超长旋挖灌注桩极限承载力现场试验研究_罗洪义.pdf

江西建材试验与研究592023年1 月作者简介：罗洪义（1974-），男，本科，山东泰安人，工程师，主要研究方向为公路、市政工程技术。超长旋挖灌注桩极限承载力现场试验研究罗洪义中铁二十一局集团有限公司，甘肃 兰州 730070摘 要：为探究超长旋挖灌注桩极限承载力情况，文中基于实际工况对注浆桩和未注浆桩进行加压荷载沉降分析，对比未注浆和注浆桩的荷载沉降关系、桩侧摩阻力关系以及桩端阻力与位移的关系，分析其相关提升系数，得出以下结论：超长灌注桩在注浆后可以提升桩本身的承载力以及减少地层沉降，周边土壤更加密实，注浆后桩的回弹率是未注浆的两倍；无论注浆与否，桩顶荷载与桩侧摩阻力呈反比；桩端位移与桩端阻力呈正相关，未注浆试验桩最大桩端阻力超过1200kPa；注浆桩端阻力接近1200kPa时才出现桩端位移变化；总承载力和桩侧摩阻力的提升系数与桩顶位移呈正相关，桩端阻力的提升系数则随着桩顶位移增大而增大，之后降低。关键词：灌注桩；极限承载力；摩阻力；现场试验中图分类号：TU753.3 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0059-04Field Test Study on the Ultimate Bearing Capacity of Super-long Rotary Excavation PileLuo HongyiChina Railway 21st Bureau Group Co.Ltd.,Lanzhou,Gansu 730070Abstract:To explore the ultimate bearing capacity of ultra-long rotary excavation pile,Settlement analysis of grouting pile and ungrouting pile based on actual working conditions,Comparing the load settlement relationship between piles,pile side friction resistance and pile end resistance and displacement of ungrouting and grouting piles,Thus analyzing the correlation improvement coefficient,The following conclusions are drawn:the ultra-long cast-in-place pile can improve the bearing capacity of the pile itself and reduce the formation settlement after grouting,The surrounding soil is more dense,The rebound rate of the pile after grouting is twice that of ungrouting;With or without the grouting,The proportion of pile top load and pile side friction resistance is in an inverse proportion;The pile end displacement is positively correlated with the pile end resistance,The maximum pile end resistance of ungrouting test pile exceeds 1200 kPa;The end displacement resistance of the grouting pile is close to 1200 kPa;The lifting coefficient of the total bearing capacity and the pile side friction resistance is positively correlated with the pile top displacement,The lifting coefficient of pile end resistance increases with the displacement of pile top.Later,it decreased.Key words:Cast-in-place pile;Ultimate bearing capacity;Friction resistance;Field test0 引言我国地质情况多样复杂，超长灌注桩施工面临诸多挑战和困难，为预测超长灌注桩的极限承载力，近年来，许多专家学者对该问题进行了研究。陈新军等1基于实际工况探究旋转触探技术，通过室内试验对钻孔灌注桩内力进行研究，得出该旋转触探技术的优势。吴彦捷2基于实际工况，利用静载法、规范法以及数值模拟对花岗岩注浆单桩的承载力进行对比分析，并得出三种方法之间的差异性。杨石春3基于国内灌注桩承载力估算偏低现象，采用经典理论计算桩端极限阻力，并对实际工况进行推算，得出计算值与实际值的差异。彭成等4探究灌注桩极限承载力的破坏模式，并以此提出极限承载力计算模型，通过模型分析压浆体与土体相互作用，对后压浆土体进行研究预测。赵春风等5基于现场灌注桩静载试验，分析灌注桩承载特性以及其荷载传递情况，结果表明，极限荷载下侧摩阻力没有被充分发挥，桩端阻力呈加工硬化型。程晔等6通过静载试验等方法，对桩端承载性能及其机制进行研究，结果表明，压浆可提升灌注桩桩端承载力和摩阻力，从而减少基础沉降，并证实压浆效果的优越性。本文基于实际工况，通过现场试验设置试验桩，对比未注浆和注浆桩的荷载沉降关系、桩侧摩阻力关系以及桩端阻力与位移的关系，由此分析其相关提升系数，为实际工况提供理论依据。