钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力的试验研究

吕文龙，刘  恋，邓  婷

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州510500）

[摘要]通过12个钻孔注浆钢管桩试件的桩身轴压承载力试验，得出了各试件的荷载一变形曲线，对比分析了各种计算方法预测的试件轴压承载力的有效性。研究表明：①实测钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按钢管轴压承载力计算的设计值大约2.2~3.1倍；②实测钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按钢管轴压承载力+钢管内注浆体轴压承载力计算的设计值大约1.5~1.8倍；③实测钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按我国标准CECS28：2012中钢管混凝土柱轴压承载力计算的设计值大约1.3~1.6倍，吻合较好。

 [关键词]钻孔注浆钢管桩；桩身抗压承载力；静力试验[中图分类号] TU443

 钻孔注浆钢管桩是利用地质钻机，钻出直径150mm~ 300mm的钻孔，然后在钻孔中设置钢管，再浇筑水泥浆或水泥砂浆的一种小型桩基。钻孔注浆钢管桩具有施工设备小、施工速度快、施工质量可靠的特点，目前广泛应用于边坡和基坑支护、既有房屋的地基基础加固及桩基事故加固处理中。指出高承台钢管桩受压极限承载力无法按现行规范求出，因此用1：2模型试验和非线性屈曲数值分析的方法得到了钢管桩顶部受压的应力分布和极限承载力，并进一步确定出其计算长度系数和受压稳定性系数。

 钻孔注浆钢管桩的单桩竖向极限承载力可参考《建筑桩基技术规范》的相关规定进行计算，但对于桩身轴压承载力的计算，《建筑桩基技术规范》和《既有建筑地基基础加固技术规范》并无提出对应的计算方法或可参考计算的方法。因此，设计人员在计算钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力时，一般是按下列方法进行计算：①只考虑钢管的轴压承载力，忽略注浆体的轴压承载力；②将计算的钢管轴压承载力凭个人经验乘以一个1. 1 N 1.5的放大系数近似考虑注浆体的轴压承载力；③将钢管的轴压承载力与钢管中注浆体的轴压承载力相加作为钢管桩桩身的轴压承载力。第一种计算方法的观点是担心注浆体的抗压强度太小，难以与钢管共同承载；第二种计算方法的观点认为注浆体和钢管能在一定的竖向压力作用下共同承载，但不确定是否能最终共同破坏；第三种计算方法的观点认为注浆体和钢管能在轴向压力作用下共同承载，并最终共同破坏。

 因此，有必要对钻注浆钢管桩的桩身轴压承载力进行试验，在试验的基础上对其桩身承载力计算方法进行研究。

1  试验研究

1.1  试件设计

 本次试验共制作12根试件，按钢管直径不同分为A、B、C三组，每组试件4根，各组试件的基本参数见表1。其中9根试件用于桩身轴压承载力试验，另外3根用于抽取芯样量测钢管内注浆体的抗压强度。

 首先按照预定尺寸加工钢管，并保证两端截面平整，钢管沿其纵向每隔300mm切割出一个直径为50mm的圆孔（共计3个，错开布置），以便于钢管内水泥砂浆从钢管内流出填满桩孔，如图1所示。水泥砂浆所用材料包括42.5普通硅酸盐水泥和中砂。

 由于本文试验所需钢管桩长度小，采用人工方式在填土地层内开挖出12个钢管桩试件的桩孔，如图1(a)所示。桩孔大小见表1。水泥砂浆浇注前每个桩孔采用相同外径的PVC管作为临时护壁，以防止在浇筑水泥砂浆前钻孔塌孔，浇筑时PVC管缓慢抽离钻孔。试件在钻孔内浇筑，为了更好地模拟实际施工状态，考虑钻孔中的泥土及地下水对水泥砂浆体强度及其与钢管壁之间粘结强度的影响。

 钢管桩试件浇注过程如下：先将钢管分别放人对应的桩孔内，并尽量保证钢管的中心位置与桩孔的中心重合。制备水灰比约为1.0的水泥砂浆，将注浆管伸人桩孔底部，水泥砂浆通过砂浆泵注入桩孔，边注浆边将PVC管缓慢提升至桩孔外，桩孔注满并返浆后停止注浆，如图1(b)所示。定期浇水养护28d后将试件开挖出来，去除其表面粘附的砂土，采用打磨机将两侧桩端磨平，如图2所示。

1.2试件量测

 试验在广州大学工程抗震研究中心实验室的1000t压力设备上进行。试件侧面对称设置2个量程为10cm的位移计。施加竖向荷载时，首先采用力控制策略（注：每级荷载100kN），接近预估的抗压承载力时改用位移控制策略。每级荷载的持续时间约1min~2min。图3为加载与测量装置的示意图。

1.3材性试验

 试件养护28d后，采用混凝土抽芯机对A-4、B-4、C-4三根试件的钢管两端内水泥砂浆抽取芯样6个，测得其立方体抗压强度为28. 2MPa。利用多余钢管，按照标准试验方法进行拉伸试验，测得A、C组钢管屈服强度为318MPa，B组钢管屈服强度为314MPa。

