灌注桩后压浆工法

1钻孔灌注桩后压浆工法报告人：胡启胜2015年4月山西裕祥基础工程有限公司2摘要：本文简述钻孔灌注桩应用后压浆工法的工艺及其机理，并根据工程检测成果，分析该工法对提高单桩竖向承载力、改善桩基承载功能的效果。关键词：灌注桩后压浆工艺；桩端设柔性注浆腔压浆技术；桩侧压浆技术。山西裕祥基础工程有限公司30.概述灌注桩后压浆技术（国外通用英语名为Externalgrouting.国外多习惯用Postgrouting）是土体加固技术与桩工技术的有机结合。分为桩身后压浆（shaftgrouting）与桩端后压浆（basegrouting.）。要点是在桩身砼达到预定强度后，用注浆泵用水泥浆或水泥与其它材料的混合浆液，通过予置于桩身中的管路压入桩周或桩端土层中，桩周（身）压浆会使桩土界面的几何和力学条件得以改善，桩端压浆将使桩底沉渣、施工桩孔时桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密，进而提高桩的承载能力。山西裕祥基础工程有限公司41.分类1.1桩端后主注浆施工工艺分类目前可归纳为两大类。一类是在桩底予置柔性注浆腔（囊），通过桩内予置的导管向腔中压入水泥浆形成扩大头，并挤压加密周围土体，简称桩端封闭式后注浆工法（图1a）。另一类是在桩底由予置管式单向阀与内导管组成后压浆装置，简称开放式后压浆工法（图1b）。山西裕祥基础工程有限公司5（a）封闭式柔性胶囊结构示意图（b）开放式注浆装置示意图图1桩端后压浆示意图山西裕祥基础工程有限公司61.2桩侧压力注浆工艺分类按桩侧注浆管设置分为沿钢筋笼纵向设置（图2a）和沿钢筋笼环向设置（图2b）两类。(a)(b)图2桩侧后压浆示意图山西裕祥基础工程有限公司72.后压浆技术发展过程史D.ABruce指出，桩端压力注浆桩自1961年在修建法国Maracaibo大桥桩基中首次应用以来，得到了广泛的应用[1]。之后，法国（专利编号2331646）、英国与德国等都开展了桩基后压浆技术的研究应用。大多用有柔性腔封闭式工法。我国孔德华1992年提出并获得实用新型专利（ZL922026246）封闭式后注浆工法，西南交通大学岩土工程所研究开发的腔式桩端压力注浆装置，与1994年鉴定完成，从理论与实践上系统地进行了研究并得到较为广泛的应用。山西裕祥基础工程有限公司8无容器的开放式桩端后压浆工法，我国是从上世纪八十年代后期（1987）由北京市建筑工程研究所首次开发的，是在长螺旋成孔基础上，在桩底设置固定式隔离钢板，用钢管与PVC管的组合管为注浆管，承载力可提高1~2倍，后在北京、沈阳、锦州地区得到推广。国外W.G.KFleming(1993)指导了用X形注浆管形式的开放式后注浆工法，示意图见图1b。对于无容器开放式桩底注浆工法，压入桩底的浆液可直接进入土体，固化沉渣。而且通过渗透注浆（粗粒土）、或劈裂注浆（细粒土）作为对桩底一定范围内的土体相应的加固，但其浆液注域可控性低，护臂泥皮厚时，易出现桩壁有夹泥带现象。山西裕祥基础工程有限公司9侧壁注浆与上述桩端后压浆工法开发时间一致，由于山西地区桩端大多落在坚实好地层上，桩侧注浆工法在山西应用中承载力增幅远低于桩端后注浆工法，因此，本文对桩侧注浆工法不多叙述。仅将欧洲灌注桩施工规程（Executionofgeotechnicalwork-BoredpilesprEN15361997年1月）附图示供参考（见图2a）。从注浆技术的要求考虑，良好的土体注浆工法需满足定向、定域与定量“三定”要求，即注浆机理明确，明确其作用是渗入充填压密胶结、还是劈裂注浆；工法的内容、步骤与参数都很清晰；浆液流动方向及注浆域可控，注入量控制在预计量±20%为好。按照上述要求，有容器封闭式注浆工法应是桩端后注浆首选工法，欧洲诸国多选此类工法。山西裕祥基础工程有限公司103.施工要点3.1注浆压力对有容器封闭式后注浆工法，它是按照渗入充填胶结与压密混合注浆理论进行的。