工程中一般把桩径≥0.8m^[1]且桩长l>50m或长径比l/d>100的钻孔灌注桩定义为大直径超长钻孔灌注桩。近年来, 随着苏州经济的快速发展, 超高层建筑大量涌现, 建筑对单桩承载力的要求越来越高, 大直径超长后注浆钻孔灌注桩得到了越来越多的运用。随着几十项大型工程成功对大直径超长钻孔灌注桩采用桩端后注浆技术, 大直径超长后注浆钻孔灌注桩的施工工艺、设计方法和工程实践都日渐成熟。

　　 与常规钻孔灌注桩相比, 大直径超长后注浆钻孔灌注桩的泥皮、沉渣过厚和应力释放导致的孔壁松弛问题更加突出, 成桩质量难于保证且受力机理更加复杂, 再加上采用后注浆技术, 大直径超长后注浆钻孔灌注桩单桩合理注浆量和极限承载力标准值的确定成为设计所面临的首要问题。虽然《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[1] (简称桩基规范) 和上海市《地基基础设计规范》 (DGJ 08-11—2010) ^[2] (简称上海地基基础规范) 对单桩极限承载力标准值有估算公式, 但对于不同的地质条件, 计算时参数取值差别较大, 故目前主要还是通过不同条件的现场载荷试验对比、工程类比或结合地区经验进行确定。

　　 本文通过苏州金鸡湖周边的5个超高层项目大直径超长后注浆钻孔灌注桩试验资料的收集和整理, 分析了苏州地区大直径超长后注浆钻孔灌注桩的承载性能和后注浆的合理注浆量, 为苏州地区大直径超长后注浆钻孔灌注桩的设计提供参考。

　　 后注浆是指钻孔灌注桩在成桩后, 通过预埋的注浆通道用一定的压力把水泥浆压入桩底或桩侧, 通过对桩底、桩侧一定范围的土体注浆起到加固作用, 从而增强桩侧阻力和桩端阻力, 提高单桩极限承载力, 减小沉降。单桩极限承载力增强的机理如下:1) 固化效应:泥皮和沉渣因注浆被固化;2) 充填胶结效应:粗粒土因渗入注浆被胶结;3) 加筋效应:细粒土因劈裂注浆形成加筋复合土。

　　 根据注浆位置, 后注浆可分为桩端后注浆、桩侧后注浆和桩端+桩侧联合后注浆三种方式^[3]: 1) 桩端后注浆:通过注浆管从桩底端注入一定浓度的水泥浆液, 使桩端土体及桩端以上一定范围的桩侧土体得到加固, 从而提高单桩极限承载力。2) 桩侧后注浆:在离桩端5～12m以上按一定间距设置桩侧注浆管, 在不同深度对桩侧注浆, 加固桩侧土体。当桩侧设若干注浆段时, 按自上而下注浆, 即先注最上部桩段, 待其有一定的初凝强度后, 再依次注下部各桩段, 以防止下部浆液沿桩土界面上涌, 提高注浆效果。3) 桩端+桩侧联合后注浆: 宜先自上而下逐段进行桩侧注浆, 最后进行桩端注浆, 其注浆效果优于单一的桩端或桩侧后注浆, 可获得更高的单桩极限承载力。

　　 苏州中心广场项目位于苏州工业园区湖西CBD核心区域, 该项目地块面积约20.9万m², 地上总建筑面积约73万m², 地下总建筑面积约40万m², 由7栋塔楼和裙房组成。3#～6#塔楼均为办公建筑, 其中3#塔楼地下4层, 地上32层, 建筑高度151.2m;4#塔楼地下4层, 地上25层, 建筑高度125.2m, 5#, 6#塔楼地下3层, 地上21层, 建筑高度99.8m。7#塔楼为酒店建筑, 地下3层, 地上37层, 建筑高度156.2m。8#, 9#塔楼均为公寓建筑, 其中8#塔楼地下3层, 地上47层, 建筑高度181.6m;9#塔楼地下3层, 地上56层, 建筑高度209.6m。

　　 拟建场地位于太湖冲湖积平原区, 场地地质概况见文献[4]中的表1。

　　 由于本项目地下室不设永久沉降缝, 对塔楼核心筒与外围框架柱、裙房柱以及纯地下室框架柱之间的差异沉降要求较高, 必须充分利用变刚度设计进行持力层的选择。因本项目建筑高度高、荷载大, 宜选用直径较大、桩长较长的钻孔灌注桩, 且桩端的持力层应较好。结合周边地块试桩设计资料, 确定3#, 4#, 7#塔楼采用直径900mm钻孔灌注桩, 采用桩端后注浆, 单桩桩端注浆量 (即水泥用量) 为2.0t, 以 (12) ₂粉黏夹粉砂层为桩端持力层;5#, 6#塔楼采用直径800mm钻孔灌注桩, 采用桩端后注浆, 单桩桩端注浆量为2.0t, 以 (11) ₂粉土夹粉质黏土层为桩端持力层;8#, 9#塔楼采用直径1 000mm钻孔灌注桩, 采用桩端后注浆, 单桩桩端注浆量为4.0t, 以 (13) ₁粉细砂层为桩端持力层, 具体的试桩参数见表1。

