国内微型桩^[1,2]技术的研究及应用起步较晚, 且多用于边坡治理与基础支护工程。近年来, 中国电力科学研究院^[3,4,5]、浙江大学^[6,7]等对微型桩技术开展了较为系统的研究, 取得了一些研究成果和工程实践经验。

理论研究及工程实践表明, 微型桩的成桩质量与施工工艺、地质条件有密切关系。国外的成桩工艺主要采用先钻孔再埋入钢管或精轧螺纹钢筋后注浆的方法, 国内则多采用先钻孔再植入钢筋笼后投碎石注浆的成桩工艺。应该说, 这2种成桩方法各有优势:第1种方法成桩质量有保证, 但成本较高;第2种方法成本较低, 但成桩质量及适应能力仍待提高。

本文针对以上技术问题, 提出了一种适用于软土地基条件下的微型静压钢管桩注浆成桩工艺, 并对成桩机理及桩土相互作用进行了分析。为了验证该成桩工艺的可行性与成桩效果, 进行了现场原型桩基性能试验。

微型静压钢管桩注浆工艺主要包括钢管桩制作、静力压桩、重力注浆、两阶段压力注浆、封桩。

为了便于后续静力压桩, 钢管桩采用小直径钢管, 管径为70~140mm, 分节制作, 每节钢管的长度为3~6m, 钢管管壁对称开孔, 孔径不超过管径的1/3, 且≤30mm;采用螺旋地锚静力压桩技术进行压桩, 达到设计位置或压桩力设计值后对钢管内进行清理;钢管内插入注浆管注入水泥浆, 边注浆边提管;钢管内水泥浆注满外溢后, 安装压力注浆阀及注浆管, 实施两阶段压力注浆;注浆后进行封桩并与基础连接。微型静压钢管桩注浆成桩工艺如图1所示。

软土地基条件下, 若采用钻孔投石注浆的成桩工艺, 容易出现塌孔或缩颈现象, 成桩质量较难保证。

微型静压钢管桩注浆成桩过程中, 小直径钢管桩压入土体过程中沉桩阻力较小, 且对桩周土体有一定的挤压作用;钢管桩压入土层后既可以作为永久的护壁套筒, 又可以用作注浆管道, 成桩质量容易保证。

软土中微型桩主要作为摩擦桩来使用, 桩基破坏通常表现为注浆体与土体之间的黏结约束破坏。因此, 提高注浆体与桩周土体之间的极限侧阻力, 增大注浆体与桩周土体的接触面积是提高微型桩桩基承载力的主要手段。

静压微型钢管桩注浆成桩工艺通过压力注浆可以实现以下2个方面的效果: (1) 注浆的压力与固化作用可以对桩周土水平方向产生强化效应, 并改善土体的初始应力状态, 既提高了注浆体与土体的极限侧阻力, 又能有效控制基础的沉降; (2) 两阶段压力注浆通过改变注浆压力, 在第1阶段注浆的基础上进一步加大注浆压力, 使得第2阶段的注浆能够通过劈裂与挤压作用, 对前阶段的混合水泥土再强化, 并显著增大注浆体与桩周土的接触面积。两阶段压力注浆后, 桩体断面如图2所示。

场地在埋深15m范围内的地基土层可以划分为4个工程地质层: (1) 素填土, 深度范围0.8~1.2m, 松散、稍湿, 以黏性土为主, 性状较差; (2) 黏土, 深度范围1.2~1.5m, 软塑、土质较均匀, 干强度高, 韧性高; (3) 淤泥质黏土, 深度范围9.2~10m, 流塑、高压缩性, 工程性能极差; (4) 黏土, 深度范围3.8~4.4m, 硬塑、土质较均匀, 压缩性中等, 性状较好。各土层的物理力学性能指标如表1所示。

制作桩体的钢管直径为102mm, 壁厚3mm, 桩体总长度为12m, 共分4节制作, 每节钢管长度为3m, 每节钢管管壁对称开2个直径25mm的注浆孔。钢管分段压入土体, 接桩采用焊接。钢管入土到达设计位置后, 立即利用射水管对钢管内壁进行清理, 直到清水冒出;注浆时先将注浆管放入钢管内直接注入水灰比为0.5的水泥浆, 边注浆边缓慢提升注浆管, 直到管口冒浆为止, 接着进行第1阶段压力注浆, 注浆压力为0.4~0.6MPa, 注浆量达到2倍钢管体积时第1阶段注浆结束, 间隔15~20min后再进行第2阶段压力注浆, 注浆压力为2.5~3.0MPa, 注浆量达到3倍钢管体积时注浆结束, 成桩施工完成, 成桩养护28d后开始试桩。

