深厚砂层中预钻孔灌浆植入桩的安装机制及承载性能提升研究

为解决PHC管桩在深厚砂层中贯入困难、桩身损伤及承载力不足等问题，研究人员通过现场试验对比了锤击法、预钻孔植入法(PBP)和预钻孔灌浆植入法(PBGP)的施工效果。研究发现PBGP通过预钻孔减少土体位移和侧向应力，结合灌浆的渗透胶结效应显著降低打桩能耗并提升桩基承载力。基于空腔膨胀理论提出的打桩能量预测模型精度达93%以上，为桩基工程设备选型提供了理论依据。

　　

在黄河冲积平原等深厚砂层地区，预应力高强混凝土(PHC)管桩的应用长期面临三大技术瓶颈：传统锤击法产生的剧烈振动噪声污染、砂层高密实度导致的贯入阻力过大、以及桩身混凝土在反复锤击下的损伤风险。尽管预钻孔植入法(PBP)能降低施工扰动，但钻孔引起的应力释放又会削弱桩侧摩阻力。针对这些矛盾问题，郑州大学张经纬团队在《Soils and Foundations》发表研究，创新性地将灌浆工艺引入预钻孔施工体系，提出了预钻孔灌浆植入法(PBGP)。

研究团队在安罗高速原阳段开展全尺寸现场试验，采用PHC600AB110管桩，对比了传统锤击法(DDIP)、PBP和PBGP三种工法。关键技术包括：1)采用ZGJ30长螺旋钻机成孔和DD83导杆柴油锤打桩；2)通过埋设光纤光栅(FBG)传感器监测桩身内力；3)依据ASTM标准进行低应变完整性测试和静载试验；4)基于空腔膨胀理论建立打桩能量预测模型，并引入Bingham流体模型计算灌浆粘滞阻力。

3.1 贯入深度与打桩能量的关系

试验数据显示，PBGP桩(T4-T6)总锤击数(251-316次)较传统锤击法(T1,683次)降低54-63%，较PBP桩(T2-T3,467-468次)减少32-46%。特别在钻孔深度范围内，PBGP桩单位贯入深度锤击数较PBP降低40%，证明灌浆工艺能有效补偿钻孔导致的侧摩损失。

3.2 管桩贯入机制

砂层中桩体贯入引发显著的剪胀效应，使桩周径向有效应力急剧增加。传统工法在12.5m深砂层处的锤击数突增现象，在PBGP桩中因预钻孔的应力释放作用而显著缓解。钻孔使桩端接触面积减少，初始贯入阶段端阻力近乎为零。

3.3 钻孔对贯入特性的影响

当贯入深度接近钻孔深度时，孔底塌落土芯会形成临时"缓冲层"。PBGP桩在超过钻孔深度1-2m处才出现锤击数陡增，这种延迟效应为打桩设备选型提供了调整窗口。

3.4 桩基承载力提升

静载试验表明PBGP桩(T6)承载力较传统桩(T1)提升35%。FBG监测显示灌浆深度范围内轴力衰减速率加快，证实浆液渗透形成的改良区能增强桩-土界面剪切强度。灌浆段的侧摩阻力贡献率比PBP桩提高28%。

4.1 理论推导

基于Hiley公式和SMP屈服准则建立的预测模型，引入三项关键修正：1)通过空腔膨胀压力P_uz计算极限端阻；2)采用Chandler公式修正侧摩计算；3)将灌浆浆液视为Bingham流体计算粘滞阻力。对于砂层压实效应，提出相对密度修正系数△D_r=(e₀-e₁)/(e_max-e_min)。

4.2 模型验证

预测模型对PBGP桩锤击数的计算误差仅2.81-7.28%，显著优于传统ENR公式。在14.5m设计贯入深度处，计算总锤击数293次与实测值(285-316次)高度吻合。

该研究证实PBGP工法通过"预钻孔减压+灌浆增强"的协同机制，既解决了砂层贯入难题，又弥补了传统预钻孔工法的承载力缺陷。提出的能量预测模型为桩基工程绿色施工提供了量化工具，尤其适用于冲积平原等深厚砂层地区。未来研究可进一步探索超长桩应用、复杂地层适应性以及灌浆材料耐久性等方向。