浅谈灌注桩后注浆技术研究及应用

2012-07-24王景民付振国

中国新技术新产品 2012年1期

王景民付振国

（河北钢铁集团矿业有限公司，河北唐山 063701）

国内外发展概况

早在上世纪60年代初，国外就开发出解决灌注桩桩底沉渣和桩身泥皮的后注浆技术。国外的桩底后注浆装置大体可分为以下几种：预埋于桩底的装有碎石的预载箱、注浆腔、U形管阀；桩侧后注浆装置为设置于钢筋笼上的带套袖阀的钢管。国外灌注桩后注浆技术的特点是工艺复杂，附加费用高，桩侧注浆需在成桩后2天内通过高压射水冲破混凝土保护层来实施。1983年，第八届欧洲土力学与基础会议论文集中有灌注桩后注浆技术论文若干篇。

我国关于灌注桩后注浆的最早报道，是交通部一航局设计院1974年在天津塘沽采用氰凝固结桩端土的试验；80年代初，北京市建研所在灌注桩桩底设置隔离钣，采用PVC管作为注浆管进行后注浆试验。上述两单位的技术当时是在干作业灌注桩中试验和应用的，因此注浆阀无需具备抵抗泥浆和静止水压力的功能，且桩长较短，相对简单。90年代初，在徐州和郑州地区有了关于后注浆技术应用于泥浆护壁灌注桩工程的报道，前者是将2根注浆管埋设在桩底虚土的碎石中，先由一管注入清水，由另一管排除泥浆，随后压入水泥浆，其承载力增幅较小，后者由西南交通大学岩土所与郑州铁路局郑州设计院进行的某桥梁桩基注浆试验，是在桩底设置橡胶囊，由带钢球的单向阀钢管与注浆腔相联，成桩后向囊中注浆，其加固机理主要靠注浆囊的膨胀压密和扩底作用，同时应用套管法于成桩后12小时内冲破混凝土保护层实施桩侧注浆的试验。总的说来，上述国内灌注桩后注浆装置与国外技术类似，安装较复杂，成本高，且与桩体施工有一定程度的交叉。

中国建筑科学研究院地基基础研究所90年代中期研究开发的灌注桩后注浆技术，其预置注浆阀、管构造简单、安装方便、成本较低、可靠性高；注浆时间限制小，不与成桩作业交叉，不破坏桩身混凝土；注浆模式、注浆量可根据土层性质、承载力增幅要求进行调控；注浆装置中的钢管可与桩身完整性检测管结合使用、注浆导管可等强度取代钢筋，降低后注浆附加费用。1999年中国建筑科学研究院制定了该企业技术规程，《灌注桩后注浆技术规程》（Q/JY14-1999）。目前，该技术已获两项国家实用新型专利和两项发明专利，并被国家住房和城乡建设部正式纳入《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）。

1 灌注桩后注浆技术的概念

灌注桩后注浆（post grouting for cast-insitu pile）是指在灌注桩成桩后一定时间，通过预设在桩身内的注浆导管及与之相连的桩端、桩侧注浆阀注入水泥浆，使桩端、桩侧土体（包括沉渣和泥皮）得到加固，从而提高单桩承载力，减小沉降。灌注桩后注浆是一种提高桩基承载力的辅助措施，而不是成桩方法。后注浆的效果取决于土层性质、注浆的工艺流程、参数和控制标准等因素。

2 灌注桩后注浆技术的基本原理

2.1 基本原理

灌注桩后注浆基本原理：一是通过桩底和桩侧后注浆加固桩底沉渣（虚土）和桩侧泥皮，二是对桩底和桩侧一定范围的土体通过渗入（粗颗粒土）、劈裂（细粒土）和压密（非饱和松散土）注浆起到加固作用，从而增大桩侧阻力和桩端阻力，提高单桩承载力，减少沉降。

2.1.1 渗入作用：当浆液颗粒尺寸不大于孔隙尺寸，浆液有良好的流动性能，特别是砂层，在压力下渗入土中孔隙。

2.1.2 劈裂作用：带压浆液克服土体最小主应力面或软弱结构面上的初始应力和抗拉强度，使其劈裂，浆液沿劈裂面注入土体，连续不断地在注浆点周围形成网状浆脉。劈裂注浆一般发生在粘性土、粉土、粉细砂中。

