桩端后注浆灌注桩（精选8篇）
桩端后注浆灌注桩 篇1
0 引言
钻孔灌注桩是地基工程中普遍使用的桩型,具有施工简单、对地层适应性强和造价经济等特点,被广泛应用于我国各地的高层建筑、道路桥梁等工程中。在上海等软土地区,由于预制桩存在挤土效应而受环境制约,所以常采用钻孔灌注桩作为工程桩。当地质情况较差或对于桩基承载力有较高要求时通常采用桩端后注浆技术来改善钻孔灌注桩受力性能,桩端后注浆即在灌注桩施工后一定时间内,通过预先埋设在灌注桩钢筋笼两侧的注浆导管将浆液压入桩端附近土体的施工方法。采用桩端后注浆技术,可以达到提高桩基竖向承载力、减少桩数、减少群桩沉降、降低施工难度、节约工期和造价等目的,从而取得较好的经济效益。张忠苗等[1]通过试验研究表明后注浆灌注桩的承载力比注浆前的承载力提高20%～30%,对砾石持力层,可提高40%以上。国内外很多学者都对桩端后注浆灌注桩的受力特性、注浆量、荷载传递机理及沉降等问题进行了大量研究,并取得了不少成果[2,3,4,5]。
上海某拟建工程桩基础原设计采用常规钻孔灌注桩,由于工程量较大,造价较高,经设计单位与建设单位沟通,拟改为采用桩端后注浆灌注桩,并通过试桩静载荷试验确定单桩竖向极限承载力,以便为桩基设计提供有效依据。试验结果表明,桩端后注浆灌注桩相比常规钻孔灌注桩,竖向极限承载力有较大幅度的提高,可有效节约工程成本和造价。
1 工程背景
1.1 工程概况
拟建工程位于上海市闵行区,项目建成后拟开发为五星级大酒店,工程占地面积约1.6万m2,结构形式为框架—剪力墙结构,主楼为地上10层～12层,下设2层地下室,基础埋深约11.0 m,基础形式为桩筏基础,桩基拟采用钻孔灌注桩。
1.2 拟建场地工程地质条件与桩基初步设计
根据本工程岩土工程勘察报告,该拟建场地位于长江三角洲入海口东南前缘,其地貌属于上海地区四大地貌单元中的滨海平原类型。拟建场地70.00 m深度范围内的地基土均属第四纪沉积物,主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成。场地地层分层及钻孔灌注桩单桩竖向承载力的桩基计算参数fs(桩侧极限摩阻力标准值)与fp(桩端极限端阻力标准值)如表1所示。
根据本工程岩土工程勘察报告,本工程原桩基设计方案如下:桩基础为抗压桩,拟采用800钻孔灌注桩,桩长33.0 m,总桩数648根,以(7)22层粉砂作为桩基持力层,进入深度约4.0 m,桩基承载力特征值2 700 kN,即单桩竖向极限承载力约5 400 kN。
由于本工程桩基工程总工程量较大,工期较长,造价也较高,建设单位在咨询了相关单位后,为节约工期和造价,决定将常规钻孔灌注桩改为桩端后注浆灌注桩,并进行现场试桩,以静载荷试验结果为桩基设计提供有效依据。
2 桩端后注浆灌注桩现场试验
2.1 试桩概况
现场布置3根试桩,试桩为800钻孔灌注桩仍以(7)22层粉砂作为桩基持力层,进入持力层深度不变,桩顶位于自然地面以便进行桩基静载荷试验,采用桩端后注浆,注浆量不小于2 000 kg P.O42.5普通硅酸盐水泥浆液,水灰比控制在0.55～0.60,当注浆量达到额定的设计值,或达到额定设计值的80%(1.60 t),且注浆压力稳定在2 MPa时,可以终止注浆。
2.2 试桩条件和试桩方法
静载荷试验采用锚桩法,试验反力由4根锚桩与钢梁联合提供反力。加载由4只3 200 k N级千斤顶实施,荷载等级值由一套桩基静载荷分析系统显示。试桩沉降量用4只对称布置的位移传感器测读。
试桩前,加载级差为拟定最大加载量8 000 k N的1/10。第一级取2倍加载级差,逐级加载。卸载级差以加载级差的2倍逐级卸载,试验采用慢速荷载维持法,测读时间如下:
1)每级加载后,第1 h内第5 min,15 min,30 min,45 min,60 min各测读一次,以后每隔半小时读一次,当沉降速率达到相对稳定标准时,进行下一级加载。2)卸载时,每级荷载维持1 h,第5 min,15 min,30 min,60 min共测读四次,卸载至零时,测读残余沉降量为3 h。3)沉降相对稳定标准:每1 h沉降量不超过0.1 mm,且连续出现两次。
3 静载荷试验结果分析
3.1 试桩成果统计
3组试桩即试桩S1,S2和S3试验结束后,试验结果见表2,3组试桩的Q—s曲线可见图1～图3。
3.2 试桩成果分析
试桩S1加载至10 000 kN时,所得Q—s曲线出现明显拐点,同时其s—lgt曲线出现明显向下曲折,维持15 min后累计沉降量达到103.82 mm,说明在本级荷载作用下试桩达到极限受力状态,其单桩竖向抗压极限承载力取上级荷载为9 600 kN。
试桩S2加载至8 800 kN时,所得Q—s曲线出现明显拐点,同时其s—lgt曲线出现明显向下曲折,维持45 min后累计沉降量达到101.79 mm,说明在本级荷载作用下试桩达到极限受力状态,其单桩竖向抗压极限承载力取上级荷载为8 400 kN。
试桩S3加载至10 400 kN时,所得Q—s曲线出现明显拐点,同时其s—lgt曲线出现明显向下曲折,维持15 min后累计沉降量达到105.21 mm,说明在本级荷载作用下试桩达到极限受力状态,其单桩竖向抗压极限承载力取上级荷载为10 000 kN。
根据以上试桩结果,按上海市工程建设规范DGJ 08-11-2010地基基础设计规范第16.3.14条计算,该项目桩端后注浆灌注桩单桩极限承载力试验统计值可取9 333.3 kN。
3.3 桩端后注浆增强机理分析
由上述静载荷试验结果可知,采用桩端后注浆以后,灌注桩的单桩竖向极限承载力提高很大,相对于勘察报告提供的常规灌注桩的单桩竖向极限承载力值约5 400 kN提高到约9 300 kN,单桩极限承载力提高约70%。由此可见,桩端后注浆能有效提高灌注桩的单桩竖向承载力,分析其增强机理[5],主要有以下几个方面:
1)在桩端持力层中注浆时,浆液注入沉渣和土体中形成复合体,有效地传递和分担荷载,从而提高桩端阻力;
2)注浆时,通过浆液的劈裂、填充剂固结作用,大幅度地提高了持力层的强度和变形模量,并形成扩大头,增大桩端受力面积,提高桩端阻力;
3)注入桩端的浆液,在压力作用下,在桩端以上一定高度范围内会沿着桩土间泥皮上渗,加固泥皮,并渗入桩周土层一定范围,调动起更大范围内的桩周土体参与桩的承载,提高桩侧摩阻力;
4)桩端压力注浆使桩上抬而产生反向摩阻力,相当于“预应力”的作用,提高了桩侧摩阻力。
3.4 桩端后注浆经济效益分析
在本项目中,设计单位根据上述试验结果重新进行桩基设计,最终确定总桩数为420根,相比原桩基设计方案总桩数648根减少228根,减少比例约35%,考虑到桩端后注浆会增加一部分费用,但由于桩数大大减少,工期也会缩短,后期桩基检测数量也相应减少,最终整个桩基部分共可节省费用约350万元,桩端后注浆工艺取得了良好的经济效益。
4 结语
从本工程静载荷试验结果看,桩端后注浆技术可以大幅提高灌注桩的竖向极限承载力,本工程灌注桩以(7)22层粉砂作为桩基持力层,在此地质条件下采用桩端后注浆技术后,单桩极限承载力提高约70%。从项目实施过程可以看出,采用桩端后注浆技术,可以达到提高桩基竖向承载力、减少桩数、降低施工难度、节约工期和节约工程造价等目的,从而取得较好的经济效益。
参考文献
[1]张忠苗,辛公锋.不同持力层钻孔桩桩底后注浆应用效果分析[J].建筑结构学报,2003,23(6):85-90,94.
[2]黄生根,龚维明.超长大直径桩压浆后的承载性能研究[J].岩土工程学报,2006,28(1):113-117.
[3]肖华溪.深厚软土桩基后注浆技术试验与研究[D].长沙:中南大学土木建筑学院,2009:10-15.
[4]黄敏,张克绪,张尔齐.桩底灌浆在桩端周围土体中引起的应力分析[J].哈尔滨工业大学学报,2002,34(3):433-435,439.
[5]沈保汉.桩端压力注浆效果分析[J].岩土工程界,2001,4(8):60-64.
