灌注桩后注浆技术在城市立交工程中的应用

邹 勇,杜海强

灌注桩后注浆技术在城市立交工程中的应用

邹 勇1,杜海强2

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院,郑州 450001;2.湖南省电力勘测设计院,长沙 410000)

结合工程实例介绍灌注桩后注浆施工工艺,分析城市立交工程中的灌注桩后注浆技术,并通过试验结果分析得出复合后注浆技术对桩侧摩阻力和桩端阻力的提高系数,表明复合后注浆技术可大幅提高桩基承载力,节约工程投资。

桥梁基础;灌注桩;注浆;桩基承载力

1 工程概况

在郑州市经济跨越式发展的规划背景之下,为了加强市区内部区域之间的快速交通联系,规划确定了三环线高架桥快速通道工程,本工程项目建筑安装费约为90亿元左右,其中桩基工程造价约为18亿元,为了减少桩基工程造价,优化设计桩长,需提高钻孔桩的承载力,经反复论证,郑州市三环路高架桥桩基工程决定引入灌注桩后注浆技术。

2 灌注桩后注浆技术的加固机理

根据国内一些学者研究表明,灌注桩后注浆技术中土体后注浆的加固机理如下。

(1)充填胶结效应:在卵、砾、砂中实现渗入性注浆条件下,被注土体孔隙部分为浆液充填、散粒被胶结,显示“充填胶结效应”,土体强度和变形模量大幅度提高。

(2)加筋效应:对于黏性土、粉土、粉细砂实现劈裂注浆的条件下,单一介质土体被网状结石分割加筋成复合土体。复合土体的强度变形性状由于网状结构的制约和强化作用而大为改善,显示“加筋效应”。网状结石与桩体紧密相连,桩顶受载后,桩侧和桩底的复合土体能有效地传递和分担荷载,从而提高总侧阻力和总端阻力。

(3)固化效应:桩底沉淤和桩侧泥皮与注入的浆液发生物理化学反应而固化,使单位端阻力和侧阻力显著提高,显示“固化效应”。

(4)扩底(径)效应:当被加固体位于桩底时,总桩端阻力因扩底效应而提高;当被加固体处于桩侧时,总侧阻力因桩身扩径效应而显著增大。从而使土体强度和刚度大幅度提高,桩的承载力、桩的稳定性得到较大提高。

3 灌注桩后注浆施工工艺

灌注桩后注浆技术在国内经过多年发展,在不断完善其施工工艺。后注浆方法从桩端注浆到桩端和桩侧复合注浆;注浆装置也呈现出多样化的发展趋势,由最初的闭式,发展到开式注浆;由以往传统的一次性注浆,发展到循环注浆;由中小直径的中短桩,发展到超长超大直径的桩。

结合郑州三环快速化工程,根据后注浆灌注桩的设计要求和本地区土层与地质条件,形成了一套符合本工程特点的施工工艺。施工工艺流程如图1所示。

图1 压力注浆工艺流程

4 后注浆灌注桩现场试验结果及设计参数建议

为了更好地推广后注浆技术在高架桥工程中的应用,并指导设计和施工,郑州市三环快速化工程选择了8处试验场地进行后注浆试验,以测定注浆后各土层的桩侧摩阻力和确定持力层的桩端阻力。其中西三环标段选择在西三环陇海路处。

(1)工程地质情况(表1)

表1 西三环陇海路地质勘察参数

(2)桩位布置

根据《公路桥涵施工技术规范(JTG_TF50—2011)》,试桩和锚桩中心距不得小于4 m,结合现场场地情况,锚桩与试桩的布置如图2所示,其中,部分锚桩由工程桩兼做,其他锚桩为独立锚桩。

图2 试桩、锚桩布置(单位:m)

(3)试验加载方式

试验加载方式采用静载试验反力装置——锚桩作为反力系统,并采用慢速维持荷载法进行试验。试验根据单桩极限承载力大小拟采用4～6台液压千斤顶,通过高压油管与GBJ-70型高压油泵和RS-JYB型静载测试仪相连接组成加载系统。

(4)实测数据及试验成果

①竖向静载试验数据

本次试验桩选择的1.2 m桩径,桩长40 m,混凝土强度等级C30,进行了多组注浆试验,试验结果见表2。

表2 单桩竖向静载试验结果

②试验成果及设计参数建议(表3、表4)