　　 表2列出了各塔楼试桩静载荷试验的主要结果。3#, 4#, 6#～9#塔楼试桩的荷载-沉降 (Q-s) 曲线如图1～3所示, 由于5#塔楼试桩的Q-s曲线与6#塔楼的类似, 故未单独列出。

　　 从表2试验结果和图1～3的Q-s曲线可知, 3#, 4#, 5#, 6#, 7#塔楼试桩Q-s曲线均为缓降型, 试桩桩顶累计沉降量均小于30mm, 12根试桩均未达到《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ 106—2014) ^[5] (简称基桩检测规范) 规定的终止加载条件, 桩承载力还有较大增加的可能;8#塔楼试桩8TP2由于桩底未注浆, 其Q-s曲线为陡降型, 试桩桩顶累计沉降量很大, 其极限承载力较低;9#塔楼试桩9TP1, 9TP2分别在加载到30 000, 28 500kN时, 试桩桩顶累计沉降量均大于100mm, 已经达到破坏条件。8#塔楼试桩8TP1在加载到30 000kN时, 试桩桩顶累计沉降量为92.31mm, 也基本接近极限承载力。按地勘报告参数估算, 8#, 9#塔楼的直径1 000mm普通钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值约为19 500kN, 可见, 采用桩端后注浆后试桩的极限承载力标准值比未采用后注浆普通钻孔灌注桩的极限承载力标准值提高约1.4倍。

　　 东方之门项目位于苏州工业园区金鸡湖西岸, 是由两栋超高层建筑组成的双塔连体建筑, 分南、北塔楼和南、北裙房等, 塔楼总高度为278m, 裙房总高度为50m左右, 地下5层, 基础底板面建筑标高为-19.45m。东方之门项目与苏州中心广场项目距离很近, 两者属同一地质单元, 土层分布及土性特征基本相同。

　　 考虑造价和上部结构对不均匀沉降要求较高等因素, 共进行了三批直径1 000mm的钻孔灌注桩试桩, 第一批试桩采用桩端不注浆, 第二、三批试桩均采用桩端后注浆, 后二批试桩的单桩注浆量均为2t, 三批试桩的参数和结果见表3, 其Q-s曲线见文献[6]。

　　 从表3试验结果和文献[6]的Q-s曲线可知, 第一批试桩的Q-s曲线为陡降型, 桩顶沉降偏大, 极限承载力较低, 并且因成桩质量的离散性较大, 两根桩的极限承载力相差较大;第二、三批试桩的Q-s曲线为缓降型, 试桩桩顶累计沉降量均小于40mm, 6根试桩均未达到基桩检测规范规定的终止加载条件, 桩承载力还有增加的可能。通过第一、二批试桩桩端是否后注浆的对比可知, 在同等条件下, 采用桩端后注浆的第二批试桩的极限承载力标准值比第一批试桩的极限承载力标准值提高1.2倍以上, 桩顶沉降大幅减小。

　　 新鸿基超高层项目位于苏州工业园区金鸡湖东CBD商圈核心区域, 采用框架-核心筒结构, 塔楼共76层, 高度为303.7m;设4层地下室, 地下室板底相对标高为-20.200m;基础为桩筏基础。新鸿基超高层项目与苏州中心广场项目一湖之隔, 两者属同一地质单元, 土层分布及土性特征虽有一定差异, 但总体相似, 金鸡湖东区域的地质条件总体优于金鸡湖西区域的地质条件。

　　 由于建筑物荷载较大, 对单桩承载力及沉降的要求较高, 设计采用直径1 000mm的钻孔灌注桩, 以 (13) 细粉砂层作为桩端持力层, 采用双套筒对地下室底板以上土体进行隔离。试桩TP1采用桩端+桩侧联合后注浆, 试桩TP2不注浆, 试桩TP3采用桩端后注浆, 将上述3个试桩进行比较, 试桩测试包括抗压静载荷试验和桩周侧阻力测试。3个试桩的参数和结果见表4, 其Q-s曲线、桩身轴力分布、桩侧摩阻力变化曲线、桩端阻力变化曲线见文献[7]。