桩端后注浆灌注桩 篇2
关键词：高层建筑； 钻孔灌注桩； 桩端后注浆； 施工
后注浆技术是灌浆技术与桩基施工的有机结合，设备简单，操作便捷，工艺日臻成熟，成效显著，采用后注浆技术大大提高了单桩承载力量，能有效减小建筑物的沉降，在高层建筑钻孔灌注桩中得到广泛的运用，是一项值得推广的工程技术。目前高层建筑很多都采用钻孔灌注桩、水下混凝土浇注方案，但钻孔灌注桩最大的质量风险就是桩底沉渣较难清理且不易控制，而且护壁泥皮过厚影响侧摩阻的发挥，导致基桩承载力下降，采用桩端后注浆施工技术可较好解决以上问题。
一、桩端后压浆加固机理
桩端后注浆技术是在钻孔灌注桩成桩后桩身混凝土达到预定强度时，采用高压注浆泵通过预埋注浆管注入水泥浆液或水泥与其它材料的混合浆液，渗透到疏松的桩端沉碴中结合成强度较高的混凝土，增加该部的密实程度提高桩端承载力，水泥浆液在压力作用下，从桩端向四周中扩散，在砂土间隙中固结形成一个新的扩大头，增大了桩端的受力面积，同时，渗透时受到周围致密土层的限制，使压力不断升高，浆液沿着桩身和土层的结合层上返消除了泥皮，提高了桩侧摩阻力，从而大幅度提高了单桩承载力。
二、钻孔灌注桩后压浆施工技术
（一）施工工艺流程
灌注桩成孔钢筋笼制作——压浆管制作——灌注桩清孔——压浆管绑扎——下钢筋笼——灌注桩混凝土——后压浆施工。
（二）施工技术要点
a、成孔
根据地层土质、地下水位及工程所处的周边环境，本工程采用旋挖法泥浆护壁钻孔灌注桩。
b、压浆管的制作
在制作钢筋的同时制作压浆管。压浆管一般采用直径为30～45mm、壁厚大于2.5mm的钢管制作，接头采用丝扣连接，两端采用丝堵封严。压浆管长度比钢筋笼长度多出55cm，在桩底部长出钢筋笼5cm，上部高出桩顶混凝土面50cm但不得露出地面以便于保护。压浆管最下部20cm制作成压浆喷头（俗称花管），在该部分采用钻头均匀钻出4排（每排4个）、间距3cm、直径3mm的压冰镇孔作为压浆喷头；用图钉将压浆孔堵严，外面套上同直径的自行车内胎并在峡谷端用胶带封严，这样压浆喷头就形成了一个简单的单向装置：当注冰镇时压浆管中压力将车胎进裂、图钉弹出，水泥浆通过注浆孔和图钉的孔隙压入卵砾石碎石层中，而混凝土灌注时该装置又保证混凝土浆不会压浆管堵塞。
c、压浆管的布置
将2根压浆管对称绑在钢筋笼外侧。成孔后清孔、下钢筋笼，在钢筋吊装安放过程中要注意对压浆管的保护，钢筋笼不得扭曲，以免造成压浆管在丝扣连接处松动。喷头部分应加混凝土垫块保护，不得摩擦孔壁以免车胎破裂造成压浆孔堵塞，并按照规范要求灌注混凝土。
d、注浆管预埋、隐蔽
在下钢筋笼时，将注浆管沿钢筋笼内侧与主筋绑牢，在距孔底时要轻放，防止压迫注浆短管造成堵管；管端及时用堵头密封，防止泥浆及杂物进入管内。
e、冲孔
做同条件混凝土试模，可用15L塑料桶埋入注浆短管，同标号混凝土水下养护，试验时注射清水，当压力达到1MPa时能将试件混凝土冲裂，即可对桩端正式冲孔注浆。桩身混凝土清水冲孔压力不能超过4MPa，防止损坏桩体混凝土造成桩身缺陷。冲孔后可以立即注浆，也可在桩身混凝土强度达75%前任何时间内注浆。
f、浆液配制和压浆量控制
压浆配制采用强度等级为52.5MPa的普通硅酸盐水泥，浆液的水灰比应根据土的饱和度、渗透性确定，本工程掺入水泥用量0.5%的减水剂，水灰比为0.6，水泥浆液应经过筛网过滤，防止有未搅开的水泥颗粒堵塞压浆管，后注浆作业开始前应进行注浆试验，优化并最终确定注浆参数。成桩后3d～7d通过压浆管向桩端注入设计要求的水泥浆液，压浆时先慢速压浆逐步达到设计要求，并尽可能保持压力稳定。后压浆质量控制采用注浆量和注浆压力双控制方法，以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅，当注浆总量和注浆压力均达到设计要求即可终止注浆。
g、压浆施工顺序
压浆时采用2根桩循环压浆，即先压第一根桩的A管，压浆量约占总量的70%（111～114t水泥），压完后再压另l根桩的A管。然后，依次为第1根桩的B管和第2根桩的B管，这样就能保证同一根桩2根管压浆时间间隔在半个小时到一个小时之间，给水泥浆一个在卵砾石层中扩散的时间。压浆时应做好施工记录，内容包括施工时间、压浆开始及结束时间、压浆数量以及出现的异常情况和处理措施等。
三、压浆施工中出现的问题和相应的处理措施
（一）后压浆钢管的连接
a、存在的问题
有些单位为节约成本常采用焊接方法连接压浆钢管，但由于压浆钢管壁比较薄，很容易被电焊焊穿，钢管虽然连接上了，但却存在孔洞，浇注混凝土时压浆管将会被水泥砂浆堵塞。结果由于无法压浆导致承载力达不到设计要求，最终引起质量事故。
b、处理措施
①采用丝扣连接方式连接压浆钢管。②每节压浆管安设入孔后均应同步进行注水检验，发现管内水位下降应及时查明原因。
（二）压水
a、存在的问题
灌注桩后压浆工艺施工时有些施工单位只注重压浆施工本身，却往往忽视压水以疏通压浆的通道，误以为压浆管安装没有问题就能正常压浆了。
b、处理措施
①压浆成功与否的关键程序之一是压水，一般正常情况下应在桩身混凝土浇注完24h内进行压水，以疏通压浆通道。②在桩端或桩侧压浆部位如出现扩孔、塌孔或充盈系数较大时，特别注意应提前压水，压水应在混凝土浇注完5h左右进行，以确保能冲开较厚的混凝土覆盖层。
（三）喷头打不开
存在的普遍问题：压力达到10MPa以上仍然打不开压浆喷头。处理措施：出现上面情况时，就说明喷头部位已经损坏，不要强行增加压力，只可在另一根管中补足压浆数量。
（四）终止压浆的控制
a、存在的问题
①某些施工单位常以压力大大超过设计压力为由，在压浆量与设计要求相关较大时即终止壓浆。②压浆量虽然超过了设计要求，压却很小即终止压浆。③压浆量还未达到设计要求时，水泥浆从附近冒出地面就终止压浆。
b、原因分析
①压浆量与设计要求相差较大进压力却较高，往往是因为不当引起的，即压浆开始或刚压入部分水泥浆时就挂高档压浆，压力立即升高，形成无法压浆的假相。②如一开始压浆压力就较小，并且浆液从附近冒出，说明水泥浆很可能不足从指定的桩端或桩侧压浆部位压出的，而是从上部压浆管接头处压出的。③水泥浆液是向最为薄弱、阻力最小的地方进行渗透的，如果压浆初始状态就采用高档压浆，水泥浆液即会顺着桩身上窜冒出地面。
c、处理措施
终止压浆总的控制原则是以压浆量为主，压为控制为辅。若水泥浆液是在其他桩或者地面上冒出，说明桩底已经饱和，可以停止压浆；若从本桩侧壁冒浆，压浆量也满足或接近了设计要求，可以停止压浆：若从本桩侧壁冒浆且压浆量较少，可将该压浆管用清水或用压力水冲洗干净，等到第2d原来压入的水泥浆液终凝固化、堵塞冒浆的毛细孔道时再重装压浆。
参考文献：
[1]刘金砺.桩基设计施工与检测[M].北京：中国建材工业出版社.2003.