1.4  试验结果

 试验过程中各试件的宏观破坏现象较为相似，主要表现为：加载初期试件处于弹性阶段；随着荷载增加，在各自轴压承载力的60%左右，三组桩的水泥砂浆保护层开始开裂、脱落；在各自轴压承载力的95%左右，可用肉眼观察到三组试件的钢管轻微起鼓，此时钢管屈服；随后柱顶附近钢管因加载设备钢板的约束效应出现局部屈曲并持续发展；极限荷载之后，随着试件轴向变形的增加，多数试件的荷载基本保持稳定。试件最终破坏形态见图4。

 轴压试验对应的荷载·竖向变形曲线如图5所示。图5显示，进入强化段之前每条荷载·竖向变形曲线在横坐标4mm~5.5mm范围内均存在一个局部最大值，本文取该局部最大值为相应钢管桩桩身的抗压承载力。由图5可知：

 1)钻孔注浆钢管桩桩身轴压的荷载一变形曲线呈双折线形，由上升段和平缓上升段组成，平缓上升段总体呈现出荷载随位移增加缓慢增长并渐趋平缓的趋势。这是因为本试验采取的钢管壁厚较大，钢管屈服后，钢管内的水泥砂浆由于钢管的约束效应，抗压强度有所提高。

 2)随着钢管直径的增大，荷载．变形曲线上升段的斜率随之增大，即初始轴向受压刚度随之增大。

2计算比较

 方法一，钻孔注浆钢管桩轴压承载力设计值N。按钢管轴压承载力设计值计算的公式如下：

式中：f c为钢管的抗压强度设计值；As为钢管面积。

 方法二，Nu按钢管轴压承载力设计值+钢管内注浆体轴压承载力设计值（不考虑钢管对注浆体的约束）计算的公式如下：

 方法三，Nu按《钢管混凝土结构技术规程》( CECS 28：2012)中钢管混凝土柱轴压承载力设计值的计算的公式如下：

为与混凝土强度等级有关的套箍指标界限值；a为与混凝土强度等级有关的系数。以上4个参数的取值详见相关表格。采用该方法时，钢管的径厚比宜为(20~135) 235/f，且θ宜为0.5~

2.5 。

 按上述方法分别计算各试件的28d轴压承载力并与试验实测值进行比较，具体见表2和表3。

 由表3可知：

 1)实测的钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按钢管轴压承载力计算的结果大约2.2~3.1倍，过于保守。

 2)实测的钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比  按钢管轴压承载力+钢管内注浆体轴压承载力（不考虑钢管对注浆体的约束）计算的结果大约1.5~

  1.8倍。

 3)实测的钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按《钢管混凝土结构技术规程》中钢管混凝土柱的轴压承载力计算的结果大约1.3~1.6倍，较为合理。虽然钻孔注浆钢管桩中钢管内填充为水泥砂浆体，而非该规程中所要求的混凝土，但计算结果仍较为吻合，说明用该方法计算该桩型的桩身轴压承载力是合理的。

 4)由试验结果及计算结果的对比来看，钻孔注浆钢管桩轴力达到轴压承载力时，钢管的压应力达到抗压强度，钢管内注浆体的压应力由于钢管的约束效应，高于其轴心抗压强度。

  3  设计建议

 在实际工程中，当钻孔注浆钢管桩周围为淤泥或其他较差的土层，由于地层对桩的约束作用较弱，在承载过程中砂浆保护层会发生剥离，与本文试验条件相近。而在较好的地层中，地层对钻孔注浆钢管桩有较强的约束作用，在承载过程中砂浆保护层可能不会剥离，但仍按剥离情况进行考虑是略微偏保守的（毕竟保护层厚度有限且受泥皮影响承载力贡献远不及钢管及钢管内的约束砂浆体），可作为适当的安全储备。

 采用CECS 28：2012方法可较好地预测钻孔注浆钢管桩的桩身轴压承载力。

4  小  结

 1)在轴压承载力的60%左右，钻孔注浆钢管桩外的注浆体保护层开始开裂、脱落；在轴压承载力的95%左右，钢管出现起鼓，开始屈服。

 2)钻孔注浆钢管桩桩身轴压的荷载．变形曲线呈双折线形，由上升段和平缓上升段组成，平缓上升段总体呈现出荷载随位移增加缓慢增长并渐趋平缓的趋势。

 3)实测钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按钢管轴压承载力计算的设计值大约2.2~3.1倍。

 4)实测钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按钢管轴压承载力+钢管内注浆体轴压承载力计算的设计值大约1.5~1.8倍。

 5)实测钻孔注浆钢管桩桩身轴压承载力比按《钢管混凝土结构技术规程》中钢管混凝土柱轴压承载力计算的设计值大约1.3~1.6倍，该方法可较好地预测钻孔注浆钢管桩的桩身轴压承载力。