挖钻孔柱基底沉渣对基础承载力影响

李智平 张红 龙建辉

摘 要：针对传统灌注桩基础施工过程中产生沉渣影响桩基承载力发挥的问题，提出用荷载传递性状现场测方法，对单桩极限承载力、桩端阻力和桩端侧摩阻力受沉渣影响的机理。试验结果表明：桩的破坏形式受到沉渣厚度的影响，沉渣厚度大，桩破坏形式为刺入破坏;沉渣厚度小，桩破坏形式为桩端土压缩变形。相同桩顶荷载条件，沉渣厚度与桩顶沉降量成正比，与单桩极限承载力成反比。当沉渣厚度较大时，端阻最大损失可达80%，侧阻损失可达70%，压密后，桩端阻力慢慢的接近正常桩。处理沉渣的有效方式为反循环清渣工艺结合桩底高压注浆工艺。

关键词：沉渣;沉渣厚度;极限承载力;桩端阻力;桩侧摩阻力

中图分类号：TU473.1+1;TU473.1+4  文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0112-04

随着建筑行业的发展，桩基础也得到了较为广泛的运用。在某些不能满足上部荷载又不能使用地基处理的地基土上，就需要采用桩基础进行施工作业。但受到施工工艺、施工队伍技术水平的影响，桩基础施工过程中会产生一定量的沉渣。沉渣影响桩基承载力，因此，研究沉渣厚度对桩基的影响方式和处理方法是目前研究的重点。通过改变沉渣厚度和压缩模量，研究端承桩的荷载—沉降曲线变化规律，证实了沉渣的出现会导致桩端阻力损失严重，进而降低极限承载力;通过增加沉渣压缩模量能有效控制桩顶沉降[1];尝试用随钻跟管桩竖向承载特性模型试验探究沉渣厚度对管桩承载力的影响。证实了存在桩底沉渣时，随钻跟管桩是以发挥侧摩阻力为主的端承摩擦型桩[2]。以上学者的研究成果确定了沉渣的出现会对桩基础强度产生影响，但对影响机理和处理方式并没有深入探讨。基于此，本文尝试用桩静载试验及荷载传递性状现场测试的方法，确实沉渣对桩基础的影响机理。并对处理成渣的方式进行探讨。

1 现场地质原型情况确定

本文试验原型取福州盆地中部的某30层写字楼。该写字樓所处场地的土层成因主要为淤积和冲洪积。桩基础均是采用Φ1 000 mm的钻孔灌注桩。选择两根工程地质性能皆类似的两根试装S1和S3进行分析（其中S3正常桩，沉渣厚度约为8 cm）。S1桩身在土层分界面装有钢筋应力计和超声波管;在静载试验完成后，对S1桩进行超声检测和钻孔取芯检验。S3与S1距离很近，因此庄周土层土体结构类似。S3与S1具体施工参数如表1所示。

静载试验选择慢速维持荷载法进行分级加荷。试验过程中，S1桩经过第1循环后，将荷载卸除归零，继续进行第2次循环试验。分别测试两次试验时S1桩身轴力分布变化，统计结果如图1所示。两桩静载Q-S曲线如图2所示。进行第2次循环试验时，第1次循环造成的沉降忽略不计。

2 沉渣对单桩极限承载力的影响

通过对临近像是场地的同类桩进行实测，以5 000 kN作为强风化土层极限短阻力换算Qpk。按照常用经验公式，根据试桩点附近土层标准贯入基数计算Qxk。由图2可知，S1桩底沉渣检测厚度值为39.88 cm，经过第1次循环，单桩极限承载力的测试值为4 000 kN，仅为计算值的22.7%。端阻发挥占7.9%，侧阻发挥为27.5%;将荷载卸载归零后，测得残余沉降度为7.383 cm，此时沉渣厚度为32.2 cm。经过第2次循环后，单桩极限承载力由4 000 kN增长至10 000 kN，对试桩增长的幅度达到了150%，达到了计算值的55.2%，其中端阻发挥为42.4%，侧阻发挥60.3%。

