钻孔灌注桩后注浆技术是能够有效地提高钻孔灌注桩的承载力^[1]，减少沉降^[2-8]的一种新工艺。2008年国家建设部颁布实施《建筑桩基技术规程》(JG94—2008) 中首次系统规范了后注浆技术的计算公式，并对关键工艺进行了规定，钻孔灌注桩后注浆技术已作为设计方法得到广泛应用。随着桩基技术的不断发展，特别是近年来许多学者对后注浆钻孔灌注桩的荷载传播机理和承载性能进行了大量的研究。郭院成^[9]、刘开富^[10]、李永辉^[11]等通过对后注浆钻孔灌注桩注浆前后的静载试验对比研究，阐述了后注浆承载机理及其承载力影响因素，分析了桩端后注浆对桩身轴力传递特性、桩端承载力和桩侧摩阻力发挥性状的影响，得到了桩端注浆不仅能提高桩端承载力，还能提高一定范围土层内的桩侧摩阻力的结论，并在工程实践中得到验证，他们的研究取得了大量的成果。但桩端承载力和桩侧摩阻力不是相互独立的，对后注浆来说桩端土的强度及密实度会影响桩端和桩侧摩阻力的提高。张忠苗^[12]等通过桩端土强度不同的超长桩实测的侧摩阻力分布，研究了桩端土强度对桩侧摩阻力影响的作用机制，证明了不同桩端土强度会对桩侧摩阻力产生影响，但在后注浆钻孔灌注桩中其相互作用影响尚未关注。由于后注浆钻孔灌注桩承载机理, 特别是不同地质桩端土层对桩侧摩阻力影响的研究还不够透彻。本文依托某高架桥建设工程对3种不同地质的3根后注浆钻孔灌注桩进行试桩试验，对试验中的桩端承载力、桩侧摩阻力的测试结果进行了详细的分析对比, 发现桩的承载力加强幅度与桩端土的力学性能密切相关，并相互影响，得出了一些合理有益的结论。

某工程位于城市北洋绿心中部，桥梁为总长2.635 km的高架桥，跨径27~31 m, 标准跨径30 m，四跨一联为主，少数为三跨一联。主线高架桥标准段桥宽12.5 m，桥墩下部结构基本形式为独柱墩+大挑臂盖梁。全桥基础均采用桩端后注浆钻孔灌注桩，直径为1.2 m。桩基持力层按地质情况分类分别为碎裂状强风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩以及中风化花岗岩3种。试桩采用非工程桩试验，按不同地质各取1根，共3根。试桩1(S1) 位置选取位于PA17墩位处地质钻孔XZK38附近；试桩2(S2) 位置选取位于PB49墩位处地质钻孔XZK102附近；试桩3(S3) 位置选取位于PA80墩位处地质钻孔XZK158附近。3根试桩分别位于高架桥的起点、中点和终点位置附近，试桩平面布置图如图 1所示。桩身混凝土采用水下C30混凝土，待桩身混凝土养护28 d后达到设计强度及桩端注浆完成20 d后分别进行单桩承载力静载及内力测试等试验，测得桩端极限承载力和桩侧摩阻力，通过试验结果对比，验证施工工艺并为设计提供承载力依据。本场地S1~S3处主要土层的岩土特性见表 1。

图 1 试桩平面布置图 Fig. 1 Layout of test piles

钻孔灌注桩后注浆技术是在成桩过程中，在钢筋笼内预置注浆管路，待桩身混凝土达到一定强度后，通过注浆管路采用高压注浆泵注入工程所选用的水泥浆液，一部分水泥浆液进入桩底土层，通过注入的浆液产生的劈裂和挤密效应，与沉渣起物理化学反应来加固较疏松的桩端沉渣，并在注浆点与土体结合形成梨形的扩大桩端头球泡，使桩底土体得到密实，从而起到消除桩端沉渣，提高桩端承载力的作用；另一部分水泥浆液沿桩壁的四周向上行，并最终达到一定高度，浆液充填桩身和土体间的孔隙，通过对桩侧泥皮和土体的挤密作用，加强土体与桩身的结合力，提高桩侧摩阻力。桩侧摩阻力大幅提高的另一个重要原因是，桩身和土层之间护壁的泥浆与上行的水泥浆液在化学反应作用下硬化，形成表面粗糙硬化的水泥土混合材料，摩擦系数增大，提升了桩土作用的摩擦力。所以进行桩端后注浆可以使桩底沉渣及桩壁一定高度范围内的泥皮隐患得到改善，提高桩底土层的承载力，以及桩与桩壁土层之间的极限摩阻力，最终提高钻孔灌注桩承载力、减小基桩的沉降量。