表3 单桩竖向抗压静载试验成果

桩端注浆灌注桩由于桩底沉渣注浆后,增加了端阻力,并在桩端附近一定范围形成了成拱影响区,可以有效地减少桩顶沉降量。对应承载力极限荷载时的沉降量一般为10 mm左右。同时根据试验结果得出适合本标段的桩侧阻力和桩端阻力。

表4 桩侧阻力与桩端阻力设计参数建议

从表4中可以看出:

①复合注浆灌注桩桩侧阻力承载力提高幅度较大,约2倍左右,且在试验荷载条件下桩基均未发生破坏,后注浆效果良好;

②根据试验结果,同时为了更好控制桩基沉降量,选择土质条件相对较好的第⑤或⑥层土作为桩基持力层,并根据单桩承载力设计要求进行桩长优化。

5 后注浆灌注桩竖向承载力计算方法

后注浆灌注桩技术经过多年发展,《公路桥涵地基与基础设计规范》提出了建议方法

其中,βsi为第i层土的侧阻力增强系数;βp为端阻力增强系数。见表5。

表5 桩端后注浆侧阻力增强系数βs、端阻力增强系数βp

该方法仅考虑桩端注浆上返有效高度范围的侧阻增强,未考虑桩端注浆后桩端阻力增强对桩侧阻力的影响。

本工程采用桩端和桩侧复合注浆,一方面桩端阻力增强了桩侧阻力的延迟发挥的作用,另一方面桩侧压密注浆增加了桩侧表面面积,因此能够更有好地提高单桩承载力。

6 工程实例分析

郑州市西三环段桥梁设计标准跨度为30 m,桥面宽25.5 m,下部基础采用6根φ1.5 m的群桩基础,桩顶作用力为7 300 kN,未注浆时设计桩长为55 m。采用后注浆技术后,根据试验提出的桩侧阻力、桩端阻力建议值,并结合《公路桥涵地基与基础设计规范》,桩侧阻力提高系数按平均1.5考虑,此值大于规范建议值,小于试验值,具有一定的安全储备,优化后设计桩长40 m。单根桩长减少15 m,节约工程造价约30%。

在施工完成后对优化后的工程桩进行了静载试验,试验结果能够满足设计要求。

针对郑州地区粉土、粉质黏土和粉砂典型地层的后注浆大直径灌注桩技术,已成功应用到整个三环快速化工程中,作为技术储备,试验成果将可以应用到郑州地区及相似地层地区的其他市政基础工程中,并将产生巨大的经济、技术效益。

7 结论

(1)通过灌注桩后注浆试验结果表明,后注浆技术成熟安全。

(2)与工程地质报告相比,后注浆灌注桩单桩承载力提高约为2倍左右;结合设计规范,与未注浆桩相比,桩侧阻力提高1.5倍左右。

(3)灌注桩复合后注浆成套技术已应用到三环快速化工程中,产生了巨大的经济、技术效益,节约桩基工程造价约30%,建议在类似工程进一步推广应用。

[1] 郑州市市政工程建设中心,郑州大学.郑州市重大科技专项课题——桩基后注浆技术试验与应用研究[R].郑州:2012.

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Application of Post-grouting Technology of Cast-in-situ Piles for City Overpass Bridge

ZOU Yong1,DU Hai-qiang2
(1.Zhengzhou Survey and Design Institute,China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd., Zhengzhou 450001,China;2.Hunan Electric Power Survey and Design Institute,Changsha 410000,China)

In combination with actual project cases,the paper introduced the post-grouting technology of cast-in-situ piles,and analyzed the application of post-grouting technology of cast-in-situ piles in city overpass bridges.Meanwhile,through analysis on experiment results,the increasing coefficients of both the pile side friction and the pile tip resistance,which arose from the composite post-grouting technology, were obtained in this paper.And this proves that the composite post-grouting technology can be conducive to increasing the pile foundation bearing capacity and decreasing the project investment considerably.

bridge foundation;cast-in-situ pile;grouting;bearing capacity of pile foundation

U443.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.012

1004-2954(2014)04-0052-03

2013-07-21;

2013-08-05

郑州市重大科技专项课题(113PSHKS439)

邹 勇(1980—),男,工程师,2007年毕业于中南大学,工学硕士。