　　 从表4试验结果和文献[7]的Q-s曲线可知, 试桩TP2的Q-s曲线为陡降型, 桩顶沉降大, 极限承载力较低, 试桩TP1, TP3的Q-s曲线为缓降型, 此2根试桩均未达到基桩检测规范规定的终止加载条件, 其中采用桩端+桩侧联合后注浆对提高单桩极限承载力和减少桩顶沉降效果较好。试桩TP1, TP3的极限承载力比试桩TP2的极限承载力分别提高约2.4, 1.8倍。从文献[7]中的桩身轴力分布和桩侧摩阻力对比图可知, 桩端以上50m处桩侧摩阻力有提高, 注浆改变了桩身轴力分布, 延长桩基弹性工作阶段, 提高了单桩极限承载力, 减小了桩基沉降。试桩TP1, TP2, TP3在达到表4中各自极限承载力标准值时对应的桩端阻力分别为598, 2 467, 804kN, 未注浆的TP2桩端阻力得到了充分发挥, 桩端阻力与桩侧阻力比为17.6%, 后注浆的TP1和TP3桩端阻力均未充分发挥, 桩端阻力与桩侧阻力比分别为1.6%和2.7%, 表明大直径超长后注浆灌注桩为摩擦型桩。

　　 九龙仓国金中心位于苏州工业园区金鸡湖东CBD商圈核心区域, 西面正对金鸡湖, 主塔楼地上93层, 地下4层, 建筑高度450m, 总建筑面积393 208m², 桩顶相对标高-22.00m。九龙仓国金中心项目与新鸿基超高层项目一路之隔, 两者属同一地质单元, 土层分布及土性特征基本相同。

　　 由于建筑物荷载巨大, 对单桩承载力及沉降的要求更高, 设计采用直径1 000mm的钻孔灌注桩, 以 (13) 粉砂层作为桩基持力层。2010年7月第一批试桩未达到预估极限承载力, 后经调整注浆参数, 改进施工工艺, 2010年11月进行了第二批试桩, 两批试桩的设计参数和结果见表5^[3]。

　　 从表5试验结果可知, 第一批试桩基本呈现桩端未注浆钻孔灌注桩的特征, 施工单位也不能提供单桩注浆量, 初步判断此批试验可能未进行桩端后注浆, 第二批4根试桩加载至30 000kN均未达到基桩检测规范规定的终止加载条件, 试桩的承载力还有提高的可能, 采用桩端后注浆的极限承载力标准值比第一批试桩的极限承载力标准值提高约1.7倍;超过合理注浆量后, 再加大单桩注浆量, 对减小单桩桩顶沉降量、提高单桩极限承载力标准值的效果不明显。

　　 中南中心位于苏州工业园区金鸡湖西侧, 南临苏惠路, 西临星阳街, 占地面积2.5万m², 建筑面积约50万m², 地下5层, 地下室板底相对标高为-28.800m, 裙房地上8层, 塔楼地上138层, 建筑高度729m。中南中心项目与苏州中心广场项目属同一区域, 两者土层分布及土性特征基本相同。

　　 由于建筑高度很高, 荷载巨大, 设计采用直径1 100mm的钻孔灌注桩, 以 (13) ₂粉细砂层作为桩端持力层, 采用桩端+桩侧联合后注浆, 并用双套筒对地下室底板以上土体进行隔离, 单桩桩端注浆量为4.5t, 单桩桩侧注浆量为1.5t, 塔楼区域4根试桩的参数和结果见表6^[8]。

　　 从表6试验结果可知, 4根试桩加载至32 000kN时, 均未达到基桩检测规范规定的终止加载条件, 试桩桩顶累计沉降量均小于14mm, 试桩的回弹率均在57%以上, 试桩的极限承载力还有很大幅度的提高。

　　 大直径超长后注浆钻孔灌注桩的合理桩端注浆量应根据桩长、桩径、桩端和桩周土层特性、成孔时间、沉渣厚度、承载力需要提高的幅度等因素综合确定, 通常通过现场不同注浆量的试桩试验对比确定。

　　 关于单桩桩端注浆量的估算在桩基规范和上海地基基础规范均有规定, 具体如下:

　　 桩基规范中单桩桩端注浆量估算公式为:

　　 $G{}_{\text{c}}=\alpha {}_{\text{p}}d+\alpha {}_{\text{s}}nd(1)$

　　 式中各参数定义见桩基规范。

　　 上海地基基础规范中规定:桩端后注浆应保证一定的注浆量, 注浆量的大小与桩径、桩长、土层性质有关密切, 可根据桩端土层条件参考类似工程经验综合确定;根据上海地区部分已有工程经验, 对后注浆钻孔灌注桩注浆量, 建议一般需大于表7中的数值。