这就说明对沉渣的压缩，能够快速有效提升单桩的极限承载力。但在相同的桩顶荷载下，试验桩S1仍比正常桩S3沉降量大，单桩极限承载力也偏低。工程地质和成桩相同的条件下，桩底沉渣对沉降量和单桩极限承载力产生不良影响。经过实际考察统计证实，沉渣影响单桩极限承载力实测值与计算值的比值为0.3～1.0。

3 沉渣对端阻力的影响

图3为Qw与Qp、Qs间关系，其中图3（a）表示Q～QI～Qs增长趋势，图3（b）表示δ～Qp～Qs增长趋势。桩端土层短阻力比沉渣强度高，可能出现“软垫”现象。沉渣强度控制桩端土极限承载力。由图2可知，第1次循环试验施加荷载至5 000 kN时，桩端阻力约为647 kPa，占桩顶荷载的12.5%，转换为强度约等于647 kPa。该强度已经大于沉渣的极限强度，因此桩出现陡降现象，出现“刺入破坏”，进而达到桩的极限承载力。桩极限承载力为4 000 kN时，桩端阻力为421.8%，仅仅是桩端土层正常值的8.3%。沉渣的压缩会导致强度增长，端阻力也表现出稳定增长的状态，如图3（a）所示。在第2次循环增加荷载时，桩顶荷载一样，第2循环和第1循环的桩端阻力实测值相近，即沉渣厚度几乎不影响桩侧和桩端荷载分担比例。

由图3（b）可知，桩端位移相同，桩端阻力受沉渣大小影响。沉渣越小，受到的端阻力越大。发挥相同的桩端承载力，沉渣厚度较大需要的桩土位移盖大于沉渣较小时的桩土位移。第2次循环试验过程中，桩没有陡降现象出现，说明第1次循环试验将沉渣压缩后，改善了其强度，此时桩端阻力也慢慢接近正常桩。桩的破坏形式从“刺入破坏”缓慢变为局部剪切破坏;在Q-S曲线表现为“陡降”变成“缓变”。桩的极限承载力也慢慢转换以桩底沉降量进行控制。此时，桩底沉渣总压缩量为10.38 cm桩底留下的沉渣厚度为29.28 cm左右，端阻力提高至2 057 kN，对应的强度为2 096 kPa，为桩顶荷载的20.6%，是桩端土层正常值的42.7%。极限状态下的端阻力比第1次循环有所提高，桩端阻力持续增加。

根据上述可知，对桩端阻力发挥和桩破坏形式较大影响的因素是沉渣厚度。沉渣压密的进行，桩端阻力同步增加，并趋近于正常桩端土层强度。当沉渣厚度较大，桩的主要破坏形式为“刺入破坏”，将沉渣压缩至允许范围时，破坏形式逐渐变为压缩变形。

因此通过控制柱底沉渣厚度可有效避免桩出现刺入破坏和桩顶沉降量过大的现象。对位于特定持力层的超长大直径灌注摩擦桩，桩端阻力几乎不超过桩顶荷载的30%。因此想要保证桩端土层强度的正常发挥，实际工程沉渣的厚度需要控制在10 cm左右。

4 沉渣对桩侧摩阻力影响

表2为极限状态下桩侧土层摩阻力与桩土相对位移。

由表2可知，两次循环荷载试验，桩身下部土层侧摩阻力都比正常值更小。说明沉渣对桩端阻力和桩身下部桩侧土层的摩阻力其负作用。对桩侧土层摩阻力发挥所需要的相对位移有增强作用。出现此现象的原因与桩的破坏形式有关。

沉渣厚度较大时，桩底土压缩变形主导桩底沉降，桩端位移增加，桩端位移产生桩土相对位移传递方向为桩尖向上传递，桩下部的桩土相对位移加大，有可能在桩土界面出现剪切滑移现象。由效应应力原理可知，桩土处摩擦角降低，则侧摩阻力随降低。侧阻损失随相对位移速率增加而增加，这也解释了端阻越大导致的桩端沉降越小，实测桩侧摩阻力越大。