桩端后注浆灌注桩 篇3
1 后注浆灌注桩承载力计算常用方法
JGJ 94-2008建筑桩基技术规范5.3.10条“后注浆灌注桩的单桩极限承载力, 应通过静载试验确定。”在符合本规范第6.7节后注浆技术实施规定的条件下, 其后注浆单桩极限承载力标准值可按下式估算:Qu=u∑qsjk lj+u∑βsi qsik lgi+βp qpk Ap。其中, u为桩身周长;lj为后注浆非竖向增强段第j层土厚度;lgi为后注浆竖向增强段内第i层土厚度:对于泥浆护壁成孔灌注桩, 当为单一桩端后注浆时, 竖向增强段为桩端以上12 m, 当为桩端、桩侧复式注浆时, 竖向增强段为桩端以上12 m及各桩侧注浆断面以上12 m, 重叠部分应扣除, 对于干作业灌注桩, 竖向增强段为桩端以上、桩侧注浆断面上下各6 m;qsik, qsjk, qpk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j土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值;βsi, βp分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数。同时, 规范也给出了各类土层中βsi, βp的建议值, 且总体来说粘性土中提高系数较低, 砂性土中提高系数较高。
张忠苗[2]提出了三种计算后注浆灌注桩承载力的方法, 并建议采用三种方法计算的最小值作为设计承载力。
方法一按侧阻、端阻分项增强系数计算:Quk=u∑βsi qsik li+βpqpkAp。该方法βsi, βp的建议值在粘性土中较规范取值小, 但在粉性土、砂性土中较规范相差较大, 且将灌注桩通长考虑为后注浆增强段。方法二按总极限承载力增强系数计算:Quk=βu (u∑qsikli+qpk Ap) 。其中, βu为后注浆承载力增强系数, 根据土层的由软至硬, 取值为1.1~1.35。该方法不区分桩侧、桩端后注浆增强系数, 而采用统一的后注浆增强系数, 且将灌注桩通长考虑为后注浆增强段。方法三采用预制桩的侧阻力和端阻力参数计算:Quk=u∑qsik预li+qpk预Ap。从公式的形式上比较方法一和方法三, 可得, 区别是βsi, βp的经验值通过为数不多的后注浆工程实例归纳出, 尚待更多工程实例的验证与修正。而采用预制桩和灌注桩的工程实例较后注浆实例要多得多, 其侧阻力和端阻力之间的相对关系具有相对更高的可靠性。
2 桩端后注浆浆液扩散机理
2.1 桩端浆液扩散的机理
根据注浆球形扩散理论, 桩端浆液的体积为理想球体的体积, 球体的半径为浆液的渗透范围。考虑到护壁泥浆 (掺入膨润土, 对粘度和比重均有要求) 及注浆浆液 (一般水灰比为0.55) 经过持力层 (一般为砂性土) “过滤”后, 大大降低了桩端附近土体的渗透性, 形成了具有封闭水泥浆液作用的“填充区域”, 如图1所示。“填充区域”及灌注桩桩侧泥皮在桩端附近围合成一个相对密闭的“封闭空腔”, 阻碍了浆液的进一步扩散。灌注桩施工时一般孔底均留有沉渣, 成孔也会扰动桩端一定深度以下的持力层土体, 形成一个较为软弱的区域。因此在“封闭空腔”内注浆, 水泥浆液首先将桩端附近一定范围内的沉渣和扰动土置换出。桩侧泥皮对“封闭空腔”的密闭作用是有限的, 存在一个阀值。根据工程经验, 一般较低的注浆压力 (如1 MPa~2 MPa) 就可冲破阻碍。桩端“封闭空腔”一旦泄压并形成浆液沿桩侧流动通路后, 桩端浆液的体积将基本稳定, 浆液将“推挤”着泥皮沿着桩侧往上移动。
2.2 桩侧浆液扩散的机理
同理, 桩侧土层的孔隙经过护壁泥浆及注浆浆液的填充, 渗透性大大降低, 浆液渗透损失量较少, 并可承受一定的注浆压力 (径向压力) 。根据上海中心后注浆灌注桩基坑开挖至坑底的情况, 如图2所示, 虽然桩侧为 (7) 层细砂, 渗透性较高, 但仅在桩侧形成了厚度约1 cm的水泥浆皮、厚度约为5 cm~8 cm泥浆、砂以及少量水泥的混合物形成的“填充区域”。周边砂土中未见明显的水泥浆脉、大块水泥结石等水泥浆扩散、渗透的迹象。
桩侧土层在径向压力作用下, 将产生一定量的径向压缩量, 该部分压缩量也将由水泥浆液填充, 如图3所示。浆液对侧壁土体的径向压缩量, 取决于该处土体的强度、位置 (泥浆水头高度) 以及该处以上泥皮的封闭效果。总体来说, 对于均匀地层, 越接近地表, 由于泥皮的封闭效果越差, 浆液位置水头越高, 作用在桩侧土体上的浆液压力越小, 对桩侧的径向挤土位移越小, 所形成的“水泥皮”越薄。
3 桩端后注浆灌注桩承载力计算方法
3.1 假定条件
本文提出的桩端后注浆灌注桩承载力计算方法基于以下假定条件:1) 桩侧后注浆量所形成的“水泥皮”厚度为水泥浆排开桩周土体的间隙, 主要包括水泥浆置换桩侧泥皮的间隙以及注浆压力引起桩侧土体径向位移而排开的土体位移。2) 注浆浆液与周围土体的作用形式以“挤密”为主[2], 不考虑渗透、劈裂等形成的水泥浆脉。3) 基于柱 (孔) 扩张理论计算浆液“挤密”桩侧土体的位移。4) 水泥浆液从桩端扩散至桩侧后, 对桩侧泥皮及土体进行挤压置换。桩侧某点水泥浆液的最大压力为该点桩侧土体的承载力极限值、该点以上泥皮阻力 (极限承载力) 两者之间的小值。5) “水泥皮”与桩体之间可传递足够的剪应力。桩—水泥皮—土体三者之间的破坏发生在水泥皮—土体之间。因此, 可将桩—水泥皮视作一整体分析, 视为“等代桩”。6) “等代桩”与土体之间的侧阻力与端阻力采用预制桩的设计参数。该条假定同张忠苗[2]方法三的处理方式。预制桩一般为挤土桩或者半挤土桩, 在沉桩过程中, 桩周土体及桩端土体受到剧烈挤压, 土体由于挤密作用而强度得以提高 (饱和高灵敏度土需控制桩间距和打桩速率方可达到类似效果) 。该过程所产生的挤密效果与桩侧土体受到注浆压力挤密的效果类似, 因此将预制桩设计参数作为桩端后注浆桩的设计参数是合理的。
3.2 注浆引起的桩侧土体的压缩量
某层土中桩侧土体的压缩量可由柱扩张理论计算得到[2]:。其中, p为水泥浆液压力;p0为土体初始压力;E, υ分别为土体的变形模量与泊松比;p-p0为土体的原位强度 (极限承载力) , 可由原位测试手段获得。桩侧土体的承载力极限值可以依据TB 10018-2003铁路工程地质原位测试规程确定[3], 计算表达式如下:一般性粘土 (Q4) :pu=0.94ps0.8+8 (700<ps<3 000) 。砂土:pu=3.74ps0.58+47 (1 500<ps<24 000) 。其中, ps为桩身所穿越土层的比贯入阻力平均值, MPa。计算点处泥皮阻力 (极限承载力) 由泥皮的自重 (包括灌注桩空钻段的护壁泥浆传递的静水压力) 和泥皮与桩及桩间土的摩阻力组成。但获取泥皮与桩及桩间土的摩阻力计算参数较为困难。根据张忠苗[2]对泥皮的室内物理力学性质的研究, 泥皮的重度、强度指标、压缩模量等参数较桩间土略小 (约为90%~95%) , 含水量较桩间土略高 (约为105%~110%) 。保守起见, 可将泥皮的各项力学指标按照桩间土的75%考虑, 即可粗略认为泥皮的强度约为桩间土的75%, 即桩侧某点可达到的最大水泥浆压力为0.75pu。土体变形模量根据《工程地质手册》[4]与静力触探比贯入阻力存在以下关系:对于软土及饱和粘性土:E0=6.03ps1.45+0.8。对于粉、砂性土:E0=3.57ps0.684。
3.3 承载力计算公式
综上, 桩端后注浆灌注桩的承载力可将后注浆灌注桩简化为“等代桩”后计算, 即:Quk=π (D+2δi+2ai) ∑qsik预li+qpk预Ap。其中, δi为注浆压力引起的桩周土体的径向位移;ai为泥皮厚度, 一般可取0.5 cm~1.0 cm, 与灌注桩成桩工艺有关;qsik预, qpk预分别为地层预制桩的侧阻和端阻强度标准值;Ap为等代桩的桩端面积, 采用持力层的δi计算。
4 工程实例
4.1 案例一:上海中心超高层项目
上海中心项目主楼采用钻孔灌注桩后注浆工艺。工程桩桩径1.0 m, 有效桩长63.0 m, 后注浆水泥用量约7.0 t (试桩SYZC01) 。试桩采用双套管技术, 即基底以上部分桩体的摩阻力被隔离, 不计入试桩承载力。采用“等代桩”法计算的总桩侧阻力为23 124 k N, 端阻力为7 923 k N, 承载力极限值为31 048 k N。试桩结果表明承载力极限值大于31 000 k N, 试桩曲线如图4所示。地层主要力学指标及侧阻力如表1所示。
4.2 案例二:昆明万达广场 (主楼) 项目
昆明万达广场项目主楼采用钻孔灌注桩后注浆工艺。工程桩桩径1.0 m, 有效桩长50.7 m, 采用双套管技术, 后注浆水泥用量约6.0 t。采用“等代桩”法计算的总桩侧阻力为17 209 k N, 端阻力为7 982 k N, 承载力极限值为25 192 k N。试桩结果表明承载力极限值为25 200 k N, 试桩曲线如图5所示。地层主要力学指标及侧阻力如表2所示。
4.3 案例三:吴江滨湖新城核心区B1地块项目
吴江滨湖新城核心区B1地块项目主楼采用钻孔灌注桩后注浆工艺。工程桩桩径为1.0 m, 有效桩长为69.0 m, 后注浆水泥用量约5.0 t (根据注浆量计算公式约6.0 t, 未达到最大注浆量) 。采用“等代桩”法计算的总桩侧阻力为21 921 k N, 端阻力为7 923 k N, 承载力极限值为29 844 k N。试桩结果表明承载力极限值为28 000 k N, 扣除基底以上部分桩侧摩阻力后, 实际承载力仅为23 000 k N左右。该值略小于计算值根据注浆量等比例折减后的值29 844×5/6=24 870 k N。试桩曲线如图6所示。地层主要力学指标及侧阻力如表3所示。
5 结语
本文通过对桩端后注浆浆液扩散机理的研究, 对目前基于工程经验的后注浆量灌注桩承载力计算方法提出了改进, 提出了后注浆“等代桩”法计算承载力。“等代桩”的直径为原灌注桩直径加上泥皮及桩侧水泥浆形成的“水泥皮”厚度。“水泥皮”厚度根据柱孔扩张理论计算的桩侧水泥浆在注浆压力作用下对桩侧土体的径向挤压位移。土体的侧阻强度及端阻强度通过注浆压力的挤压之后可提升至预制桩 (挤土桩) 的强度。通过对三个灌注桩后注浆工程案例的计算分析, 采用“等代桩”法计算的后注浆灌注桩承载力极限值 (破坏值) 与试桩的结果非常吻合。
