大连太平湾工程大直径灌注桩后压浆技术的应用

王宁伟，王心哲，韩 旭，王新玲（.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳068；2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨50080）

大连太平湾工程大直径灌注桩后压浆技术的应用

王宁伟1，2，王心哲1，韩 旭1，王新玲1
（1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168；2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080）

近年来 ，钻孔灌注桩后压浆技术在工程中已被大量应用。通过工程实例，对比普通灌注桩和采用后压浆技术的灌注桩的静载试验结果，着重分析后压浆技术对大直径钻孔灌注桩承载性能的影响；结合超声波无损检测技术的试验结果，探索后压浆技术对桩身完整性的影响；通过对后压浆技术的工作机理和施工工艺的介绍，为后压浆技术在工程中的应用提供指导。研究表明:采用后压浆技术的钻孔灌注桩桩身无明显缺陷，单桩极限承载力得到大幅度提高，并且可以有效避免施工中容易出现的桩底沉渣厚、桩壁土体松软等问题。

大直径；后压浆；单桩极限承载力；工作机理

钻孔灌注桩后压浆技术，即在设置钻孔灌注桩后加固桩底以及桩侧的沉渣（虚土）和泥皮，使得灌注桩的稳定性和承载力均大幅提升［1］。这项技术在现今建筑物规模越来越大，而地基条件越来越恶劣的情况下 ，大量应用于实际工程中。它保留了混凝土钻孔灌注桩适应性强、造价低等优点［2］，又能克服在混凝土钻孔灌注桩施工过程中经常出现的沉渣不清、夹泥等缺陷［3］，成为提高地基承载力的有效方法。

软土地区的大直径灌注桩由于其土质具有含水率大、压缩性高的特点，在施工中很容易出现沉渣过多等导致承载力降低的问题［4］。而后压浆技术可以大幅度提高单桩竖向承载力、补强桩底虚土的特点，使其在软土地区受到普遍欢迎［5］。下面通过一个工程实例对后压浆技术在海相软土地区如何提高大直径桩的单桩极限承载力及是否破坏桩身完整性等方面作简要介绍。

1 工程实例

1.1 工程地质概况

大连港太平湾港区散粮泊位工程，拟采用直径为1 200 mm的钻孔灌注桩作为桩基础。Z1#-Z4#桩为四根试验桩，桩身混凝土强度为C35，其中Z1# 和Z2#桩设计桩长为29.5 m，桩端进入中风化岩深度为2 m；Z3#、Z4#桩设计桩长为31 m，桩端进入中风化岩深度为3.5 m；Z2#、Z4#桩采用后注浆方式补强桩端虚土。根据设计要求4根试验桩单桩竖向抗压静载荷试验最大加载量为22 500 kN。本工程勘察场地范围内主要分布地层有第四系全新统海积层、第四系全新统冲洪积层，震旦系永宁组砂岩，各层的主要土性见表1。依据《建筑桩基技术规范》［6］（JGJ94-2008）及大连地区施工经验，提出钻孔灌注桩极限侧阻力标准值 qsik及极限端阻力标准值qpk。

表1 地质剖面及主要土性指标　　单位:kPa

根据地基土物理力学性质指标，桩端持力层选定在第④3层中风化砂岩层。

1.2 超声波无损检测技术

为了研究采用后压浆技术对其桩身的质量及完整性有无影响，该工程采用超声波无损检测技术对其桩身进行检测。

1.2.1 检测方法

如图1所示，在桩基施工前，对称布置四个声测管作为超声波发射与接收装置的工作通道。测试时对称的两根声测管为一组，即A和C为一组，B和D为一组，检测时将声测管注满清水，利用水在传输过程中的耦合作用，超声脉冲信号从任意一根声测管中的换能器发射出去，由另一根声测管中的换能器接收声波信号，测定波速、波幅等相关参数并采集记录在仪器中储存。声波发、收装置在检测时同步向上提升，确保二者处于相同水平高度，遇到数据异常时可采用水平加密、等差同步等方法加密细测。

图1 声测管布置图

1.2.2 检测结果

图2为采用了后压浆技术的Z4#桩的超声波检测的分析数据曲线。采用了后压浆技术的钻孔灌注桩混凝土材料密实度满足要求，桩体不存在蜂窝，夹泥等质量缺陷，参照《建筑桩基检测技术规范》［7］（JGJ106-2003），结合超声波检测结果可以判断该桩属于一等桩，能够满足设计要求和工程正常使用。

图2 分析结果汇总曲线

1.3 静载试验

为了确定普通灌注桩和采用后压浆技术灌注桩的极限承载力有何差别，采用静载试验对其极限承载力进行检测。

1.3.1 试验方法

单桩竖向抗压静载荷试验采用堆载的方法，加载反力装置总质量不小于最大加载量的1.2倍，经计算为2 800 t，试验最大加载量为22 500 kN，加载及卸载采用慢速维持荷载法，整个过程分10级加载。

