钻孔灌注桩后压浆的作用机理及承载特性分析

安 静

随着高层建筑和桥梁工程建设的发展,桩基础的用量日益剧增。建筑荷载的增加和桥梁跨度的不断超越给基础的承载力提出了更高要求,各种超长大直径灌注桩随之大量涌现。钻孔灌注桩具有对地层适应性强、侧向挤土效应极小、施工简单便捷和造价经济等优点[1]。灌注桩的承载力主要来源于桩侧摩阻力和桩端阻力。而桩侧摩阻力和桩端阻力除与土层条件有关外,还受施工工艺的影响。试验研究和众多的工程实践均证明,桩端后压浆技术可以有效降低上述影响,提高桩基承载力。新版的《公路桥涵地基与基础设计规范》和《建筑桩基技术规范》均吸收了这种先进的工艺,并给出了评价方法和技术要求[4]。

1 后压浆的作用机理

1.1 力学机理

力学机理一般可归纳为渗透固结效应、挤密充填效应、劈裂加筋效应和压密效应[3,4]。1)渗透固结效应是指浆液可以渗透到桩端土体的一定范围内,形成结石体,一定程度上增加桩端的承载面积和桩基的有效桩长。2)挤密充填效应是指通过提高持力层的强度来提高桩端阻力。桩端后压浆可以压密桩端周围存在的松散虚土。浆液在桩端胶结形成扩大的桩端固结体,上窜过程中挤压桩侧土形成桩侧固结体,从而提高桩端和桩侧的阻力。3)加筋效应是指通过改善桩端以上一定范围内桩土相互作用来提高侧壁摩阻力[2,3]。注浆压力增大到一定程度会致使桩端土层劈裂。浆液充填裂隙,呈脉状网络分布,对持力层起加筋作用。4)预压效应是指注入浆液可使桩端一定范围内的土层受到预压作用,从而提高基础的整体性,有利于控制基础沉降。

1.2 化学机理

后压浆的浆液可以加固土体,产生一定的化学效应,如化学胶凝作用、充填胶结作用、离子交换作用和固化效应[2,3]。硅酸盐水泥发生水化反应会减少土层中的含水量,增加土颗粒间的粘结。水化反应生成的各种矿物质填充于土体颗粒间的空隙,改善了土体的物理力学性能。

2 后压浆工艺流程

注浆伊始,浆液对桩端沉渣和土体起到压密和渗透作用。随着注浆量和注浆压力的增加,桩底扩大头逐渐形成,也逐渐改变了桩底土层的应力路径和固结状态[1]。对渗透性差的土层,注浆压力增大会在后期形成劈裂注浆。对渗透性好的土层,注浆量的增加会进一步扩散注浆半径,形成压密注浆状态。在注浆过程中,根据持力层渗透性的不同和注浆压力的变化,会出现注浆压力泵压力下降和回升的反复波动现象,但总的趋势是随着注浆量的增加和注浆半径的扩大,注浆压力不断升高。桩端注浆流程见图1。

3 后压浆工艺关键技术

1)注浆装置。注浆装置包括注浆导管和注浆阀,也可以利用声测管作为注浆导管。桩基施工时将注浆管与钢筋笼一起埋置,注意管底预留注浆孔并临时封闭以防混凝土堵塞。2)浆液浓度。浆液水灰比过大容易造成浆液流失,降低后压浆的有效性。水灰比过小会增大注浆阻力,降低可注性。因此浆液浓度的控制应根据土层类别、土的密实度、土是否饱和诸因素确定。对于饱和土宜为 0.45～0.65,对于非饱和土宜为 0.7～0.9,对于松散碎石土、砂砾宜为0.5～0.6。3)注浆量与注浆压力。压浆控制原则:以压浆量控制为主,注浆压力为重要参数,并严格控制桩顶上抬量。压浆量为第一指标,注浆压力为第二指标,桩顶上抬量为第三指标。合理的注浆量由土层性质、渗透性能、桩径桩长、沉渣量等因素决定。注浆量可以根据正式注浆前的试验数据、以往的工程经验和已有的经验公式估算得出(见表1)。在注浆实施过程中,需根据压水试验情况及注浆过程的反应适当调整注入量。也可以参考下述公式计算:Gc=αpd。其中,Gc为压浆量;d为桩基直径;αp为压浆系数,取值参考文献[9]。

表1 压浆量与最大压浆压力统计一览表[9]