后注浆钻孔灌注桩成孔后分为以下几个施工步骤：第1步，安装注浆管道。在桩身钢筋笼上预埋3根通长的直径为60 mm的无缝钢管作为声测和注浆使用，钢管在桩底3个方向共布置了9个注浆孔，每个方向3个，上下注浆孔之间间距约为6 cm, 注浆孔直径为10 mm。为防止泥浆侵入，在每个注浆孔外套上厚度1.5 mm，长20 cm的橡胶管，并用铁丝扎紧，桩端注浆管道比钢筋笼长出200 mm，示意图详见图 2。第2步，通孔。在桩混凝土浇注完成后24~28 h，由注浆泵用清水将桩端注浆管单向阀冲开，确保注浆管路系统畅通。第3步，洗孔。在桩身浇注后28 d，用高压水流清洗灌注桩桩底沉渣。第4步，注浆。采用3SNS型往复式三柱塞泵，浆液由水泥、水、膨润土、缓凝剂等通过级配试验确定取得。正式注浆前以实验室的配合比作为指导，在现场进行配合比的验证试验，根据实测的技术指标进行配合比调整，最终确定最优配合比作为正式注浆时浆液制备的施工配合比。在施工过程中要严格控制浆液配比，制备好的浆液应具有良好的流动性，不离析、不沉淀，浆液进入贮浆桶时必须用16目纱网进行过滤，防止杂物堵塞注浆孔及管路。第5步：终孔。总注浆量达3 t；注浆压力达到8 MPa稳压10 min；桩顶上浮15 mm。达到上述三者任一数值均可终止注浆。

图 2 注浆管示意图 Fig. 2 Schematic diagram of grouting pipe 注：图中未标注的尺寸单位均为mm

根据文献^[13]要求，按规范^[14]公式中的经验参数法及表 1提供的主要土层的岩土特性推算灌注桩注浆前后单桩承载力极限值，确定单桩静载试验最大荷载。

注浆前大直径灌注桩单桩极限承载力标准值按下式估算：

(1)

式中, q_sik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；q_pk为桩径为800 mm的极限端阻力标准值；ψ_si、ψ_p分别为大直径灌注桩桩侧阻力尺寸效应系数、桩端尺寸效应系数；u为桩身轴力；l_i为桩周第i层土的厚度；A_p为桩端面积。

注浆后大直径灌注桩单桩极限承载力标准值按式(2) 估算：

(2)

式中, q_sik，q_sjk，q_pk为分别为后注浆竖向增强段第i土层初始极限侧阻力标准值、非竖向增强段第i土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值；β_si，β_p分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数；ψ_sj，ψ_si，ψ_sp分别为大直径灌注桩后注浆侧阻力非竖向增强段尺寸效应系数、竖向增强段尺寸效应系数、端阻力尺寸效应系数；u为桩身轴力；l_j为后注浆非竖向增强段第j层土的厚度；l_gi为后注浆竖向增强段第i层土的厚度；A_p为桩端面积。

通过以上(1)、(2) 公式计算，确定3根桩的单桩极限承载力计算值，在此基础上提升约10%作为加载极限，用于试验实测单桩极限承载力。3根桩的有关参数如表 2所示。

灌注桩桩身混凝土养护28 d达设计要求强度后，进行第一次桩身静载试验及桩身内力测试试验。第一次桩身静载试验结束后利用声测管进行桩端后注浆，注浆完成20 d后用同样方法进行第二次桩身静载试验及内力测试试验。

采用慢速维持荷载法对桩进行注浆前后的单桩竖向抗压静载试验，加载方法、加载稳定判定标准和终止加载条件严格按《建筑基桩检测技术规范》^[15]执行。加载反力装置采用压重平台反力装置，由安装在桩顶的多台QF630T-20b分离式液压千斤顶并联工作实施, 逐级加荷，千斤顶所需的反力由混凝土预制块提供，加载荷载等级值由相应的荷重压力传感器经显示仪连接显示出来，桩顶沉降由沿直径方向对称安装的位移传感器测读，试桩加荷及沉降量用RS-JYB桩基静载荷测试分析系统测读。试验结果绘制成荷载-沉降(Q-S)曲线，从曲线的变化特征推断单桩极限承载力标准值。

选定静载试验桩进行内力测试，在桩基施工前，在钢筋笼不同土层截面预埋振弦式钢筋计(按钢筋直径选配相应规格的钢筋计，每个截面设置3个钢筋计，钢筋计截面设置在土层分界处)。通过钢筋计测出钢筋的应力，进一步换算得出混凝土截面的桩身轴力，然后用总极限荷载值减去桩身轴力即为此截面以上桩侧摩阻力。

假定在钢筋混凝土内钢筋与混凝土变形一致情况下，钢筋与混凝土变形按式(3) 计算：

(3)

式中, E_s, σ_s为钢筋的弹性模量和应力；E_c, σ_c为混凝土的弹性模量和应力。

桩身轴力按式(4) 计算：

(4)