1.3.2 试验结果

由图3四根试桩的静载试验曲线可知，Z1#和Z3#桩在试验进行至最后一级维持荷载阶段，桩顶混凝土破碎，Q～S曲线图出现明显拐点，曲线属陡降型 Q～S曲线，根据《建筑基桩检测技术规范》［7］（JGJ106-2003）4.4.2条中第1条规定，取 Q～S曲线图上发生明显陡降起始点对应的荷载值20 250 kN作为这两根桩的单桩竖向抗压极限承载力。

图3 单桩竖向抗压静载试验曲线图

根据勘察资料和现场实测数据，该港口工程大直径灌注桩的承载力很高，而承载力较高的Z2#和Z4#桩的静载试验（表2）并未加到其极限荷载。拟采用灰色理论对其极限承载力进行预测，预测结果如图4和图5所示，Z2#和Z4#桩的单桩竖向极限承载力分别为24 854 kN和29 064 kN。

图4 Z2#桩的灰色理论 Q-S曲线图

图5 Z4#桩的灰色理论 Q-S曲线图

由表2可看出，后压浆灌注桩比普通灌注桩单桩竖向抗压极限承载力分别提高了23%和44%，后压浆技术在该工程中效果突出，承载力满足筒仓设计要求，可以节省大量资金 ，具有明显的社会效益和经济效益。

表2单桩静载试验结果汇总表

2 后压浆桩基的工作机理

2.1 加固机理

注浆液的原材料主要是水泥浆液和外加剂，在桩端和桩侧压注浆液，水泥浆本身与沉渣以及泥皮发生固化反应，提高了整体强度。当水泥浆以一定的压力劈裂压入土体时，发生劈裂注浆。劈裂注浆在土体中形成网状复合土体，对土体起到一定的加筋作用［8］。随着注浆压力的上升，浆液会渐渐填充整个间隙，注浆不断挤密周围土体，提高了桩侧摩阻力。此外，部分水泥浆体固着桩身表面和桩底 ，起到扩径和扩底作用。

2.2 后压浆对桩承载力的增强效应

2.2.1 沉渣和泥皮的固化效应

当水泥浆灌入桩底，固化了粗颗粒沉渣，使粗颗粒作为骨料形成中低强度的混凝土提升了端阻力。水泥浆与细颗粒沉渣以及虚土同样因为固化作用形成网状结石复合土体。桩侧阻力也因为桩身泥皮的固化作用得以提升［9］。

2.2.2 渗入胶结效应

如果水泥浆灌入后遇到细粒土，会发生渗入胶结效应，即水泥浆与细粒土发生作用从而大幅提高地基强度。

2.2.3 扩底扩径效应

桩底形成扩大头，增加了桩底的承压面积，起到一定扩底扩径效应。

2.2.4 劈裂加筋效应

通过水泥浆液的劈裂作用 ，单一土体被加筋成复合土体 ，复合土体的强度由于加筋作用而得到了大幅度的提高［10］。

3 后压浆技术在软土地区的施工工艺

3.1 灌浆系统

如图6所示，灌浆系统包括顺序连接的储浆筒、压浆泵、压浆管，压浆管开有注浆孔，注浆孔上有单向止浆阀。

图6 桩端压浆地面示意图

3.2 成桩工序

按常规钻孔灌注桩规范的要求成桩，包括钻进成孔、下放钢筋笼、浇筑混凝土等工序［11］。不同之处是在钢筋笼两侧需要对称布置两根注浆管，以便于压力注浆。

3.3 压浆管布设方法

如图7所示，桩底压浆管的布设方法主要是在钢筋笼的内侧对称布置两根通长的注浆管，注浆管通常要超出钢筋笼的顶部和底部各400 mm。为避免注浆管管路被混凝土及其他杂物堵塞，在安放注浆管时应在管口处用生胶带对其进行密封处理［12］。

桩侧压浆管布置在设计标高处，布设方法是在钢筋笼的内侧对称布置两根钢管或镀锌管。

图7 桩侧压浆示意图

3.4 预压水试验

在混凝土浇灌成桩5 d～7 d内，应对压浆管道进行预压水试验。具体方法是用预压水对管口的生胶带进行劈裂处理，之后通过注水的方法来疏通管道，避免管道堵塞［13］。

3.5 压浆前压水试验

为了确定注浆的初始压力并检验压浆管是否堵塞，应对其进行压浆前的压水试验［14］。其方法是对压浆管进行持续的压水处理 ，压水的压力不宜过小，以免管道未被完全疏通。由于压水压力随着混凝土浇灌时间的增加而增加，根据实践经验及现场试验，一般将压浆前的压水时间控制在30 d～60 d内为宜。