5 减少沉渣影响的措施

桩底沉渣主要由场地土层、泥浆密度和施工工艺等原因导致。沉渣厚度对超长灌注桩施工技术与工艺产生影响。泥浆泵排渣效率影响正循环工艺，从而影响沉渣的处理效果。另外，正循环工艺采用较大的泥浆密度和较厚泥皮，以增强砂浆悬浮砂砾的能力，这也导致了桩侧摩阻力损失较大。反循环工艺选用较小泥浆密度，清理沉渣时。可以根据钻孔深度用泵吸反循环或是气举反循环对沉渣进行清理。该方法清理效果较为理想，因此单桩的承载能力可以正常发挥。本文选择的两个试验桩中，S3桩采用的是反循环工艺对沉渣进行清理，处理后桩底沉渣厚度变薄，单桩承载力变大，桩底沉降随之减小。

桩底高压注浆工艺时，利用高压水泥浆对沉渣起物理作用，沉渣强度有所增加，从而消除沉渣的不利影响。

6 结语

本文通过静载试验结合传递性状现场测试，分析了柱底沉渣的单桩极限承载力、桩端和侧摩阻力的影响机理，得到的具体结论为：

（1）由沉渣对单桩极限承载力分析可知，沉渣厚度不符合允许范围内标准时，桩以“刺入破坏”为主，在Q-S曲线上为“陡降”趋势。桩的承载力极限状态控制单桩的极限承载力。沉渣厚度在允许范围内，桩主要为桩端土压缩变形的破坏形式，在Q-S曲线上是“缓变”趋势。桩顶沉降量控制单桩极限承载力;

（2）由沉渣对端阻力影响分析结果可知。在相同桩顶荷载条件下，桩顶沉降量随沉渣厚度的增加而增加，沉渣厚度增加导致单桩极限承载力降低。所以计算单桩极限承载力时应考虑沉渣厚度影响，对非嵌岩的端承摩擦桩，沉渣厚度不宜超过10 cm;

（3）由沉渣對桩侧摩阻力影响分析结果可知，沉渣厚度对桩侧、桩端荷载分担比例几乎没有影响。桩底沉渣“软垫”效应影响超长桩桩端阻力，对上部桩侧土层摩阻力发挥影响较小。当沉渣厚度较大时，端阻最大损失能达80%，侧阻损失可达70%。将沉渣压密后，桩端阻力慢慢与正常桩端土层强度接近，且桩侧土发挥相同摩阻力需的桩土位移也随之增加;

（4）桩底成渣有效处理方式为反循环清渣工艺和桩底高压注浆工艺结合，使单桩承载力可以正常发挥。

【参考文献】

[1] 原方，李志谦，张健，等.桩底沉渣对端承桩竖向承载性能的影响研究[J].河南科技，2018（8）：114-117.

[2] 刘春林，唐孟雄，胡贺松，等.考虑桩底沉渣的随钻跟管桩竖向承载特性模型试验研究[J].岩土力学，2021，42（1）：177-185.

[3] 高坛，周传波，周小勇，等.沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验研究[J].安全与环境工程，2019，26（1）：198-202.

[4] 徐志军，李志谦，原方，等.考虑桩底沉渣的基桩竖向承载力目标可靠度[J].科学技术与工程，2019，19（3）：189-195.

[5] 何伟，徐志军.考虑桩底沉渣的摩擦桩竖向承载力可靠度研究[J].铁道建筑技术，2018（10）：22-25.

[6] 刘客，侯龙清，李明东，等.钻孔灌注桩沉渣厚度检测技术发展和展望[J].土工基础，2019，33（3）：379-383.

[7] 方巽科，王玉松，吴映栋，等.钻孔灌注桩缺陷处理技术探讨及工程应用[J].浙江建筑，2019，36（4）：28-30.

[8] 周强.冲击成孔嵌岩桩事故分析及处理[J].地质装备，2020，21（4）：40-44.

[9] 孙玉刚，鲍伏波，吕英明，等.钻孔成像技术在桩底沉渣厚度检测中的应用[J].土工基础，2020，34（3）：366-368.

[10] 魏奎烨，张宏兵，宋新江，等.声波透射法测桩波形畸变系数计算与分析[J].振动.测试与诊断，2019，39（5）：1 098-1 102.