式中, N_ij为桩身第i截面在第j级荷载下的轴力；σ_ij为桩身第i截面在第j级荷载下的应力；A_c为桩身截面面积。

在试验中，钢筋计都是有意识地安装在各土层的分界面上，因此根据上述的轴力计算值，各土层的平均摩阻力可按式(5) 计算^[16]：

(5)

式中，q_si和F_i为分别为桩侧平均摩阻力、第i桩节的侧表面积；N_i，N_i+1为分别为第i层土层面和层底处的轴力。

3根试验桩单桩静载荷试验的荷载-沉降(Q-S)曲线分别如图 3~图 5所示。

图 3 桩S1荷载与沉降的关系 Fig. 3 Relationships between load and settlement of pile S1

图 4 桩S2荷载与沉降的关系 Fig. 4 Relationships between load and settlement of pile S2

图 5 桩S3荷载与沉降的关系 Fig. 5 Relationship between load and settlement of pile S3

桩S1的桩端为碎裂状强风化土层，注浆前Q-S曲线未出现陡降型，但加载至14 000 kN时，最大沉降量达44.28 mm，可取S=40 mm对应的荷载值13 350 kN作为竖向抗压极限承载力。注浆后Q-S曲线仍为缓变型，但加载至20 000 kN时，最大沉降量为20.75 mm，可取最大沉降对应的荷载值20 000 kN作为竖向抗压极限承载力。

桩S2的桩端为砂土状强风化土层，注浆前Q-S曲线出现了陡降型，最大沉降量达53.64 mm，竖向抗压极限承载力取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值12 150 kN作为竖向抗压极限承载力。注浆后Q-S曲线呈缓变型，加载至15 500 kN时，最大沉降量达25.33 mm，可取最大沉降对应的荷载值15 500 kN作为竖向抗压极限承载力。

桩S3的桩端为中风化土层，注浆前后Q-S曲线均为缓变型；注浆前加载至15 000 kN时，最大沉降量达38.30 mm，可取最大沉降对应的荷载值15 000 kN作为竖向抗压极限承载力。注浆后加载至20 000 kN时，最大沉降量达19.89 mm，可取最大沉降对应的荷载值20 000 kN作为竖向抗压极限承载力。

根据试验数据和现行规范^[17]综合判定的试验结果见表 3。

从表 3中可看出桩端后注浆对不同土层单桩极限承载力均有不同程度的提高，桩的承载力由于注浆作用发生明显改善，桩顶沉降明显减少。桩端为碎裂状强风化土层，提高约50%，桩端为砂土状强风化土层，提高约28%，桩端为中风化土层，提高约33%。

根据试验测得的单桩极限承载力及桩身轴力, 计算得到桩端承载力及桩侧摩阻力的结果见表 4。

表 4中的试验数据表明不同土层桩端后注浆对桩端承载力及桩侧摩阻力的影响均不同。桩端为碎裂状强风化土层，桩端承载力提高最大，约为114%；砂土状强风化提高幅度约为90%；中风化仅提高6%。提高幅度大小与桩端土的性质密切相关，桩端后注浆提高了桩端土的强度, 并降低了其压缩性, 使桩端承载力发挥值大幅度提高。对以碎裂石为代表的粗粒土进行后注浆时，注入浆液除了对桩端沉渣进行填充加固外, 其浆液渗入率高, 浆液通过渗透，挤密，填充及固结作用, 将桩端土和桩端一起形成带扩大头的整体, 相当于增加了桩端进入持力层的深度和桩端受力面积, 从而大幅度提高桩端承载力。当桩端土体为细粒土如砂土时，浆液渗透流失, 发生渗透固结程度低，压入浆液主要是对桩端沉渣进行填充加固, 加固形式以挤密填充和劈裂加固为主^[18]。当桩端土体为中风化土层时，因桩端土的压缩性已经很低, 后注浆通过改善桩底沉渣使桩端承载力提高比较有限，基本不提高，所以对于中风化桩端土层单桩极限承载力的提高以桩侧摩阻力提高为主。

桩侧摩阻力也因不同桩端土层注浆阻力不同得到不同程度的提高。中风化桩端土层桩侧摩阻力提高的幅度最大，约39%，因桩端土层注浆前已很密实；碎裂状强风化桩端土层桩侧摩阻力提高的幅度也较大，约38%，因后注浆使这种桩端土层的密实度加强；砂土状强风化桩端土层桩侧摩阻力提高的幅度较小，仅为24%，因浆液渗透流失，后注浆对这种桩端土层密实度的提高是有限的，所以细粒土单桩极限承载力的提高较小。

根据钢筋计在最后一级荷载作用下的实测频率, 求得桩身各截面轴力值, 绘制桩身截面轴力沿深度分布图如图 6~图 8所示。

图 6 桩S1桩身截面轴力分布图 Fig. 6 Axial force distribution curves of pile body cross-section of pile S1