即注入的浆液是在有压作用下的流动，它首先克服管路等的阻力而渗入腔内碎石等物质的孔隙中并形成结石。浆液注入压力宜控制在受灌碎石体结构不致破坏，只能使胶腔体被充满结石，同时桩端沉渣体中的水分被挤走为宜。此时，胶腔体的强度要能够满足不致胀破。现以河南巩县煤炭铁路专用线里沟桥桩基后压浆试桩情况为例[2]，桥试桩桩长10.15~10.25m，设计桩径0.5m，地基土为轻微湿陷性黄土，孔隙比e=0.823，液性指数IL=0.37，湿陷系数s=0.02,厚度达到15m，采用有胶腔的封闭式桩端后压浆工法，完成试桩3根，有关试桩的资料列于表1及图3（a）与（b）。山西裕祥基础工程有限公司11表1（）内数值为实际成孔值。桩号桩径（m）桩长(m)桩身砼强度极限荷载（kN）桩顶沉降（极限荷载）（mm）试桩条件A0.5(0.55)10.25C25280070.53桩端后压浆B0.5(0.59)10.22C25280074.12桩端后压浆C0.5(0.54)10.15C25180046未压浆山西裕祥基础工程有限公司12（a）试验场地布置图（单位m）（b）各试桩的P-S曲线图3山西裕祥基础工程有限公司13显示出实测得出的桩顶荷载P、沉降S与桩侧平均摩阻力Pf，桩端阻力Pe的关系曲线（见图4、图5），从图示可看出，各桩的Pf，Pe与桩顶沉降S的关系没有本质的区别。图4试桩桩顶荷载P与Pe、Pf关系曲线山西裕祥基础工程有限公司14图5试桩桩顶沉降S与Pe、Pf关系曲线山西裕祥基础工程有限公司15桩顶只需几毫米的沉降，就可使桩侧阻力得到充分发挥，并很快达到极限状态。按A、B桩桩长及桩径计算，其极限侧阻力平均值达到108.06kPa（A桩为107.4kPa，B桩为109.8kPa），较常规的C桩侧阻力值86.6kPa提高25.4%。表明只是经过桩端后压浆的A、B两桩的侧阻力Pf值也较常规桩C为大。说明桩端注浆能够使桩周土的性质、桩土界面性质有所改良。对于端阻力Pe,A、B桩端阻力Pe分别为758kN，与580.7kN，均值669kN，其极限端承力特征值达到2623kPa，C桩端阻力Pe分别为231kN，相应极限端承力特征值为1009kPa。表明经过后压浆，A、B桩极限端承力特征值较常规C桩提高1.59倍。山西裕祥基础工程有限公司16需指出的是各桩达到极限荷载时，桩顶沉降值差别很大，未压浆的C桩，最大沉降分别为48.88mm，（相应的桩顶最终加载量为2000kN）。而A、B两桩的相应沉降值分别为75.26mm和76.67mm（桩顶荷载值分别为3000kN与3200kN）。产生的主要原因是由于桩底注浆液时，胶腔发生破裂，浆液中的水渗入黄土中，造成桩端持力土体局部增湿，使土层局部软化，强度降低，并引起沉降所致。因此，压浆时，压力控制在不应使胶腔产生破裂是很重要的，对于黄土地区尤甚。胶腔材质要求标准为：抗拉断裂强度≥147MPa，断裂伸长率400%。山西裕祥基础工程有限公司17注浆终止压力：关于封闭式胶腔桩端后注浆工法的理论，采用Vesic提出的球体空腔扩张理论（膨胀理论），向桩端柔性胶腔注入水泥浆，浆液与腔内的充填骨料密实结向外扩挤，形成向腔周围土体施加的压力。在这种均布径向膨胀力的作用下，腔外一定厚度的球形区域达到塑性平衡状态。随着压力增长，塑性平衡区也不断膨胀，直到腔体压力达到抗剪强度极限条件（见图6）。图6灌注桩后压浆压力的控制分析山西裕祥基础工程有限公司18注浆极限控制压力Pu可用下式确定[3]。式中：Pu—注浆控制压力（kPa）；q—桩端土的初始（上覆土体自重）压力（kPa）；C、—桩端持力土层的抗剪强度参数值（kPa、度）。cot)up(sin3)cotq)(sin1(3usin1sin4cRRcP山西裕祥基础工程有限公司19Rp—腔体扩张引起的塑性区最大半径（m）（见图6）；Ru—腔体半径，近似值；Q—腔体注浆量（m3）。Ir—刚性指标（模量强度比）；—桩端土的泊松比；E—桩端土的弹性模量（kPa）；Δ—桩端土的塑性区平均体积应变。