1 工程概况浙江省嘉兴市海盐县地处沿海地带，对该地带公路 S207进行改建，该公路起点位于嘉南公路海盐县县界，改建桩号为K11+517.035，终点位于城大桥桥头，终点桩号为K22+512.7，线路全长10.996km。该公路设计时速为100km，为双向六车道，其标准面宽为2700cm，主线高架桥设计，预留上下匝道设计时速为40km。下部为钻孔灌注桩，桩径1.4m、1.6m。改建地区位于冲江西建材试验与研究602023年1 月湖积平原，地势较为平坦，场地有较大面积的耕地，地层以粉质粘土为主，含大量植物根茎，且分布不均匀。该项目沿路线有部分不良地质区域，有明显沉降趋势，地层中存在沼气，特殊岩土为软土和填土，软土层含水量较高，压缩性强等现象。浙江省嘉兴市地处北亚热带，属东亚季风气候，该地由于沿海且地处平原地带，气候温和空气湿润，可以明确区分一年四季。由于地处沿海，台风天气对工程影响较大，年均出现台风次数达到1.3次，一般会持续2d左右。该地区河网交错，水流稳定，流速较为缓慢，区域内部水域面积大，植被生长茂盛，环境较为优越。经过地质勘查可知，平原区第四纪地层深厚，工程影响深度范围内主要有河流、湖泊、滨海、河流三角洲及浅海相沉积，道路以及河岸等区域有厚度不同的填土，其主要由黏土、碎石等物质构成，在施工过程中，该地区有较大范围的不良地质及特殊性岩土，场地普遍存在软弱土层。主要不良地质为区域性地面沉降。其中，特殊岩土软土层的埋深与物理性质如表1 所示。表1 软土层物理性质与埋深软土层埋深/m厚度/m孔隙比含水率压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa内摩擦角/%黏聚力/kPa淤泥粉质黏土3.34.8 1.712.61.3450.962.52.710.42 施工工艺和试验布置现对改建公路灌注桩极限承载力进行现场试验，试验以现有两根试桩为对象，一根试桩未注浆，一根注浆，分别简称 S1和S2，桩径均为1.4m，桩长均达到94m，试验区位于平原，地层以淤泥、粉质黏土组成。由于回旋钻孔的施工时间较长，为缩短工期，本工程采用泥浆护壁、旋挖钻机挖孔，以此减少泥浆使用量，缩短施工钻孔时间，从而减少孔卸荷影响，施工前，在地表铺上钢板，防止地表由于机械自重而产生不均匀沉降。S2 试桩采用 U型管注浆，注浆过程为4 次，以声测管和注浆管形成回路完成此操作。其中，该注浆的水泥浆配比如表2 所示。表2 水泥配比水灰质量比水/kg水泥/kg土壤/kg重力密度/（kN/m3）减水剂/kg0.511900330044018.660根据相关规范要求，加载前需对场地打设管桩处理，试验桩设计极限承载力为18000kN，如加载至该值，地基未出现破坏，则取半级分级荷载继续加载。以下为单桩竖向试验结果分析以及桩注浆承载力提升建议。3 结果分析3.1 荷载沉降分析对试桩 S1 和 S2 进行研究分析，对其荷载和沉降关系进行研究，其中桩顶荷载值以字母 Q来表示（MN），桩顶沉降值以 s表示（mm），如图1 所示。图1 试验桩荷载-沉降曲线由图1可知，当荷载加载到14.4MN时，试验桩S1和S2的沉降变化规律基本保持一致，但当荷载加压超过14.4MN时，试验桩 S1 和试验桩 S2 的沉降发生变化，其中，随着试验桩 S1 荷载的增加，沉降迅速发生变化，最大沉降接近100mm，最大荷载加压接近27MN，之后对该桩进行卸载；相较于试验桩S1，试验桩 S2 在荷载超过14.4MN时，地层沉降情况较为缓和，但荷载加压至25MN时，地层沉降才开始大幅度增长，并达到最大增长值32.4MN，其最大沉降接近60mm，相较于S1，试验桩S2的地层沉降减少了40mm，且能够承受的荷载增加了5.4MN。主要是由于试验桩 S2 的桩端注浆使得土壤周围得到了填充，并在此基础上使土壤有了更紧密的结合，改善了桩端土的密实度，从而使试验桩 S2 比试验桩 S1 的地层沉降大大减少。当试验桩顶部荷载卸载后，试验桩 S1 和试验桩 S2 都出现了回弹现象，其中，试验桩S1回弹量为13mm，试验桩S2的回弹量为18mm，试验桩S2的回弹率是试验桩S1回弹率的两倍，表明试验桩 S2 以桩身压缩进行沉降，而 S1 由于没有灌注水泥导致沉降反弹较小。为更直观对比两种试验桩的承载力与沉降情况，设置对比表，如表3 所示。表3 试验桩 S1 和试验桩 S2 承载力和沉降对比试验桩S1S2桩径/m1.41.4桩长/m9494Q设/MN1818Q实/MN2732.4s/mm10060s实/mm9020表中，Q设为试验桩的极限承载力设计值，Q实为试验桩的极限承载力实际值；s为地层实际沉降值；s实为试验桩极限承载力对应桩顶沉降值。其中，试验桩的实际极限承载力都超过了试验桩设计极限承载力，并且与经过注浆水泥的灌注桩的极限承载力相比，进行处理的试验桩大幅度提升，有效降低桩顶沉降变形。3.2 桩侧摩阻力情况分析桩侧摩阻力与土层埋深情况相关，在不同加压荷载作用下，试验桩 S1 和试验桩 S2 的桩侧摩阻力情况可通过桩身侧摩阻力占桩顶荷载比例进行分析，如图2 所示。江西建材试验与研究612023年1 月图2 荷载比例图由图2 可知，随着桩顶荷载增加，桩侧摩阻力占比在逐步下滑，试验桩 S1 和试验桩 S2 的下降幅度基本一致，桩侧摩阻力占桩顶荷载比例随着桩顶荷载的增大而逐渐降低。对于桩土相对位移情况，地层极限摩阻力值基本维持在23kPa左右，桩土相对位移沉降在5mm左右，未注浆试验桩 S1 在地层以下部分极限侧摩阻力桩土相对位移不低于30mm，而试样桩S2的相对位移则低于10mm，由此说明，对桩极限注浆处理可以使桩侧摩阻力发挥作用增强。3.3 桩端阻力与位移关系分析对于试验桩端阻力和桩端位移情况进行分析，如图3所示。图3 阻力与位移关系曲线由图3 可知，随着桩端位移的增加，桩端阻力直线上升，但对比两种试验桩情况，两种试验桩的变化趋势天差地别，其中对于试验桩 S1，随着桩端位移的增