壓旋噴樁機、SYB50-45Ⅱ型注漿泵、30A型螺桿式空氣壓縮機，采用雙重管工藝，高壓旋噴樁樁徑1 200 mm，樁長2 m，注漿壓力為35～40 MPa，水灰比為1.0，采用42.5級普通硅酸鹽水泥，用量為500 kg/m3。

3）施工完成后第28 d進行靜載試驗，分析對比不同工藝樁基設計承載力。

3.2 試驗樁檢測

在PHC管樁樁底高壓旋噴樁施工完成28 d后進行靜載試驗，根據檢測結果記錄PHC管樁試樁的單樁豎向抗壓極限承載力，統計并分析PHC管樁承載力檢測結果。

3.2.1 檢測方法

檢測方法采用慢速維持荷載法。檢測工具：壓重平臺反力裝置、靜載測試儀。

1）靜載試驗在地面進行，所有試樁需接至自然地面進行。一般試樁高出自然地面約0.5 m。

2）抗壓試驗樁樁頂加固處理。在開口PHC管樁試樁樁頂內，將十字加勁肋焊接于試樁內鋼管壁，樁頂采用一塊厚度4 cm的鋼板，焊接在試樁頂上。

3）檢測方法采用堆載法進行。

3.2.2 試驗過程

1）加載分級。根據設計、委托方和規范要求，荷載按十級劃分，逐級等量加載，首級（第1級）荷載取2倍級差加載，慢速維持荷載法實施時，每級荷載在維持過程中保持數值的穩定。

2）沉降觀測。沉降測讀時間：每級荷載施加后1 h內5次測讀試樁沉降量，分別是第5、15、30、45、60 min，慢速維持荷載以后每隔0.5 h測讀1次，當沉降速率達到相對穩定的標準時，進行下一級加載。

3）沉降相對穩定判斷標準：沉降量不大于0.1 mm/h，并連續出現2次。

4）終止加載條件：

① 當試樁在某級荷載作用下的沉降量相較于前一級荷載沉降量，比值大于5時，終止加載。

② 當試樁在某級荷載作用下的沉降量相較于前一級荷載沉降量，比值大于2，且經24 h尚未穩定，終止加載。

③ 達到設計要求的最大加載量且沉降趨于穩定，或已達到反力裝置提供的最大加載量或樁身已出現明顯的破壞現象。

④ 荷載-沉降曲線呈緩變形時，應按總沉降量控制；當樁長≤40 m時，總沉降量根據設計要求按45 mm控制。

5）卸載及卸載沉降觀測。每級卸載量取加載量的2倍，卸除每級荷載后慢速維持荷載60 min，分別在15、30、60 min測讀沉降量。最后一級卸載至零后維持荷載3 h左右，以測讀穩定后的殘余沉降量。

3.3 試驗結果

本次試驗樁達到檢測強度后，進行單樁豎向抗壓靜載試驗，采用慢速維持荷載法，預估最大試驗荷載為4 000 kN。加載分級進行，且采用逐級等量加載；樁長36 m的分級荷載為256 kN，樁長31 m的分級荷載為216 kN。其中，第1級加載量取分級荷載的2倍，從第12級開始每級按分級荷載的1/2加載；卸載分級進行，每級卸載量取加載時分級荷載的2倍，且逐級等量卸載；加載、卸載時，應使荷載傳遞均勻、連續、無沖擊，且每級荷載在維持過程中的變化幅度不超過分級荷載的±10%。

當試樁在某級荷載作用下的樁頂沉降量大于前一級荷載沉降量的5倍且總沉降量大于100 mm時終止加載，記錄豎向承載加載值。

根據檢測結果，第1組試驗樁型PHC 500-AB-125-12-12-12，通過樁底旋噴加固，單樁豎向抗壓極限承載力值為2 816、3 072、3 072 kN，平均值為2 987 kN；第2組試驗樁型PHC 500-AB-125-11-10-10，通過樁底旋噴加固，單樁豎向抗壓極限承載力值為2 700、2 592、2 700 kN，平均值為2 664 kN。具體如表2所示。

表2 試驗結果匯總

通過試樁靜載荷檢測數據，可以得出φ500 mmPHC管樁在樁底標高相同，且樁底進入同一持力層相同深度的情況下，樁長36 m的管樁通過樁底加固，單樁抗壓承載力極限值與單樁抗壓承載力比值為40.8%～53.6%；頂標高不變，將管樁入土深度縮短5 m，樁長31 m的管樁通過樁底加固，單樁抗壓承載力極限值與單樁抗壓承載力比值為29.6%～35.0%，可見對靜壓樁進行樁底旋噴加固可提高單樁承載能力。

第1組單樁豎向抗壓極限承載力平均值為2 987 kN，相比于原樁單樁豎向抗壓承載力標準值提高49.3%，第2組單樁豎向抗壓極限承載力平均值為2 664 kN，相較于原樁單樁豎向抗壓承載力標準值提高33.2%。

4 結語

通過試驗研究分析發現，在現有PHC管樁樁底通過高壓旋噴的方式進行注漿，可以改變樁端附近土層的性質，并增加樁端的受力面積，從而大幅增加PHC管樁的承載力，達到了預期的效果。

1）樁長36 m的管樁通過高壓旋噴的方式后注漿，對樁底進行加固之后，管樁的抗壓承載力極限值與原樁單樁抗壓承載力比值為40.8%～53.6%；保持頂標高不變，將管樁入土深度縮短5 m，樁長31 m的管樁通過同樣的方式進行樁底加固之后，PHC管樁的單樁抗壓承載力極限值與原樁單樁抗壓承載力比值為29.6%～35.0%。

2）通過優化樁基設計，可以減少沉樁數量，或縮短樁長，同時可降低對周邊環境造成的不利影響。PHC管樁樁基承載力通過后注漿的方式提高樁端持力層的承載力，從而達到提升樁基承載力的效果。

3）可通過高壓旋噴的方式后注漿，進行樁底加固，減少樁基工程的管樁數量，合理減少管樁入土深度，節約一定的工程造價，對經濟效益的具體影響還需要進一步進行分析。

4）通過試驗，發現PHC管樁承載力與地層性質有極大的關聯性，后續可進一步分析樁端持力層為⑥層（灰黃暗綠-草黃色粉質黏土）、⑤1（灰色黏土）時的承載力數據，通過大量試驗及檢測開展進一步探究和總結。

5）后續可以通過在樁側間隔旋噴注漿加固或樁身整體旋噴注漿加固后，檢測對樁基承載力的影響。