3r11rupIIRR）（343QRu)tanq)(1(2cEIr山西裕祥基础工程有限公司20上述诸因素中，除体积应变Δ选取应精细，对于无粘性土，主要的影响因素是桩端的埋置深度（即桩长）和桩端持力层的内摩擦角。（a）无粘性土（上覆压力q=0.4MPa）（b）粘性土山西裕祥基础工程有限公司21（c）与上覆压力的关系图7注浆极限压力山西裕祥基础工程有限公司22对于中密以上的砂、砾（卵）石土，目前常用的注浆压力为3~4MPa，对于粘性土与粉土，压力一般均小于3MPa,终止压浆压力宜控制为上述常用压力值的2倍内，过大时会使桩端土体接近于、甚至超过极限压力，对于将来承受基础荷载是不利的。应用球体扩张理论和相应解析式，可得到压力控制的一些建议标准（见图7）供参考，这些建议标准的应用效果是良好的。确定实际压力控制值时尚应综合注浆工艺及胶腔的质量（强度及延伸率）等因素。山西裕祥基础工程有限公司233.2桩顶抬升随着浆液逐步压入胶腔，会使腔体的周围呈辐射状扩压，挤压腔周地层，并通过均压桩端预置于胶囊顶部的钢板，使桩体产生微量抬升，一般控制抬升量在0.5~1.5mm,不应超过3mm。钢板应由足够刚度，我们据试验规定，其实际厚度为2.5~3.0mm。3.3水泥浆体当水灰比小于0.8特别是达到0.5~0.6时，水泥浆体是塑性体而非牛顿体，在小管径管内流动时比较困难，需要克服较大的阻力，要求加大供浆泵压。虽然压力大了易于流动。但是会使浆液在浆管出口及渗入胶腔石粒空隙通道中的流动状态和条件出现变化，如触变、絮流等，这将不利于渗入注浆与压密扩腔作业。因此，国内外许多注浆工法都建议，对水灰比小于0.8的浆液注浆时，注浆管径宜不小于30mm。山西裕祥基础工程有限公司24再者，根据我们采用水灰比为0.55~0.6水泥浆的经验，为了增加浆液的流动性，加入适量的木钙等减水剂是可行的。同时宜在浆液中加入少量的悬浮稳定剂（如5~8%的粘土），压浆流量一般用50-75L/min。关于浆液结石率，一般为85-88%，平均为86%，在腔内填充粒料设计合理，浆液中加必要的防止失水收缩的微膨胀剂时，会取得更好的注浆结石效果。3.4注浆用水泥材料建议使用P.O型普通硅酸盐水泥或高早强水泥，而不选用P.S型矿渣水泥，后者早期强度低，干缩性大，且抗碳化能力差。曾在多个工地进行两类试块的测试，平均结果如表2。山西裕祥基础工程有限公司25强度（MPa）PO型PS型备注R312龄期3dR72515龄期7dR2832.532.5龄期28d表24、承载性能机制分析图8、图9分别为各试桩的轴力分布，桩侧摩阻力分布及其发挥过程。山西裕祥基础工程有限公司26图8各试桩的轴力图图9各试桩桩侧摩阻力分布图山西裕祥基础工程有限公司27从图8a、b注浆桩与常规C桩的桩轴力图比较说明，由于桩端后注浆过程中会使桩端土压实，引起桩、土刚度的改变，进而影响到桩体轴力的变化。图9试验曲线还可看出，加荷初期（前两级荷载），桩侧摩阻力的分布是上大下小，这是由于靠桩顶部分桩身压缩量大，桩土间产生相对位移，从而桩侧摩阻力得以发挥，而下部桩土相对位移小，摩阻力较少发挥。随着荷载的增加，桩身下部的桩土间相对位移量增大，桩侧摩阻力得以较充分发挥，如C桩，当桩顶荷载P为1600kN，地面下7m深处桩侧摩阻力达到138.7kPa；而当桩顶荷载P达到极限荷载1800kN，相应于7m的桩侧摩阻力达到161.3kPa。桩端附近桩侧摩阻力更大。（9m深度也是如此，P=1600kN，f=174.2kPa；P=1800kN，f=183.21kPa）。对桩端后压浆桩的桩端附近，侧摩阻力增大为更明显（见图9之a、b）。山西裕祥基础工程有限公司28这是由于桩底下土层压实过程产生预压实、径向扩张与握裹作用的综合效果（见图10）。可用极限滑动面理论表达，由于桩埋置较深，滑动面不会延伸到地面，又因为桩的对称性使滑动面所含的土体应是一个梨形体，