本次微型桩试验共进行了6根单桩的抗压试验, 桩长均为12m, 入土深度为11.8m。其中3根对比微型钢管桩 (L11, L12, L13) , 3根静压微型钢管注浆桩 (L21, L22, L23) 。

试验采用重力反力装置, 加荷方式为慢速维持荷载法。试验出现以下情况之一即可终止加载: (1) 某级荷载作用下, 桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍 (注:当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量<40mm时, 宜加载至桩顶总沉降量超过40mm) ; (2) 某级荷载作用下, 桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍, 且经24h尚未达到相对稳定标准。

单桩抗压试验微型钢管桩与微型静压钢管注浆桩的荷载-沉降位移曲线如图3所示。从图3可以看出, 微型钢管桩与微型静压钢管注浆桩的荷载-沉降位移曲线基本相同, 都属于缓变型。采用微型静压钢管桩注浆工艺成桩的桩基承载力提高明显, 相同荷载作用下桩基沉降位移显著减小。

根据现行桩基规范^[8]规定, 采用静载荷试验确定单桩竖向承载力, 对于荷载-沉降曲线属于缓变型的, 可取桩顶沉降为40~60mm对应的荷载作为试桩的极限承载力。而图3表明, 桩顶沉降为15~20mm时, 桩顶荷载-沉降曲线有明显下降的趋势, 故以15~20mm对应的荷载作为桩的极限承载力。按此标准确定的单桩抗压极限承载力如表2所示。从表2可以看出, 采用本文提出的成桩工艺, 桩基承载力平均值比注浆前提高了2.2倍, 注浆后的3根试验桩承载力非常接近, 表明成桩质量保证率较高。

目前, JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》^[9]对微型桩单桩竖向承载力计算没有给出专门的计算公式, 而JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》^[10]9.4.2条款规定:注浆钢管桩单桩承载力的设计计算, 应符合现行行业标准《建筑桩基技术规范》的有关规定, 桩侧摩阻力特征值取值可以乘以1.3的系数。

参照《建筑桩基技术规范》中钢管桩单桩竖向极限承载力的计算公式, 并忽略桩端阻力, 则有:

式中:Q_uk为单桩竖向极限承载力标准值;Q_sk为总极限侧阻力标准值;γ为桩基承载力放大系数, 未注浆时取1.0, 二次注浆后取1.3;u为桩身周长;q_sik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;l_i为桩周第i层土的厚度。

美国联邦公路管理局 (FHWA) 编制的《微型桩设计与施工指导手册》^[11]5.9.2条款专门给出了微型桩桩土约束极限承载力计算公式:

式中:P_G-allowable为桩周极限侧阻力设计值;α_bond为注浆体与土极限约束强度;FS为安全系数;D_b为钻孔直径;L_b为约束长度。

从式 (1) 与 (2) 比较来看, 计算公式形式相似, 但式 (1) 中q_sik是钢管桩与土之间的侧阻力, 式 (2) 中α_bond则是注浆体与土之间的侧阻力。FHWA在设计手册表5.3中给出了各类微型桩的α_bond的取值范围。

为了便于设计需要, 本文采用公式 (1) 对微型桩基极限承载力进行计算。计算结果与试验结果对比如表2所示。从表2可以看出, 注浆前的微型静压钢管桩实测值与计算值非常接近, 注浆后实测值约为计算值的1.2倍, 可见按照公式 (1) 进行设计计算偏于安全, 可以应用于实际设计。

本文针对当前微型桩成桩工艺存在的技术问题, 提出了一种微型静压钢管桩注浆成桩工艺, 并通过现场试桩试验验证了施工工艺的可行性。结果表明:

1) 采用微型静压钢管桩注浆成桩工艺施工的桩基极限承载力能够提高2.2倍, 成桩质量保证率较高。

2) 试桩桩基承载力极限实测值约为设计计算值的1.2倍, 用于实际设计偏于安全。

应该指出的是, 由于受到现场试验工作量及成本的控制, 本文提出的成桩工艺尚需进一步地改进, 成桩后桩基的抗拔、抗水平荷载等性能还需要深入研究, 目前仅适用于软土地区的成桩。