　　 从以上两个规范的规定可以看出, 上海地基基础规范要求的注浆量远大于桩基规范, 桩基规范为全国性规范, 要考虑到全国各个地方的地质情况, 上海地基基础规范的规定为上海地区部分已有工程的经验总结, 对上海地区的地质适用性更强。苏州离上海很近, 都属于深厚软土地区, 上海地基基础规范的规定对苏州地区单桩桩端注浆量的估算指导意义更大。合理的注浆量是确保桩的极限承载力增幅达到要求的重要因素, 过量的注浆会增加不必要的消耗, 从九龙仓国金中心不同桩端注浆量试桩试验也可以看出, 注浆量超过合理范围后, 再增加注浆量对提高单桩极限承载力的效果不明显。结合本文所列的5个超高层项目的试桩试验结果, 建议苏州地区类似地质条件下直径1 000mm的大直径超长后注浆钻孔灌注桩的桩端后注浆量的合理范围为2～4t, 其他直径的大直径超长后注浆钻孔灌注桩桩端后注浆量可参考此值适当增减。

　　 大直径超长后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值必须通过现场静载荷试验确定。但对试桩之前设计的后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力估算, 桩基规范和上海地基基础规范均有规定, 具体如下:

　　 桩基规范采用钻孔灌注桩设计参数提高法对后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值进行估算, 公式如下:

　　 Q_uk=Q_sk+ Q_gsk+ Q_gpk=u∑ψ_sjq_sjkl_j +u∑ψ_siβ_sikq_sikl_gi+ψ_pβ_pq_pkA_p (2)

　　 式中各参数定义见桩基规范。

　　 (2) 上海地基基础规范给出的后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值的估算公式与非注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值的估算公式完全相同, 如下:

　　 $R{}_{\text{k}}=R{}_{\text{s}\text{k}}+R{}_{\text{p}\text{k}}=U{}_{\text{p}}{\displaystyle \sum f}{}_{\text{s}i}l{}_i+f{}_{\text{p}}A{}_{\text{p}}(3)$

　　 式中各参数含义见上海地基基础规范。

　　 上海地基基础规范关于后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值的估算也是采用的灌注桩设计参数提高法, 其后注浆桩周土极限摩阻力标准值、桩端极限端阻力标准值可根据土的名称、土层埋藏深度和土的性质取钻孔灌注桩极限侧摩阻力和极限端阻力的上限值, 并分别乘以综合调整系数1.2。

　　 综合上述5个项目的试桩数据, 采用桩基规范中后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值的估算公式 (本文中公式 (2) ) 计算时, 后注浆桩侧阻力增强系数β_si和桩端阻力增强系数β_p的数值可按表8 (表8数据来自桩基规范表5.3.10中数据上限值) 取。按本文公式 (2) 计算出苏州中心广场项目的直径1 000mm的桩端后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值为26 474kN。

　　 根据上海地基基础规范中后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值的估算公式 (本文中公式 (3) ) 计算出苏州中心广场项目的直径1 000mm的桩端后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力标准值为26 238kN。可见, 两种计算方法得到的单桩极限承载力标准值的数值基本相同^[9], 也和8#, 9#塔楼试桩得到的单桩极限承载力27 000kN接近。九龙仓国金中心和新鸿基超高层项目的钻孔灌注桩采用桩端后注浆后, 与未注浆的钻孔灌注桩相比, 其单桩极限承载力提高均达1.6倍以上, 说明苏州地区类似地质条件下采用合理范围注浆量的后注浆钻孔灌注桩在试桩之前的单桩极限承载力, 可按桩基规范后注浆桩侧阻力β_si和桩端阻力增强系数β_p的上限值进行估算。

　　 (1) 采用后注浆可减少大直径超长钻孔灌注桩成桩质量的离散性, 固化桩端沉渣和桩侧泥皮的效果明显, 能有效提高桩端阻力和桩侧阻力。

　　 (2) 通过后注浆桩与普通桩静载荷试验对比可知, 后注浆改变了桩身轴力分布, 延长桩基弹性工作阶段, 提高了单桩极限承载力, 减小了桩基沉降。

　　 (3) 新鸿基超高层项目试桩桩端阻力测试数据表明, 普通大直径超长钻孔灌注桩在极限荷载作用下, 桩端与桩侧阻力比不足18%, 采用后注浆后, 桩端与桩侧阻力比不足3%, 表明大直径超长后注浆钻孔灌注桩为摩擦型桩。

　　 (4) 合理的注浆量应根据桩长、桩径、土层特性以及极限承载力需要提高的幅度等因素综合确定, 宜通过现场不同注浆量的试桩试验对比确定, 本文结合5个超高层项目的试桩试验结果, 建议苏州地区类似地质条件下直径为1 000mm的大直径超长钻孔灌注桩的桩端后注浆量的合理范围为2～4t。

　　 (5) 后注浆钻孔灌注桩单桩极限承载力必须通过现场静载荷试验确定。通过对桩基规范和上海市地基基础规范中后注浆钻孔灌注桩单桩极限承力标准值估算公式的估算结果和试桩试验结果的对比, 提出试桩前的单桩极限承载力标准值估算可按桩基规范增强系数的上限值取值。