2.1.3 压密作用：浆液在压力作用下，强行挤向注浆点附近的薄弱区域，形成球状浆泡，挤压土体，使非饱和松散土压密。

上述三种加固作用在注浆过程当中，大多为相互交叉综合作用。

2.2 加固机理

2.2.1 充填胶结效应：在砂层中实现渗入注浆，土体孔隙被浆液充填，散粒被胶结在一起，土体强度和刚度大幅度提高。

2.2.2 加筋效应：在粘性土中实现劈裂注浆，土被网状结石分割并产生加筋作用进而生成复合土体。网状结石的作用使复合土体强度、变形性质大为改善。

2.2.3 固化效应：桩端沉渣和桩侧泥皮与浆液发生物理化学反应而固化。此外，不等厚度的水泥结石固着于桩端，起到了扩底效应。

2.2.4 压密效应：土体压密，增大了桩侧、桩端阻力，对中短桩而言增强效果主要集中在桩端。

2.3 适用范围

灌注桩后注浆工法适用于各类泥浆护壁和干作业的钻、挖、冲孔灌注桩。

3 灌注桩后注浆工法要点

3.1 后注浆装置的设置应符合下列规定：

3.1.1 后注浆导管应采用钢管，且应与钢筋笼加劲筋焊接或绑扎固定，桩身内注浆导管可取代等承载力桩身纵向钢筋。

3.1.2 桩底后注浆导管及注浆阀数量宜根据桩径大小设置，对于d≤l000mm的桩，宜沿钢筋笼圆周对称设置2根；对于d≤600mm的桩，可设置1根；对于1000mm

3.1.3 对于桩长超过15m且承载力增幅要求较高者，宜采用桩底桩侧复式注浆。桩侧后注浆管阀设置数量应综合地层情况、桩长、承载力增幅要求等因素确定，可在离桩底5～15m以上每隔6～12m于粗粒土层下部设置一道 (干作业成孔灌注桩宜设于粗粒土层中上部)。

3.1.4 对于非通长配筋的桩，下部应有不少于2根与注浆管等长的主筋组成的钢筋笼通底。

3.1.5 钢筋笼应沉放到底，不得悬吊，下笼受阻时不得撞笼、墩笼、扭笼。

3.2 后注浆管阀应具备下列性能

3.2.1 管阀应能承受1MPa以上静水压力；管阀外部保护层应能抵抗砂、石等硬质物的刮撞而不至使管阀受损。

3.2.2 管阀应具备逆止功能。

3.3 浆液配比、终止注浆压力、流量、注浆量等参数设计应符合下列规定

3.3.1 浆液的水灰比应根据土的饱和度、渗透性确定，对于饱和土宜为0.45～0.65，对于非饱和土宜为0.7～0.9(松散碎石土、砂砾宜为0.5～0.6)；低水灰比浆液宜掺入减水剂；地下水处于流动状态时，应掺入速凝剂。

3.3.2 桩底注浆终止工作压力应根据土层性质、注浆点深度确定，对于风化岩、非饱和粘性土、粉土，宜为3～10Mpa；对于饱和土层宜为1.2～4Mpa，软土取低值，密实粘性土取高值；桩侧注浆终止压力宜为桩底注浆终止压力的1/2。