此外, 本方法计算的承载力基于低压、慢速的桩端后注浆注浆工艺, 即假定桩端、桩侧均达到了最大有效的注浆量 (参见笔者本次会议的另一论文) 。因此, 如注浆量不满足要求, 承载力计算值应适当折减。
摘要：通过对桩端后注浆浆液扩散机理的研究, 对目前基于工程经验的后注浆量灌注桩承载力计算方法提出了改进措施, 并提出采用“等代桩”法计算后注浆承载力, 经过对三个灌注桩后注浆工程案例的计算分析, 得出采用“等代桩”法计算的后注浆灌注桩承载力极限值与试桩的结果非常吻合。
桩端后注浆灌注桩 篇4
关键词：桩基工程,桩端后注浆技术,灌注桩
0 引言
桩端后注浆技术在桩基工程中的应用, 能够提高桩基的承载能力、稳定桩基的质量、降低桩基的沉降、节约工程成本、缩短工程周期。其在桩基工程中的应用具有相当大的现实意义。
1 桩端后注浆技术原理
桩端后注浆技术的原理是利用钢筋笼底部和侧面预先埋设的注浆管, 在成桩后进行高压注浆, 浆液通过渗入、劈裂、填充、挤密等作用与桩体周围土体结合, 固化桩底沉渣和桩侧泥皮, 起到提高承载力, 减少沉降等效果。按照桩端后注浆技术的加固机理, 在桩基工程处理中, 桩端后注浆技术的加固分为以下几种类型。
其一, 劈裂加筋作用。其主要指的是在压力的作用下, 浆液能够克服地层的抗拉强度和初始应力, 造成土体和岩石结构的扰动和破坏, 使地层形成新的孔隙或裂缝, 或者使地层中原有的孔隙或裂缝张开, 这种沿垂直于小主应用的平面劈裂, 致使浆液在土中形成网状结石, 起到相应的加固作用。
其二, 填充挤密作用。其主要指的是利用钻孔将极浓的浆液灌注到桩基中, 在注浆管附近性成“浆泡”, 起到挤密土体的作用, 当浆泡的直径较小时, 灌浆压力通常都是沿着钻孔向往外扩散, 不会出现外渗的状况, 但是随着浆泡直径的增大, 产生的上台力也随之增大, 起到加固桩基的作用, 该类注浆方式主要应用在中砂地基中, 或者粘土地基中有良好的排水条件时, 也可以采用这种方法。
其三, 渗透固结作用。其主要指的是浆液在较小的压力作用下渗入桩测土或桩底, 形成一个强度高、结构性强的结石体, 能够有效的增大桩侧的摩擦力或者桩端的承载面积, 进而提高桩的承载能力, 这种固结作用主要用于碎石、可灌性好的砂土、渗透性强的砂土中。
2 桩端后注浆施工技术
2.1 施工工艺流程
注浆管制作→注浆管阀安装→桩身混凝土浇筑→注浆设备安装→配制水泥浆液→注浆→设备拆除。
(1) 制作注浆管。注浆管与钢筋笼同时制作, 用直径为25mm的黑铁管制作注浆管, 两端封堵, 接口用丝扣连接, 注浆管的桩底部长处钢筋笼4.5cm, 注浆管长度比钢筋笼长56cm, 上部高出桩顶混凝土面45cm, 但是不能够超过地面。将注浆管最下面15cm制作成注浆喷头, 并在该部分采用钻头钻出5排, 直径为2.5mm、间距2.5cm的注浆孔, 并且用图钉将其封严, 再再外部用自行车内胎将注浆喷头的两端缝严, 这样就形成一个单向的装置, 当注浆时, 水泥注浆通过图钉的空隙或者注浆孔进入到碎石层, 并且这种简单的装置还能保证在灌注混凝土时不会出现堵塞注浆管的现象。
(2) 桩端注浆阀的安装。桩端注浆阀的安装应该与钢筋笼同时制作, 将桩端注浆阀和相应的注浆导管相连, 桩底注浆底阀应该长出钢筋笼180mm, 在超出的部分用钻孔机钻花孔, 然后用生胶带将孔隙封严。此外, 为了防止桩身被混凝土浆液堵塞, 桩底浆管应该用超声波检测, 当检测合格后才能投入应用。
(3) 布置注浆管。当注浆管制作完成后, 沿钢筋笼圆周对称设置2~3根, 在钢筋笼吊装和安放的过程中, 钢筋笼不能扭曲, 以便于保证注浆管的安全。此外, 为了防止摩擦孔壁造成破损堵塞注浆孔, 应该在喷头部位增加混凝土保护垫块, 然后根据相关的施工规范进行混凝土灌注。
(4) 选择注浆桩位。根据相关调查显示, 该工程填充物为硬塑状粉质粘土, 碎石层的含量为45%~60%, 水泥浆的压力作用下, 对注浆管的影响相对较大, 为了防止注浆的过程中, 水泥浆从邻近的薄弱点溢出, 注浆应该在桩位成桩4~5d后进行, 并且保证该桩7.5m范围内没有其他钻孔作业, 并且该桩周围7.5m范围内的桩应该成桩4d以上。
(5) 制作水泥浆。该工程的注浆采用P.0.42.5水泥制作, 第一盘加大水泥用量, 第二盘水灰比为0.8, 当水灰比降低至0.6时注浆结束, 并且为了防止没有搅拌开的水泥颗粒堵塞注浆管, 应该在水泥浆制作的过程中, 应该保证水泥颗粒的大小, 并在制作完成后的水泥浆液用筛网进行过滤。
(6) 注浆控制标准、注浆压力、注浆量。由于不同地区的地质条件存在一定的差异, 再加上注浆量没有明确的公式, 致使注浆量是由专家对现场施工状况进行分析后决定。注浆时采用控制注浆压力和控制注浆量的双重控制形式, 优先控制注浆压力, 然后再控制单桩注入水泥量, 当注入水泥量达到设计要求时即可停止注浆。
(7) 注浆施工。桩基工程中的桩端后注浆施工应该先施工周圈桩位, 再施工中间桩位, 并且在承台群桩中一次性压桩, 采用两根桩循环注浆的方式:即压桩时先压一根桩的A管, 当注浆量占总量的65%时, 完成一次注浆后再进行另一根桩的A管, 然后再进行第一根桩的B管, 接下来是第二根桩的B管, 这种循环注浆的方式, 同一根管的注浆时间间隔通常在25~35min, 能够保证水泥浆充分的扩散, 当注浆完成后应该做好施工记录。
3 桩端后注浆技术的优点
桩端后注浆技术处理的灌注桩与普通灌注桩相比, 具有如下几方面的优点。
(1) 在设计阶段考虑注浆对承载力提高有一定的帮助。与普通灌注桩相比, 降低了桩的数量, 或者减少桩径和桩长;能够缩短施工周期, 减少工作量, 降低施工成本;技术经济效益显著, 特别对于大直径, 超长桩效果更为明显。
(2) 改变了虚土沉渣的物理化学力学性能提高桩端阻力。能够显著地提高桩端持力层的性质;能够提高灌注桩的抗震能力和抗拔承载力。
(3) 在高压注浆条件下, 浆液会增加桩土与桩基之间的粘结强度。有效地提高桩与侧壁土层的摩擦力, 再通过浆液的劈裂作用渗入地层, 具有一定的加筋作用。
(4) 后注浆预埋的注浆管, 可以利用作声波透射法检测桩身完整性。注浆后可代替等强度截面钢筋, 一管三用, 也可提高经济效益, 或提高建筑物的安全系数。
(5) 对融岩地区注浆具有填充融洞的作用。
(6) 对于持力层在卵石层厚度较厚地区, 使不稳定地层形成整体。
4 工程实例
4.1 工程概况
某工程位于福州市远洋路南侧, 福光南路西侧, 场地南侧邻光明港。建筑占地面积7008m2, 总建筑面积约81822m2 (包括地下室面积35491m2) 。拟建物为1幢25层酒店主楼, 高度99.95m, 框架-核心筒结构。
4.2 地层结构
各岩土体自上而下分别为:杂填土 (1) 、淤泥 (2) 、中砂 (3) 、淤泥 (4) 、中砂 (5) 、卵石 (6) 、强风化花岗岩 (7) 、中风化花岗岩 (8) 。其中卵石层 (6) 层顶埋深46.30~51.40m, 最大揭穿厚度为16.20m。
4.3 桩型选择
该工程设计采用冲孔灌注桩。桩长54m, 桩径为1200mm, 桩身混凝土强度等级为水下C35, 极限承载能力为16200k N, 总共设计了钢筋混凝土冲孔灌浆柱96根。依据勘察资料, 若选用强风化基岩为桩端持力层, 需穿透12~16m的卵石层, 才能嵌入, 钻进困难, 且涉及到渗漏、承压含水层、塌孔及泥浆对地下水环境的影响等问题, 施工难度大。卵石 (6) 呈密实状为主, 岩土工程性能好, 力学强度较高, 承载力高, 该层场地内分布较稳定, 分布厚度较大 (12~16m) , 下伏花岗岩风化层, 无软弱下卧层, 可选用基础持力层。因此, 设计为钻孔灌注桩持力层为第 (6) 层卵石层, 桩端进入卵石层≥5m, 该桩型可通过预埋管进行后, 注浆减少桩端沉渣厚度并提高单桩承载力。
4桩底注浆要求
(1) 采用后注浆技术对基桩持力层进行注浆加固。本工程灌注桩采用桩端后注浆工法;工程桩施工时应预埋后注浆导管, 沿钢筋笼圆周对称设置3根。注浆管采用D25焊接圆钢管布置。
(2) 单桩注浆量≥2.6t (以水泥质量计) , 注浆压力值为3.5~10MPa;浆液配水灰比0.45~0.65, 后注浆作业开始前宜进行注浆实验, 优化并最终确定注浆参数。
(3) 注浆作业于成桩2d后开始;不宜迟于成桩30d后;注浆作业与成孔作业点的距离不宜小于8m;对同一根桩的各注浆导管依次实施等量注浆, 对于桩群注浆应先外围, 后内部。
(4) 注浆总量和注浆压力均达到设计要求, 或注浆总量达到设计值的75%且注浆压力超过设计值, 可终止注浆。当注浆压力长时间低于正常值或地面出现冒浆或周围桩孔串浆, 应改为间歇注浆, 间歇时间宜为30~60min, 或调低浆液水灰比;
(5) 后注浆施工过程中, 应经常对后注浆的各项工艺参数进行检查。发现异常应及时与设计院联系, 根据现场情况进行处理;
(6) 后注浆桩基施工完成后, 应根据工程质量检查和验收的相关要求进行验收。在桩身混凝土强度达到设计要求的条件下, 单桩竖向承载力检验应于注浆完成20d后开始, 浆液中掺入早强剂可于注浆完成15d后开始。
5 质量检测
本工程经静载检测, 承载力试验加载达到设计要求的16200k N时, 沉降量均小于50mm, 符合设计要求。
6 结语
桩端后注浆技术是一项技术含量高的施工技术, 其能够有效的提高单桩的承载极限, 减少桩基的沉降量。因此, 在桩基工程中应用桩端后注浆技术时, 需要工艺合理、施工精心、严格管理、措施得当, 这样才能真正提高工程桩基的质量, 达到工程预期的效果。
参考文献
[1]于志华, 刘炎炎, 宋建, 等.钻孔灌注桩桩端后注浆技术及工程应用[J].水利与建筑工程学报, 2011 (3) :40-42.