4 后压浆的承载特性分析

4.1 桩基承载力的测试

现阶段对后压浆承载力特性的研究主要依靠大量的试验数据分析,因此有必要对压浆后的桩端阻力和桩侧阻力进行检测。自平衡测试法[6]是桩基承载力测试的常用静载荷试验方法之一。该法用预埋在桩身的荷载箱进行静载荷试验。试验从桩顶通过高压油管对荷载箱内腔施加压力,箱顶与箱底被推开,产生向上与向下的推力,从而调动桩周土的侧阻力与端阻力,直至破坏。

4.2 荷载传递机理

考虑土体的连续性引起的变形,对各桩段实测的摩阻力与位移关系进行修正,可真实反映出压浆后摩阻力沿桩身的分布规律。采用传递函数对摩阻力与位移关系进行拟合,从而得出各桩段的摩阻力极限值,有利于对后压浆的加固效果进行客观分析。

4.3 桩侧阻力的影响

影响灌注桩侧摩阻力的主要因素是护壁泥皮的影响及桩身混凝土固时缩径。桩端压浆的浆液一部分作用于桩端土体,另一部分作用于桩端以上一定范围内的桩侧土体。早期的研究认为桩端后压浆主要提高桩端的承载能力。近期通过对新郑黄河二桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥和东海大桥等超长桩的实测资料进行分析,发现桩端后压浆不仅可以提高桩端阻力,还可大幅提高桩侧阻力[5]。在部分超长大直径桩基工程实践中,桩侧摩阻力的增量成了桩基极限承载力提高的主要原因[6]。

4.4 压浆后承载力计算方法

东南大学龚维明等人在统计大量实测资料的基础上,总结出了符合一定条件[9]的大直径钻孔灌注桩后压浆单桩承载力容许值计算公式:

式中各参数的取值详见文献[9]。其中,[Ra]为压浆后单桩承载力容许值;βsi为第i层土的侧阻力增强系数;βp为端阻力增强系数;qsi为与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值;qp为桩端处土的极限承载力;li为各土层厚度;μ为桩身周长;Ap为桩端截面;n为土的层数。此外,文献[8]和[12]也总结了后压浆单桩极限承载力的计算公式。

表2 后压浆桩基承载力增幅一览表[9]

4.5 注浆效果分析

表2为部分特大桥梁后压浆桩基承载力增幅情况。从表中可以看出,后压浆对提高大直径超长桩基承载力具有明显的效果。

5 结语

1)本文总结了灌注桩后压浆技术的物理化学机理,钻孔灌注桩后压浆可以同时提高桩端阻力和桩侧摩阻力。2)介绍了后注浆的工艺流程及其影响注浆效果的关键技术。浆液配置主要根据土层类别、密实度和是否饱和等因素确定。压浆量为注浆工艺的第一控制指标,注浆压力次之。3)后压浆技术是一项理论落后于实践的工艺。目前对压浆后桩基承载力的研究主要停留在对试验数据的统计分析上,尚无普遍适用的承载力计算公式。

[1]黄生根,张晓炜,曹 辉.后压浆钻孔灌注桩的荷载传递机理研究[J].岩土力学,2004,25(2):251-254.

[2]张忠苗,吴世明,包 风.钻孔灌注桩桩底后注浆机理与应用研究[J].岩土工程学报,1999,21(6):681-686.

[3]陈志坚,韩学伟,白炳东.大直径超长钻孔灌注桩桩端后压浆机理探讨[J].海河大学学报(自然科学版),2007,35(4):409-412.

[4]吴春秋,肖大平,吴 俊.灌注桩后压浆技术的工程实践及理论研究[J].武汉大学学报(工学版),2008,41(sup):117-122.

[5]黄生根,龚维民.大直径超长桩压浆后承载性能的试验研究及有限元分析[J].岩土力学,2007,28(2):197-201.

[6]黄生根,龚维民.桩端压浆对超长大直径桩侧阻力的影响研究[J].岩土力学,2006,27(5):711-716.

[7]张阳明,管典志.钻孔灌注桩后压浆作用机理[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(7):890-892.

[8]胡春林,李向东,吴朝辉.后压浆钻孔灌注桩单桩竖向承载力特性研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(4):546-550.

[9]龚维明,戴国亮,张浩文.桩端后压浆技术在特大桥梁桩基中的试验与研究[J].东南大学学报(自然科学版),2007,37(6):1066-1070.

[10]黄生根,龚维民.苏通大桥一期超长大直径试桩承载特性分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3370-3375.

[11]黄生根,龚维民,张晓炜,等.钻孔灌注桩后压浆的承载性能研究[J].岩土力学,2004,28(8):1315-1319.

[12]管义军.桩端后压浆在苏通大桥基础工程中的应用与研究[J].公路交通科技,2006,23(7):100-103.