3.3.3 注浆流量不宜超过75L/min。

3.3.4 单桩注浆量的设计主要应考虑桩的直径、长度、桩底桩侧土层性质、单桩承载力增幅、是否复式注浆等因素确定，可按下式估算：

式中ap、as-分别为桩底、桩侧注浆量经验系数，ap=1.5～1.8，as=0.5～0.7；对于卵、砾石、中粗砂取较高值；

n-桩侧注浆断面数；

d-桩直径(m)；

Gc-注浆量，以水泥重量计(t)。

独立单桩、桩距大于6d的群桩和群桩初始注浆的部分基桩的注浆量应按上述估算值乘以1.2的系数。

3.3.5 后注浆作业开始前，宜进行试注浆，优化并最终确定注浆参数。

3.4 后注浆作业起始时间、顺序和速率应按下列规定实施：

3.4.1 注浆作业宜于成桩2d后开始，不迟于成桩30d天后。注浆作业离成孔作业点的距离不宜小于8～10m。

3.4.2 对于饱和土中的复式注浆顺序宜先桩侧后桩底：对于非饱和土宜先桩底后桩侧；多断面桩侧注浆应先上后下；桩侧桩底注浆间隔时间不宜少于2h。

3.4.3 桩底注浆应对同一根桩的各注浆导管依次实施等量注浆。

3.4.4 对于桩群注浆宜先外围，后内部。

3.5 当满足下列条件之一时可终止注浆：

3.5.1 注浆总量和注浆压力均达到设计要求。

3.5.2 注浆总量己达到设计值的75%，且注浆压力超过设计值。

3.6 出现下列情况之一时应改为间歇注浆，间歇时间宜为30～60min，或调低浆液水灰比：

3.6.1 注浆压力长时间低于正常值。

3.6.2 地面出现冒浆或周围桩孔串浆。

3.7 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，发现异常应采取相应处理措施。

3.8 后注浆桩基工程质量检查和验收应符合下列要求：

3.8.1 后注浆施工完成后应提供下列资料：水泥材质检验报告、压力表检定证书、试注浆记录、设计工艺参数、后注浆作业记录、特殊情况处理记录。

3.8.2 在桩身混凝土强度达到设计要求的条件下，承载力检验应在后注浆20d后进行，浆液中掺入早强剂时可于注浆完成15d后进行。

3.8.3 对于注浆量等主要参数达不到设计时，应根据工程具体情况采取相应措施。

3.9 承载力估算

3.9.1 灌注桩经后注浆处理后的单桩极限承载力，应通过静载试验确定，在没有地方经验的情况下，可按下式预估单桩竖向极限承载力标准值：

式中 qsjk、qsik、qpk-后注浆非增强段极限侧阻力、增强段极限侧阻力和极限端阻力标准值，按JGJ94-2008或有关地方标准取值；

Lj、Lgi-后注浆非增强段第j层土厚度、增强段第i层土厚度；

U、Ap-桩身周长和桩底面积；

βsi、βp-后注浆侧阻力、端阻力增强系数，按JGJ94-2008或有关地方标准取值。

3.9.2 在确定单桩承载力设计值时，应验算桩身承载力。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

某综合楼主楼高度接近77m，主体建筑地面上为16层，地下1层为人防物资储备库及设备间。建筑物特征见附图01。与主体结构直接关联的裙房只有2层，两者的结构底部竖向荷载存在显著差异。在建筑方案和结构布局已经确定条件下，有效减少主体结构与直接关联裙房的整体地下室沉降差异是设计面临的重要问题。解决上述问题的主要措施有：

4.1.1 将高楼主体与裙房结构彻底分开，显然当前的建筑方案和功能布局是不允许的，有悖于投资方的原始意图。

表1 钻孔灌注桩基设计参数及极限承载力一览表

表2 单桩竖向极限承载力值提高统计一览表

4.1.2 将高楼主体与裙房结构采用2道混凝土后浇带临时分开，如附图所示，待高楼主体封顶完成重力荷载作用下总沉降的80%～90%后再封闭混凝土后浇带。当采用传统灌注桩时，估计施工期间高楼主体的基础沉降约100mm。基坑开挖至主楼封顶需要7～8个月时间，此间基坑降水不应停止，持续基坑降水的安全性不容忽视。因为岩土勘察的抽水试验报告揭示，抽水试验期间该项目东临的110kV变电站和水池地基稳定性均受到明显影响。长期基坑降水可能会威胁临近变电站和水池的结构安全及正常使用，也可能诱使临近的排洪河水大量涌入基坑导致新的风险发生。另据勘察报告估算，基坑降水需要约20眼井点，深18m，长期基坑降水的费用也不容忽视。

4.1.3 对传统灌注桩实施后注浆处理技术。该技术特别适用于以承受竖向荷载为主的大直径灌注桩，主要目的是减少孔底沉渣松散导致基桩沉降过大的先天缺陷。通过对灌注桩的压浆后处理，可以避免在主体与裙房之间设置沉降缝，可以减少由于在地下室设置混凝土后浇带使地下室存在可能渗漏的隐患（地下室防水等级为2级），还可以防犯长期基坑降水可能诱发的上述风险，减少基坑降水费用。

经过上部结构分析，主楼基桩的极限承载力约需要10000kN。主楼基础采用大直径灌注桩，并选择稳定的强风化岩作为桩端持力层。

根据岩土工程勘察报告，本场地地质条件见工程地质剖面图02和综合地层柱状图03，各岩土层桩基设计参数见下表：

按上述设计参数，主楼基础配置Ф1000mm传统灌注桩约130根，考虑基坑埋深，桩顶设计标高为-2.10m。按12号钻孔、14号钻孔和31号钻孔资料进行估算，当取有效桩长26.5m时，单桩承载力极限值为10097～10333kN，满足设计要求。