[2]肖化楚.桩端后注浆施工技术在高层建筑桩基工程中的分析应用[J].四川建材, 2010 (4) :186-187.
[3]王瑞亮, 向继兴.桩端后注浆施工技术在桥梁桩基工程中的应用[J].四川建材, 2012 (6) :185-186.
桩端后注浆灌注桩 篇5
1 注浆对承载性能影响的机理分析
压力注浆时,由于浆液的充填压密作用,孔隙水被排挤消散,土体孔隙减小,密实度增大,内摩擦角加大。水泥浆以较强的粘结性与土颗粒结合,使土体固化粘聚力成倍增长,并随胶结物质的结晶和硬化而增强。水泥浆液与土体的结合也导致土体中孔隙水减少、孔隙压力减小,从而有效应力增大。注浆后土体有效应力、内摩擦角、粘聚力提高,土体的抗剪强度随之增大。
2 有限元软件
Plaxis V8是一个二维通用岩土分析有限元软件,可模拟板、锚杆及土工织物等弹塑性单元体以及不同形状的隧道,对于非线性有限元及土与结构物的接触面研究均有较好的效果。Plaxis V8可分析两类问题,平面应变问题和轴对称问题,并建立相应的计算模型。平面应变模型适用于截面大致均匀的几何形状,其中垂直于截面一定长度上的应力状态和加载机制相同。轴对称模型适用于径向截面大致均匀的圆形结构,加载机制围绕中心轴,沿任意径向的变形和应力状态一致。轴对称问题的X坐标表示半径,Y坐标对应于对称轴线。选择平面应变或轴对称,即二维有限元模型的每个节点,只具备两个平移自由度(即X和Y方向)。对于单桩承载特性分析作为轴对称问题处理。
3 有限元模型的构建
以某工程试桩资料为依据,对未注浆、桩端后注浆灌注桩两种情况进行了有限元模拟分析。研究对象为静载荷试验,其中:未注浆桩4-67号,桩长67.1 m,桩径850 mm;桩端后注浆桩A-41号、5-55号,桩长67.1 m,桩径850 mm。
3.1 有限元模型
桩端后注浆的浆液注入到桩端土层的同时,部分浆液沿软弱桩土界面上扩至桩底以上10～20 m,甚至更大范围。为验证理论研究成果,对桩端后注浆灌注桩的桩侧加固体高度分别取10,20和30 m进行研究,得到桩侧注浆体影响区的强弱关系。
有限元模拟采用二维轴对称模型分析,15节点三角形单元,中等网格密度,并对桩周附近土体进行了网格加密,以更好的满足模型计算精度问题,单元网格如图1所示。
计算范围,水平方向从对称轴外延伸0.5倍桩长距离,纵向自桩顶向下取1.5倍桩长深度。边界条件,纵向边界只有横向约束,可进行竖向滑移,底部边界固定,位移为零。桩土界面采用界面单元模拟,注浆前界面折减系数按表1取值,注浆后桩土界面条件改善,界面折减系数取1.0。
3.2 材料参数
桩身和注浆加固区的材料参数如表2所示。
4 有限元计算结果分析
4.1 计算结果与试验结果比较
灌注桩的荷载沉降曲线数值计算结果与试验结果比较如图2,3所示。未注浆灌注桩4-67,计算最终加载至9240 kN,桩顶沉降值达到60 mm,计算结果与试验结果前半段吻合较好,计算结果后半段沉降速率较快,有陡降型荷载沉降曲线的趋势;桩端后注浆灌注桩5-55、A-41,计算最终加载至15840 kN,桩顶沉降值为57.5 mm,计算结果的荷载沉降曲线不同加载阶段与试验结果较吻合,说明本文采用摩尔-库伦本构模型的数值分析是合理的。
4.2 桩端阻力的发挥特性
根据本场地土层参数,在后注浆计算模型的基础上,通过改变桩长,将持力层分别放在⑤-3、⑤-4、⑦-2、⑨-1层,桩端进入持力层按2.5 m,即3倍桩径考虑。桩端进行后注浆以后,数值模拟桩端摩阻力的增强系数。不同土层下的桩端摩阻力增强系数如表3所示。
从表3中数据可看出,持力层在⑤-3、⑤-4、⑦-2、⑨-1层中的桩端摩阻力的增强系数在1.23～1.92,与桩端摩阻力的增强系数1.2～2.0的提法基本吻合,从数值计算角度验证了这一提法。从表3中可看到,⑤-3、⑤-4层粉质粘土的增强系数普遍比⑦-2、⑨-1层粉砂的增强系数高,但端阻力提高的绝对差值是粉砂层略高。粉质粘土在注浆后端阻力的提高程度与本土层原有的端阻力数值比较,提高幅度较大,粉砂层原有端阻力数值相对较大,后注浆提高后,比值反而相对较小。
在后注浆模型的基础上,加载到不同加载量时,端阻力的发挥程度如图4所示。随荷载增加,端阻力逐步得到发挥,在最大加载16000 kN时,平均桩端阻力达到2100 kN,占总荷载的13%左右,且桩端阻力随加载量增加有进一步发展扩大的趋势,说明桩端注浆改善了桩端土体支承条件。
4.3 桩侧摩阻力的发挥特性
桩端注浆浆液在压力的作用下,从桩端沿桩侧向上,有效减少桩侧对侧摩阻力的影响,改善桩周土体的物理力学性能,提高桩侧摩阻力。为验证桩端注浆对桩侧摩阻力的影响情况,通过数值模拟,采取以下几种模型进行计算比较。在原有桩端后注浆灌注桩模型的基础上,通过设置桩侧加固体改善桩侧摩阻力,桩侧加固体高度分别取10,20和30m进行研究,得到桩侧注浆体影响区的强弱关系。取每层侧摩阻力沿深度的加权平均值得到表4中的摩阻力数值,并与实测摩阻力值及勘查报告中的数值进行对比。
从图5中计算值与勘查值比较可看出,桩端以上0～10 m的范围内桩侧摩阻力的增强系数为1.40～1.53;桩端以上10～20 m的范围内桩侧摩阻力的增强系数为1.25～1.33;桩端以上20 m以上范围的桩侧摩阻力和勘查报告中提供的数值比值基本在1.0左右。可看出,桩端注浆对桩侧摩阻力提高有一定范围和规律。
4.4 影响承载力性能因素的数值分析
注浆对灌注桩承载力的提高幅度受注浆量、注浆压力、注浆土层、桩长桩径等多种因素影响,从注浆加固体大小、注浆加固体强度进行参数分析。
参数分析中采用简化模型:计算范围土层均质单一,考虑与不考虑桩端注浆对桩侧土体的影响(表5)。
分析模型如图6所示,桩长20 m,桩径600mm,土体计算域深度为60 m,宽度为10 m。桩端注浆对桩体承载力的影响主要从注浆量和注浆体性质两方面分析。本文中以弹性模量的大小表示注浆体材料的性质,分别取1000,5000,10000,15000和20000 MPa五种情况分别计算。对注浆量的考虑,通过假定注浆区域为球体,改变注浆区域的半径表示注浆量的大小,浆体半径分别取0.8,1.2,1.8和2.4 m分别进行计算。
(a)与勘查值比较;(b)与实测值比较
当注浆区域半径达到2.4 m后,桩基承载力为最大,相对于0.8 m半径的注浆量,承载力有大幅度增长,达到2倍以上。曲线到后期趋于平缓,说明注浆量不可能对承载力有无限的提高作用,其有效的作用半径有一定范围,随着注浆量增加,浆球半径变大,其与土体的接触面积也增大,所以在达到规定沉降值时桩顶能承受的荷载有较大增长。从图7可看出,随着注浆浆球半径增大,浆体强度对桩基承载力的影响不是很明显。
图8为不同注浆强度对钻孔灌注桩承载力的影响。当浆体的弹性模量增加到一定程度后,如10000MPa后,其对承载力的影响不明显,但当浆体模量较小,从1000～10000MPa后承载力呈非线性增长。从图8可看出,桩端注浆体的强度对桩基承载力的提高存在临界值,当强度增长到一定程度后对桩体的影响减弱。
5 结束语
本文采用实用有限元软件Plaxis对桩端后注浆灌注桩的承载性能进行数值模拟计算分析,并通过计算结果与试验结果的比较得到以下结论。
(1)从数值计算角度验证了持力层在⑤-3、⑤-4、⑦-2、⑨-1层中的桩端摩阻力的增强系数在1.23～1.92。加载到不同加载量时,随荷载增加,端阻力逐步得到发挥,且桩端阻力随加载量增加有进一步发展扩大的趋势,说明桩端注浆改善了桩端土体支承条件。
(2)桩侧摩阻力提高系数桩端以上0～10 m的范围内桩侧摩阻力的增强系数为1.4～1.53;桩端以上10～20m的范围内桩侧摩阻力的增强系数为1.25～1.33;桩端以上20m以上范围的桩侧摩阻力和勘查报告中提供的数值比值基本在1.0左右。可看出,桩端注浆对桩侧摩阻力的提高是有一定范围和规律的。
(3)影响承载力性能的因素从注浆量的大小以及注浆体的强度两方面。对桩基承载力有显著影响的是注浆量的大小,随着注浆体半径的增加线性增加。而浆体的性质,即注浆体的强度在达到一定程度的时候对承载力的影响趋于平缓。
参考文献
[1]《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.
[2]郑爱荣.后注浆灌注桩竖向承载性能的数值分析[D].天津:天津大学,2007.