图 7 桩S2桩身截面轴力分布图 Fig. 7 Axial force distribution curves of pile body cross-section of pile S2

图 8 桩S3桩身截面轴力分布图 Fig. 8 Axial force distribution curves of pile body cross-section of pile S3

由图 6~图 8可知, 3根试桩的桩身截面轴力随深度增加逐渐减小, 在不同的土层有不同的递减速率。其表现为轴力曲线的斜率存在差异, 轴力曲线的斜率反映了桩侧摩阻力的大小, 斜率越小, 层面间轴力差就大, 桩侧摩阻力就越大。从3根试桩的轴力图来看, 当注浆前后3根试桩桩顶荷载达到极限时, 桩体上部轴力曲线的斜率变化不大，而在距离桩底约12 m左右范围内，注浆后轴力曲线的斜率明显变小。这表明桩端注浆后, 桩身下部土层的侧阻力比未注浆桩要高。桩端注浆对桩侧摩阻力的影响主要体现在桩身下部一定范围，而对桩身上部侧摩阻力影响微小或基本不影响。

按选定的静载试验桩进行内力测试，采用3.2.2中的公式(3)~(5) 进行计算，得到各土层的桩侧摩阻力如表 5所示。

同时从表 5的数据可以看出，在注浆前后桩身上部的侧摩阻力基本没有变化，而桩身下部的侧摩阻力变化较大，特别是越靠近桩端部分变化越大，呈现明显的加强状态，说明后注浆对桩侧摩阻力的影响主要集中在桩的下部一定高度范围内，并且沿着高度方向桩侧摩阻力加强作用逐渐递减，对超过一定高度的桩上部侧摩阻力基本没有影响。主要原因是随着浆液沿高度方向上行，注浆压力流失，对桩身与土体之间的护壁、空隙填充，挤密作用减弱，桩身和土体之间挤压力减弱，摩擦阻力就相应减小。由表 5中计算出来的桩侧摩阻力可以推算，桩侧土为碎裂状强风化花岗岩，其侧阻力的增强系数范围为279/167=1.67至310/170=1.82，侧阻力增强系数为1.67和1.82的桩端土分别是碎裂状强风化花岗岩和中风化花岗岩。桩侧土为砂土状强风化花岗岩，其侧阻力的增强系数范围为173/123=1.41至220/132=1.67，侧阻力增强系数为1.41和1.67的桩端土分别是砂土状强风化花岗岩和中风化花岗岩。

由此可见桩端土体越密实，桩侧摩阻力增强幅度越大，粗粒土桩端注浆后的密实度大于细粒土。不同土层桩端后注浆对桩侧摩阻力的影响各不相同。桩端土为中风化，从桩端注浆，由于土体高度岩化，强度、密实度高，浆液在注浆压力的作用下无法向岩层渗透，只能沿岩层和桩身之间缝隙上行，同时由于浆液无法渗行或渗透流失较小，注浆压力损失较小，桩身与土体之间填充，挤密作用加强，摩擦阻力提高。桩端土为碎裂状强风化，由于存在裂隙，浆液首先向桩身底部裂隙渗透填充裂隙流失，同时沿岩层和桩身之间缝隙上行，注浆压力部分损失，故此填充，挤密作用不如桩端中风化桩身，表现为桩侧摩阻力提高幅度不如桩端为中风化土层的桩。同样原因，桩端土为砂土状强风化由于其强度、密实度均不如其他两种地质，可渗透性相对较强，故此桩端注浆后桩侧摩阻力提高幅度不如前两种。

(1) 不同土层钻孔灌注桩桩端后注浆，可不同程度地提高单桩极限承载力和有效地减少沉降，不同地质情况单桩极限承载力提高的幅度也不同，粗粒土提高幅度大于细粒土。

(2) 不同土层桩端后注浆对桩端承载力及桩侧摩阻力影响不同，桩端承载力和桩侧摩阻力的提高幅度均与桩端土的力学性质密切相关。对桩端承载力，碎裂状强风化桩端土层加强效果最明显，其次是砂土状强风化桩端土层，中风化桩端土层加强效果最不明显；对桩侧摩阻力，中风化桩端土层加强效果最明显，其次是碎裂状强风化桩端土层，砂土状强风化桩端土层加强效果最不明显。

(3) 为充分利用注浆后单桩承载力所能提高的潜力储备，可合理调整桩端、桩侧阻力增强系数取值。对桩端为中风化土层的桩主要表现在以提高桩侧摩阻力，建议设计时桩基规范公式中的侧阻力增强系数β_si取较大值；而对碎裂状强风化裂隙发育发达、渗透能力强的土层主要以提高桩端承载力为主，建议设计时桩基规范公式中的端阻力增强系数β_p取较大值。