4.2 钻孔灌注桩后注浆设计

由于该项目投资要求从严控制，不得突破总概算计划。所以，为满足结构设计要求又要减少基础投资，决定采用国内比较成熟的先进技术，即灌注桩后注浆技术。

根据灌注桩后注浆技术已在北京、天津、上海、福州、汕头、武汉、宜春、济南、廊坊、西宁、西安、德州、哈尔滨等地的高层、超高层建筑桩基工程中应用的成功经验，在优化工艺参数的条件下，可使单桩极限承载力标准值提高40%～120%，粗粒土增幅高于细粒土，桩侧、桩底复式注浆高于桩底注浆，桩基沉降减小30%左右的参考依据，大胆选用钻孔灌注桩进行后注浆设计，并按承载力提高25%、采用桩径为Ф800mm、有效桩长为25.5m的桩进行试验。按设计要求，先打3根试桩和12根锚桩（锚桩均做为工程桩），并对3根试桩进行单桩竖向静载荷试验和高应变动力检测，且对所有试验基桩都进行试验前后的低应变检测。见主楼试桩平面布置图04。

静载荷试验和高低应变检测结果表明：3根试桩静载试验加荷至12000KN，最大沉降量 11.90～20.48mm，最大回弹量 0.57～0.85mm，其单桩单桩竖向抗压极限承载力≥12000KN；高应变动力检测单桩竖向抗压极限承载力12151～12881KN；低应变法检测其试验前后试桩及锚桩全部为Ⅰ类完整桩。所以，采用钻孔灌注桩后注浆技术，并以第○14层强风化混合花岗岩作桩端持力层，满足设计提出的单桩竖向抗压极限承载力要求。

经三组静载荷试验和高应变动力检测，灌注桩经后注浆，其实测单桩极限承载力平均值达1200KN以上，承载力提高了50%以上。

通过静载荷试验和高应变法检测获得单桩竖向极限承载力值提高统计见下表：

4.3 主要施工工艺

4.3.1 本工程采用桩端和桩侧复式后注浆。钻孔灌注桩为通笼，后注浆导管对称布置2根到底，桩侧注浆为一道，深度为地面下15m。注浆钢管的连接采用外套粗钢管焊接连接，钢管连接后不得渗漏。注浆钢管顶端需套丝，并用管箍、管堵封口。注浆钢管与钢筋笼加劲箍筋用14号铁丝绑扎固定，严禁采用焊接。注浆钢管上端高出钢筋笼顶不小于300mm，高出桩基施工面不小于500mm。桩底注浆钢管下端采用焊接安装注浆管阀，桩侧注浆钢管下端采用套丝安装三通与桩侧注浆阀相连。焊接时严禁烧坏注浆管阀的保护层，注浆管阀底端与钢筋笼底齐平。

桩侧注浆于成桩后2天开始，桩底注浆于桩侧注浆后3～12小时开始。桩端注浆设计压力为2～4MPa；桩侧注浆设计压力为1.5～2MPa；注浆流量控制在 30～50L/min；水灰比0.6～0.7；注浆设计水泥用量：桩端 1.5t/根，桩侧 0.75t/根。

4.3.2 注浆管制作。在制作钢筋笼的同时制作注浆管，注浆管采用直径为25mm的镀锌钢管，接头用丝扣连接，两端采用丝扣封严。压浆管的最下部200mm制成注浆喷头。用钻头在该部分均匀钻出4个排泄浆孔（每排4个孔，孔距50mm，孔径4mm）。再用图钉将泄浆孔堵严，外面套上同直径的自行车内胎并在两端用胶带封严，注浆喷头就形成了一个类似单向阀的装置（见后注浆喷头结构图05）。当注浆时压浆管中压力将车胎迸裂、图钉弹出，水泥浆通过泄浆孔与图钉之间的孔隙压入土层中，而混凝土灌注时该装置又保证混凝土中水泥浆不会将压浆管堵塞。

4.3.3 特殊情况处理。水泥浆从桩侧溢出、周围桩串孔、注浆压力长时间低于正常值，应改为间歇注浆，间歇注浆至水泥压入量满足设计值，间歇时间30～180分钟。间歇注浆时可适当降低水灰比，当间歇时间超过60分钟时应压入清水清洗导管和管阀。桩侧注浆量未达到设计要求时，可按其不足量的1.2倍由桩端补入。

4.4经济效益

按传统钻孔灌注桩设计，桩径为Ф1000mm，有效桩长为26.5m，单桩混凝土体积20.81m3，单桩承载力极限值为10097～10333kN。其工程估算造价C1=20.81m3/根×1100元/m3×130根＝2975830元＝297.58万元；当采用后注浆技术时，主楼基础配置Ф800灌注桩约130根，有效桩长25.5m，单桩混凝土体积12.75m3，单桩承载力极限值＞10000kN。其工程估算造价 C2=（12.75×1100＋3350）×130＝2258750 元＝225.88万元；造价差C1－C2=297.58－225.88=71.7万元（其中 3350元/根是后注浆费用）。

对主楼灌注桩实施后注浆处理技术，不仅缩小桩径与有效桩长，还缩短了降水工期，具有明显的技术经济效益。