桩端后注浆灌注桩 篇6
关键词：桩端后压浆,超长大直径钻孔灌注桩,承载力
对于桩端后压浆的应用已经有了大量的理论或实践方面的研究, 并有很多的成果。同时, 根据积累的有关实测结果, 超长钻孔灌注桩桩基的承载性能明显不同于普通的中长桩、短桩, 其承载性能除与土层条件有关外, 还受长径比、桩土刚度比、直径及施工因素等的影响。急需提出适用于超长大直径钻孔灌注桩后压浆承载力计算公式。
1 影响超长大直径灌注桩桩端后压浆承载力的主要因素
1) 桩端持力层土性。2) 桩长。3) 桩径。4) 注浆量。5) 注浆压力。
2 桩端后压浆承载力计算建议
2.1 已有注浆量公式分析与评价
文献中论述的注浆量计算公式, 针对一般桩径的钻孔灌注桩而言比较实用。但是在目前的桩基基础设计时, 钻孔灌注桩往往是主要桩型, 并常常采用超长大直径钻孔灌注桩, 所以其经验系数取值有很大的出入。文献[3]注浆量计算公式, 此公式根据钻孔中扩散半径和加固段高, 综合考虑了注浆的空隙率和根据计算其体积确定需要的混凝土立方量。该公式考虑了空隙率和浆液充填系数, 具有客观的物理意义。但是, 由于钻孔和注浆都是隐蔽工程, 空隙率和浆液的充填系数都很难确定, 这是理论计算公式, 没有考虑施工中一些参数的影响作用, 这个公式不具备现实意义。
2.2 本文推荐的公式
根据上述注浆量公式对比评价, 本文提出新的注浆量计算公式, 取其优点, 尽量避免其缺点, 采用形如Gc=αpd注浆量计算公式, 但对系数选择不同的经验值, 以对超长大直径钻孔灌注桩有很好地适用性。
3 桩端后压浆承载力计算建议
3.1 承载力计算公式分析与评价
目前, 承载力计算公式有两类:一类是在传统的钻孔灌注桩承载力计算公式基础上乘以调整系数, 系数有的是量化的, 有的是根据工程实例总结出的经验系数。另一类是认为压浆后在桩端形成扩大头模型, 按扩底桩或变径桩计算承载力。但是这些公式有的适合普通中短桩注浆后承载力的计算, 对于超长大直径钻孔灌注桩, 这些增长系数的取值需要另加考虑;有的计算出的单桩极限承载力有很大的随机性。
3.2 本文采用公式归纳方法
3.2.1 数据收集原则
1) 注浆量数据按土层进行归类收集, 通过公式Gc=αpd求系数αp, 同时增加桩长、注浆压力等参考因素。2) 桩端阻力增长系数。按土层性质进行归类收集, 通过压浆前后桩端阻力比值, 求得增长系数。对部分试桩没有进行压浆前测试, 则压浆前端阻力采用规范计算求得。3) 在桩端后压浆时, 由于返浆现象, 同样会使得桩侧摩阻力提高, 就存在桩侧阻力增长系数βs1。规范中规定, 当在饱和土层中注浆时, 对于桩底注浆, 应对桩底断面10 m～20 m范围的桩侧阻力进行增强修正。4) 试桩过程中, 限于施工条件等其他方面的原因, 在压浆后, 钢筋计没有分层埋设, 而是多层设置。所以, 所测和转换的侧摩阻力标准值为此土层平均值。5) 注浆前后都有测试数据, 但钢筋计都没有分层埋设, 所测数据均为多层侧摩阻力平均值。6) 对于注浆前后桩端阻力和桩侧阻力没有独立测试, 而是以总承载力形式出现。
3.2.2 数据舍弃原则
1) 对于桩注浆后的承载力小于注浆前的工程数据, 理论上是不成立的。但在工程测量时, 由于测量、读数或是其他方面的原因, 可能会使得这类数据存在, 所以对这类数据采取舍弃的原则。2) 对于偏离桩底较远距离的侧阻, 可能是返浆效果不明显或是根本就很小, 处于这个土层的返浆效果很不明显, 对这类数据作舍弃处理。3) 桩的承载力由于桩土间的相互变位才发挥出来, 而某些试桩由于桩土间发生的相对位移很小, 使得注浆后桩承载力没有完全发挥出来, 于是桩承载力的增长系数会因此而比实际有所减少, 有的甚至小于1。
3.3 本文归纳的公式
本文根据一些实际工程在试桩中实测的工程数据, 以桩径、桩长和同样归纳出来的注浆量为变量, 按土层分类, 对压浆前后极限承载力一系列数据进行对比分析、归纳总结, 以得出侧阻力增长系数和端阻力增长系数。同时考虑压浆量对承载力的影响, 除此考虑到了对建科院公式中指出的注浆量合理影响, 得出极限承载力的公式表达式为:
Quk=U∑qskiLi+qpkAp+[U∑ (βski-1) qsikLi+ (βpk-1) qpkAp]λg (1)
对于该公式, 充分地考虑了注浆量的影响。当注浆量趋于0时, 即为未注浆时承载力计算公式。当实际注浆量大于合理注浆量时, 不考虑其多余部分的影响, 即当λg>1时, 取λg=1。该公式的增长系数, 仅考虑桩端10 m～20 m范围内的土层, 其上部分皆不考虑注浆的影响, 即取这部分增长系数为1。
对于该类数据的处理分析, 以及最终的增长系数的取值计算, 均同注浆量经验系数αp的计算。所得桩端桩侧各土层增长系数如表1和表2所示。
1) 端阻增长系数计算。端阻增长系数计算见表1。
2) 侧阻增长系数计算。
同理, 对于压浆前后桩侧阻力两组数据进行对比处理, 得到如表2所示的不同土层桩侧阻力增长系数。
3) 公式。本文推荐形如公式:Quk=U∑qskiLi+qpkAp+[U∑ (βski-1) qsikLi+ (βpk-1) qpkAp]λg。
各增长系数归纳见表3, 表4。
3.4 本文归纳的公式评价
1) 优点。
a.由于参数是工程实测所得, 没有对实际问题进行理想化, 具有很大的实际应用价值。b.本文所统计数据均为桩径大于0.8 m且桩长大于40 m的大直径钻孔灌注桩, 更好地解决了后压浆在推广中所遇到的约束。c.压浆量对承载力的计算有很大的影响。目前承载力计算公式没有考虑其他影响, 或是考虑欠周全。本文采用的公式 (1) 更全面地考虑了这个问题。d.由于数据的收集, 对于土层的归类, 以安全准则为依据进行归类, 如将“粗砂和砾砂夹层”均归为“粗砂”类, 以及对桩端20 m以上部分土层也进行了数据收集归纳等, 这就使得这些参数有充分的安全储备。
2) 缺点。
a.对桩端后压浆而言, 在计算承载力时, 对桩侧仅考虑10 m～20 m的影响范围。而在统计时, 对于部分返浆效果比较好的, 也作了统计, 与理论有所偏差, 但可以作为安全储备来考虑。b.基于方程组近似解的解法, 采用了最小二乘法进行求解。由于数据较多, 其值存在误差, 但都在允许范围之内。c.压浆量对承载力的影响本公式是通过λg来体现的, 当压浆量超过合理压浆量时, 取λg=1, 认为超过合理压浆量的部分对承载力没有贡献, 而实际上压浆效果随着注浆量的增大而效果更显著, 只是随着注浆量的逐渐增加, 效果增加的幅度会减小。所以这和实际情况不相符合, 但可以以此提高安全系数。d.所得各土层增长系数或是注浆量经验系数, 与实际理论的增长系数存在一定的偏差, 也与各文献所提出的各土层所对应的增长趋势有所偏颇。在实际计算时, 可以从各土层对应的取值范围中选取数值来体现从黏土到卵石的增长趋势。当然也需要更多工程数据的收集和统计, 经过后期的修正才能用于工程实践中。
4 与普通钻孔灌注桩承载力计算对比
由上节统计的系数和建科院提供的公式对比发现, 超长大直径钻孔灌注桩的经验系数和端阻增长系数大于普通中短桩, 侧阻增长系数相差不多。故超长大直径桩在采用桩端后压浆时, 需要注入相对应的注浆量, 以提高超长大直径钻孔灌注桩的压浆效果, 具体压浆量的计算可以参考表5时选取。选取适当的注浆量, 超长大直径钻孔灌注桩压浆后承载力提高幅度增大, 压浆效果较好。
对本文的公式, 用工程实例加以验证:采用上海某试桩工程各根试桩进行验证。
1) 分别把本文公式和建科院公式与实测值对比, 可明显得出, 除了N3试桩比建科院公式误差稍大以外, 其他都稍小, 所以更具有一定实用意义;2) 对试桩S2和S3, 该两根试桩几何尺寸和地质资料都相同, 只是具有不同的注浆量, 本文建议公式可以体现出注浆量不同对承载力的影响, 比建科院公式更准确。本文计算公式有较高的可靠度, 在初步设计阶段可用作承载力的预估, 具体设计时应进行静载试验校核。
5 结语
由于目前规范中后压浆承载力计算公式是基于普通中短桩基础上建立的, 对于超长大直径钻孔灌注桩承载力计算具有适应性。本文在总结大量的工程数据基础上, 提出承载力经验公式。按照各土层不同分类, 初步提出端阻增长系数和侧阻增长系数。
参考文献
[1]杨兴其.桩基静压试验研究[M].北京:中国铁道出版社, 2002:26-30.
[2]刘金砺, 高文生, 祝经成.后压浆灌注桩承载力性状及工程应用[R].杭州:中国工程建设地下结构新进展及新规范学术报告会, 1998:62-79.
[3]李昌驭, 龚维明, 黄生根.桩端后压浆技术在苏通大桥等超长大直径桩中的应用[J].地基基础工程, 2004, 8 (2) :56-58.
[4]戴国亮, 龚维明, 童小东.桩端后压浆桩压浆效果检测技术[J].施工技术, 2005, 34 (1) :74-77.
[5]刘观发.桩底后压浆技术在工程中的应用[J].水运工程田, 2004, 362 (3) :37-39.
[6]龚维明, 戴国亮, 薛国亚.东海大桥超长钻孔灌注桩自平衡试验研究[J].地基基础工程, 2003, 7 (2) :40-43.
[7]张忠苗, 辛公锋.不同持力层钻孔桩桩底后注浆应用效果分析[J].建筑结构学报, 2002, 23 (6) :85-90.
[8]刘金砾, 祝经成.泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用[J].建筑科学, 1996 (2) :13-18.
[9]陈晓彤, 熊亮.桩端后注浆技术在卵砾石地层中的应用[J].浙江建筑, 2005, 22 (4) :28-30.
桩端后注浆灌注桩 篇7
湖南郴州某商住综合工程, 地下2层, 地上18层, 其中裙楼3层, 总建筑面积约32500m2。基坑开挖深度6~9.2m。本工程桩基采用钻孔灌注桩φ750mm, 长28~32m的承压桩。
本工程场地地貌单元为江南丘陵地貌, 地形较平坦, 场地原大部分为荒地。根据土质的成因、结构和物理学性质共划分为9层, 本工程桩端持力层选择 (5) 2层粘土层、 (7) 层强风化泥岩。
但成桩后经检测发现, 其中φ750mm单桩竖向承载力低于设计值4700kN, 且有部分沉降和变形, 究其原因分析:
⑴钻孔灌注桩由于施工时使用泥浆作冲洗介质, 同时在灌注混凝土与二次清孔之间客观存在一定的时间间隔, 故或多或少存在孔底沉渣, 影响了灌注桩的端承载力, 以泥浆护壁的桩身泥皮影响桩侧摩阻力进一步发挥;
⑵在首灌混凝土时, 由于导管长而细, 落差大, 首灌混凝土因离析在桩底处产生“虚尖”, 使桩端混凝土强度低, 也影响了单桩承载力, 造成单桩承载力达不到设计要求, 使建筑桩基的沉降量偏大。为了解决泥浆护壁钻孔灌注桩固有的工艺缺陷, 消除上述桩端缺陷, 提高钻孔桩单桩承载力, 经反复研究且通过试验桩论证后, 决定采用桩端后注浆技术对单桩承载力达不到设计要求的φ750mm桩进行加固处理, 取得了良好的施工效果。
2 桩端后压浆加固机理分析
桩端后注浆技术是在钻孔灌注桩成桩、桩身混凝土达到预定强度后, 采用高压注浆泵通过预埋注浆管注入水泥浆液或水泥与其它材料的混合浆液, 浆液渗透到疏松的桩端虚尖中, 结合形成强度较高的混凝土;随着注浆量的增加, 水泥浆液不断向由于受泥浆浸泡而松软的桩端持力层中渗透, 在桩端形成“梨形体”, 增加了桩端的承压面积, 相当于对钻孔桩进行扩底。当“梨形体”不断增大时, 渗透能力受到周围致密土层的限制, 使压力不断升高, 对桩端土层进行挤压、密实、充填、固集, 将使桩底沉渣、桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密, 使桩土间界面的几何和力学条件得以改善, 提高了桩端土体的承载力, 从而大幅度提高了单桩承载力 (详见图1) 。
3 桩端后压浆施工技术
施工流程:制作钢筋笼加工注浆导管→吊放钢筋笼、安装固定注浆管→浇注桩体混凝土→清水疏通注浆管→停止注浆、转入下一根→注浆量和注浆压力达到设计要求→开启注浆管注浆→配制水泥浆。
3.1 注浆参数的确定
3.1.1 水灰比
水灰比一般不宜过大或过小, 过大会造成注浆困难, 过小会使水泥浆在压力作用下形成离析。根据设计要求注浆用水泥材料选用32.5级普通硅酸盐水泥, 同时要求水泥新鲜、不结块。本工程采用纯水泥浆, 水灰比控制在0.55~0.60, 搅拌时间不少于2min。搅拌好的水泥浆液用孔径不大于3mm×3mm的滤网进行过滤。
3.1.2 注浆量
注浆量是指单桩注浆的水泥用量, 它与土层的孔隙率以及桩间距有关, 取决于土层的孔隙率。桩底后注浆注浆量 (水泥用量) 的大小是由桩端、桩侧土类别与状态、桩径、桩长、承载力要求增幅等因素决定的, 但注浆量的大小还没有成熟的公式可预先计算, 而是根据上述诸因素估计、经试验确定 (见表1) 。经与设计沟通和现场试验确定本工程每根桩水泥用量为1000~1600kg。
3.1.3 注浆压力
一般来说什么时候结束一根灌注桩的注浆, 应该根据事先设定的注浆量来控制, 但同时也要控制注浆的压力值。在达不到预先设定的注浆量, 但达到一定的压力时就要停止注浆, 注浆的压力过大, 一方面造成水泥浆的离析, 堵塞管道, 另一方面, 压力过大可能扰动土层, 也有可能使得桩体上浮。本工程注浆压力控制在1.5MPa, 一般情况下取1~1.2MPa, 流速控制在30~40L/min以内, 每根桩必须一次注浆完成。特别是两根注浆管注浆时间间隔不得超过12h。
3.2 后注浆施工要点
3.2.1 注浆管的制作
在制作钢筋笼的同时制作注浆管。注浆管采用φ33.5mm壁厚3.25mm钢管制作, 接头采用丝扣连接, 连接处螺纹必须用密胶和外止水带裹, 并分别检查其通水性。注浆管在最下部20cm制作成注浆喷头 (俗称花管) , 在该部分采用钻头均匀钻出4排 (每排4个) 、间距3cm、φ8mm的注浆孔作为注浆喷头;用图钉将压浆孔堵严, 这样压浆喷头就形成了一个简易的单向装置:当注浆时压浆管中压力将车胎迸裂、图钉弹出, 水泥浆通过注浆孔和图钉的孔隙压入土层中, 而混凝土灌注时该装置又保证混凝土浆不会将压浆管堵塞。
3.2.2 注浆管的设置安装
⑴注浆管预埋时, 应按照桩设计要求规定的长度进行注浆管断料 (注浆管长度=孔深+200mm进入土体深度+露出地坪长度) 。注浆管出浆孔孔径大于7mm, 且要求出浆孔总面积不大于注浆管内孔的截面积, 注浆管底部必须有可靠且有效的密封性及单向阀性能。
⑵在施放钢筋笼时, 利用2根φ33.5mm钢管用12#铁丝对称绑扎在钢筋笼主筋上, 注浆管与主筋必须牢固可靠, 并分别检查其通水性。管与管之间采用套丝连接并涂密封胶, 外面螺纹处用止水胶带包裹, 并牢固拧紧密封。注浆管每连接好一段, 必须用10#~12#铁丝, 每间隔2~3m与钢筋笼主筋牢固的绑扎在一起, 严防注浆管折断 (严禁电焊固定注浆管时造成渗水渗浆) 。
⑶针对抗压桩钢筋笼不施改到孔底, 可利用2根与注浆管绑扎的原钢筋笼主筋延伸至孔底, 并每隔2m设置一个φ12mm钢筋固定筋, 以确保注浆管的稳定性及垂直度, 最下面一节注浆管底部比钢筋笼主筋长50mm。
⑷下钢筋笼必须缓慢下放, 严禁强力冲击。在每节钢筋笼下放结束时, 必须在注浆管内注入清水检查管路的密封性能。当注浆管内注满清水后, 以保持水面稳定不下降为达到要求。如发现漏水应提起钢筋笼检查, 在排除障碍物后才能下笼。
⑸在桩身混凝土浇灌后12~24h内, 必须用清水劈裂疏通注浆管, 水量不宜大, 贯通后即刻停止灌水。
⑹对露在孔口出地面的注浆管, 要加强工序间协调保护, 防止施工机械和人为损坏。
3.2.3 注浆桩位的选择
水泥浆在工作压力作用下影响面积较大。为防止注浆时水泥浆液从临近薄弱地点冒出, 注浆的桩应在混凝土灌注完成3~7d后, 并且该桩周围10m范围内没有钻机钻孔作业, 该范围内的桩混凝土灌注完成也应在3d以上。
3.2.4 注浆施工顺序
根据钻孔桩施工顺序跟踪施工, 按照分期分批的原则, 对桩身混凝土浇灌后7~10d的桩的桩号及完工日期进行统计列表, 并报现场监理工程师批准后才能进行注浆施工。注浆时最好采用群桩一次性注浆, 注浆先施工周圈桩位再施工中间桩。注浆时应做好施工记录, 记录的内容应包括施工时间、注浆开始及结束时间、注浆数量以及出现的异常情况和处理的措施等。
3.2.5 注浆设备选择
根据要求, 结合本工程实际情况, 注浆泵选用泵压不低于7MPa的SGB6-10型高压注浆泵。地面输浆软管采用耐压值不低于10MPa的双层丝纺织胶管。
3.2.6 注浆控制
注浆时确保慢速、低压、低流量, 以使水泥浆自然渗入土层, 注浆终止采用双控标准, 即当注浆量达到设计要求或者注浆量达到设计浆量的80%且泵压值达到2MPa时即停止注浆。
4 注浆施工中可能出现的问题和应对措施
4.1 注浆管堵塞
在桩底注浆时, 如若发生压力达到10MPa以上仍然打不开注浆喷头等造成一根注浆管发生堵塞, 可将全部的水泥浆量通过另一根畅通导管一次压入桩端, 补足注浆数量。对桩端全部不通的桩, 必须采取补注浆措施。
对注浆开始时即发生桩顶大量返浆的桩, 应认真检查并停止注浆, 分析是注浆管接头漏浆还是堵塞, 并采取相应补救措施, 确保其达到设计要求。
4.2 出现冒浆
注浆时常会发生水泥浆沿着桩侧或在其他部位冒浆的现象, 若水泥浆液是在其他桩或者地面上冒出, 说明桩底已经饱和, 可以停止注浆;若从本桩侧壁冒浆, 注浆量也满足或接近了设计要求, 可以停止注浆;若从本桩侧壁冒浆且注浆量较少, 可将该注浆管用清水或压力水冲洗干净, 等到第2天原来压入的水泥浆液终凝固化、堵塞冒浆的毛细孔道时再重新注浆。
4.3 补注浆措施
对注浆管堵塞而无法继续压入浆液的桩, 本工程在施工前制定了补注浆应急预案。补注浆工作应在注浆工作结束后统一进行, 其具体做法为:用地质勘察钻机在桩周壁0.2~0.3m处钻进直径大于90mm的孔。钻孔深度比桩端深0.4~0.5m, 在孔内下入带注浆器的注浆导管, 并随同注浆管一并下入封孔注浆塑料管, 通过封孔注浆塑料管 (封孔水泥浆液的水灰比为0.5, 并需掺早强剂) , 待封孔水泥浆液固期达到3d后, 按正常后注浆工艺进行压入浆液, 具体控制标准与正常后注浆相同。
5 桩端后注浆试桩检测与效果分析
本工程φ750mm的钻孔灌注桩共950根应用了桩端后压浆技术, φ750mm单桩竖向承载力设计值为4700kN, 经确定试桩竖向抗压极限承载力最大加荷值为8040kN。通过试桩检测提供的试验数据以及Q-S曲线、s-lgt曲线分析, 24组试桩试验结果均符合设计要求。
试桩时, 选取了10#楼试桩进行了对比静载试验, 单桩静载仪器为RS-JYB。
⑴加载分级:每级加载为预估单桩极限承载力的1/10~1/15, 每次加载350Kn, 首次加载为700kN。
⑵沉降观测:每级加载后隔5min, 10min, 15min各测读一次桩顶沉降量, 以后每隔15min测读一次桩顶沉降量, 累计1h后每30min测读一次桩顶沉降量。
⑶稳定标准:在每级荷载作用下, 桩顶的沉降量在每小时内小于0.1mm, 且连续出现两次。试验相关数据见表2和Q-S曲线对比见图2。
可以看出, 桩端注浆的Q-S曲线呈缓变形, 说明桩端注浆后桩的端承力可充分发挥, 变形特性随之改善, 桩的沉降量明显降低。试验结果表明, 桩端后注浆抗压桩比普通抗压桩单桩竖向承载力明显提高, 提高幅度约18%。
6 结语
综上所述, 通过本工程的桩端后注浆技术的应用, 积累了一定的行之有效的工程经验。实践证明, 泥浆护壁钻孔灌注桩采用桩端后注浆技术, 可以解决泥浆护壁钻孔灌注桩固有的工艺缺陷, 改善桩基质量, 减少沉降, 能大幅度提高单桩承载力, 节约基础造价, 具有较好的技术经济应用前景。
参考文献
[1]JGJ106-2003, 建筑基桩检测技术规范[S]
[2]GB50007-2002, 建筑地基基础设计规范[S]
桩端后注浆灌注桩 篇8
1 桩端后注浆的应用
1.1 上海虹桥枢纽工程
虹桥枢纽工程的桩端后注浆采用P.O42.5级新鲜普通硅酸盐水泥配制的浆液(每根桩用1.8 t水泥),水灰比为0.5～0.6,实际注浆压力为1 MPa左右。地质土层特性见表1。
对桩径为850 mm、桩长为51 m和72 m的钻孔灌注桩进行单桩静载荷试验(S22～S25注浆后的静载荷试验未加载至破坏,其余各桩试验均加载至破坏),静载荷试验结果见表2。
1.2 上海浦东某工程
上海浦东某工程桩端后注浆采用P.O42.5级新鲜普通硅酸盐水泥配制的浆液(每根桩用2.5 t水泥),水灰比0.55,实际注浆压力为1 MPa左右。土层特性见表3。
对桩径1 000 mm、桩长88 m的钻孔灌注桩(桩端持力层为(9)2-1粉砂)进行单桩静载荷试验(SYZA01、SYZC01注浆后的静载荷试验未加载至破坏,其余各桩均加载至破坏),静载荷试验结果见表4。
在静载荷试验完成后,对4根桩均进行了桩端取芯,以检查桩端后注浆对桩端土的加固效应。在钻穿桩端的一瞬间,钻杆均有不同程度的下落过程,下落深度为0.1～0.3 m;取出的芯样上部为混凝土;中部为沉渣、扰动土夹有少量粗集料,厚度为0.3 m左右;下部为原状土。未见明显的注浆浆脉或注浆形成的固结物,说明桩端后注浆并没有对桩端土有明显的加固作用。
2 桩端后注浆机理分析
2.1 泥浆护壁机理
由于泥浆具有一定的比重,故当孔内泥浆液面高出地下水位一定高度时,泥浆就会对孔壁产生一定静水压力。该压力可抵抗作用在孔壁上的侧向土压力和侧向水压力,防止孔壁坍塌和剥离,并防止地下水渗入。泥浆与地下水相互向土层渗透,于是在孔壁上形成一层透水性很低的泥皮;而泥浆的静水压力有效地作用在孔壁上,还不断从孔壁表面向土层内渗透,待渗透到一定范围,泥浆就粘附在土颗粒上。这种粘附作用减少孔壁的透水性,也可防止孔壁坍塌;随着成孔时间的增加,泥皮厚度逐渐增加。
2.2 桩端后注浆对桩端土的作用
上海地区钻孔灌注桩桩端持力层通常采用砂质粉土、粉砂、粉细砂等细颗粒的砂性土作为桩端持力层,在成孔过程及成孔后,泥浆会从孔底表面向土层内渗透。待渗透到一定范围,泥浆粘附在土颗粒的表面上,逐渐堵塞渗水通道,在桩底形成一层渗透性很低的泥皮。
根据上海地区淤泥质黏土渗透系数在5×10-7 cm/s左右的情况,取泥皮的渗透系数为5×10-7 cm/s。应用达西定律进行变换后估算在注浆过程中桩底滞留水的渗透(或挤出)量。
估算公式为
式中:Q为桩底滞留水的渗透(或挤出)量,cm3/s;K为泥皮的渗透系数,取5×10-7 cm/s;A为形状系数,取5.5倍的桩径;H为试验水头,cm。
考虑到注浆管较细(注浆时有压力损失)及上海的承压水位较高等因素,应采用注浆压力估算。在不考虑注浆压力过高可能会粘附土颗粒而改变渗透系数或对桩端土产生破坏的情况下,对桩径为850、1 000 mm,在1、2、8 MPa 3个压力等级下桩底滞留水的渗透(或挤出)量的估算,并计算出1 h滞留水量占沉渣厚度为10、30 cm时的体积比,见表5。
从表5中可知,在注浆压力为1 MPa、桩径为1 000 mm、孔底沉渣厚度为30 cm时,注浆所挤出的水量仅占沉渣体积的2.1%,即水泥浆仅占沉渣体积的2.1%。这与取芯结果相当吻合,同时也是对静载荷试验破坏模式(刺入式破坏)的一个注解。从表5中可知,在8 MPa注浆压力下,若泥皮未被破坏,那么水的渗透量是相当可观的;但在那么大的注浆压力下,粘附在桩端土颗粒的泥浆有可能被破坏,渗透系数就大幅提高,沉渣中的水、泥浆就渗入土层中,沉渣得以进一步压缩;水泥浆液在压缩沉渣的过程中,也渗入砂土中,加固桩端土、提高桩端承载力。
2个应用工程的桩端注浆前后静载荷试验Q-S曲线见图1。
从图1中可以看出,桩端后注浆后,单桩承载力均有较大幅度的提高,且承载力提高的比例与桩进入第(7)层以下的长度呈正比。从提高桩端阻力比例来说,注浆前后有较大的提高;但绝对值有限,仅相当于勘察报告中对普通钻孔灌注桩的建议值,从桩端土层十几兆帕的比贯入值来说,桩端阻力发挥得相当有限。从C1882、SYZB01桩端后注浆后的破坏形式来看,属于刺入破坏,是典型的摩擦桩破坏形式。这也说明,注浆后桩端承载力并没有提高多少。
2.3 桩端后注浆对桩侧土的作用
经过桩端后注浆处理后,桩与桩侧土体的联系由原来的桩+泥皮+桩侧土体,变成桩+固化后的水泥浆+桩侧土体,使桩侧摩阻力从原来由泥皮(最薄弱的环节)起主导作用变为由桩周土起主导作用,就会大大提高桩侧摩阻力,进而提高单桩承载力。当然,注浆后的效果与注浆量有着密切关系,由于水泥浆是由下至上注入,下部桩侧泥皮破坏最严重、孔隙的充填程度最高,加固效果最明显;上部取决于水泥浆的上升高度及对泥皮的破坏和孔隙的充填程度。图2为桩端注浆前后的桩侧最大摩阻力分布图。
从图2中的SYZC01桩侧摩阻力分布曲线来看,50 m以下浆量较多,桩侧摩阻力发挥较充分;其上面浆量略显不够,桩侧摩阻力未达到桩侧土体的应有值。因此,增加注浆量可加固上部桩侧土体,提高浅部土层的桩侧摩阻力。
注浆前,桩侧摩阻力的发挥程度随着试验桩长度的增加而减小;桩端后注浆后,桩侧摩阻力有着相当明显的提高;总体上来说,在砂层中注浆后越接近桩端,桩侧摩阻力越大。
注浆量不仅取决于桩径、桩端土的性质,也取决于桩侧泥皮厚度(成孔工艺、成孔时间)、桩的入土深度,具体注浆量宜根据现场试验(注浆至浆液冒出地面)来确定。
在上海地区,一般仅用桩端注浆就可以起到加固桩侧土体的效果;抗拔桩也可以采用桩端后注浆来加固桩侧土体,提高桩的抗拔承载力,而不必采用桩侧注浆工艺。从采用桩端、桩侧后注浆的SYZA01、SYZA02桩的单桩承载力,与仅采用桩端后注浆的SYZB01、SYZC01桩基本上没有区别。
4 结语