3.6 压浆参数的确定

3.6.1 压浆起始时间

确定注浆时间应当考虑桩身的强度，因为注浆压力可能会对桩身材料造成一定程度的破坏。一般来说，注浆要等到桩身混凝土强度达到设计强度的80%，同时高于20 MPa的时候才开始。保证在注浆过程中桩身的完好。

3.6.2 浆液配合比

压浆浆液的配合比要根据具体的地层条件来确定。一般来说，用32.5级普通硅酸盐水泥来配置压浆浆液，且水灰比范围为0.5～0.7，以此来保证浆液的粘稠度适中，可灌性较好。有时在钻探中有大量漏浆的情况，可在浆液中掺入活性粉煤灰，使浆液渗透控制在一定范围之内，提高利用效率。

3.6.3 容许注浆压力

桩长、注浆时间等是影响注浆压力的重要因素。一般情况下，注浆压力随着桩长的增加而变大，这是因为随着桩长的增加，桩端土的强度会随之升高，这时就需要更大的注浆压力来进行注浆。在注浆的开始阶段，由于要克服很大的初始阻力，注浆压力一般较大；在平稳注浆阶段中 ，注浆压力一般较小；在注浆结束阶段，由于桩身两侧及桩底已充满浆液，其强度得到很大的提高 ，此时则需要较大的注浆压力来对其进行注浆［15］。初始和结束阶段的注浆压力一般控制在1.5 MPa～2 MPa，平稳注浆阶段的注浆压力控制在1 MPa左右。

3.6.4 压浆持续时间

根据经验，每根桩的压浆持续时间一般不宜大于2 h。

3.7 压浆结束标准

判断压浆结束，首先要观察压浆压力。如果压浆压力达到既定终压，并能保持5 min～10 min，才符合要求。一般来说，终压力为初压力的2倍～3倍。其次，在终压稳定的情况下，浆液的注入量要达到设计要求。

4 结 论

（1）对于大直径钻孔灌注桩，采用后压浆技术的灌注桩比普通灌注桩单桩竖向抗压极限承载力提高了23%～44%左右。后压浆技术在该工程中效果突出，承载力满足筒仓设计要求 ，可以达到缩短桩长、降低造价的目的，具有明显的社会效益和经济效益。

（2）对于大直径钻孔灌注桩，采用后压浆技术可以有效避免桩底沉渣厚 ，孔底虚土过多等问题。

（3）结合超声波无损检测技术，采用后压浆技术的钻孔灌注桩桩身质量良好，能够满足设计和使用要求。

（4）总结压浆管布设方法 ，压浆管结构，浆液配合比，注浆压力，注浆量及压浆持续时间等多个影响桩基工程后压浆技术的重要因素，为施工过程提供指导。

［1］ 于志华，刘炎炎，宋 建 ，等.钻孔灌注桩桩端后压浆技术及工程应用［J］.水利与建筑工程学报，2011，9（3）: 40-43.

［2］ 余朝阳.桥梁桩基检测技术探讨［J］.公路工程，2002，27 （3）:93-95.

［3］ 李继广，刘彦祥.后注浆技术提高钻孔灌注桩承载力的分析［J］.水道港口，2010，31（1）:65-68.

［4］ 李 飞，祝经成.泥浆护壁钻孔灌注桩后压浆技术在软土地区的应用［J］.建筑科学 ，2000，16（1）:44-45.

［5］ 冯晓平，段 敏，吴春秋 ，等.后压浆提高钻孔灌注桩承载力的试验研究［J］.建筑科学 ，2006，22（4）:10-12.

［6］ 中华人民共和国建设部.JGJ106-2003.建筑桩基检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［7］ 中华人民共和国建设部.JGJ94-2008.建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社 ，2008.

［8］ 梁金国.后压浆旋挖钻孔灌注桩单桩竖向承载力分析［J］.岩土工程技术，2008，22（3）:139-144.

［9］ 董清华.混凝土无损检测方法述评［J］.五邑大学学报:自然科学版，2005，19（1）:53-57.

［10］ 林健邦.声波透射法在桥梁桩基检测中的应用［J］.科技创新导报，2008，22（17）:39-40.

［11］ 罗银禄.钻孔灌注桩后压浆技术在上海软土地区的应用［J］.建筑结构，2006，35（2）:45-47.

［12］ 郭大兵，郭 靖.桩基极限承载力的灰色预测［J］.工业建筑，1996，26（4）:45-49.

［13］ 唐海威.灰色系统理论预测单桩极限承载力［J］.交通标准化，2005，（3）:73-76.

［14］ 程 晔，龚维明，张喜刚，等.超长大直径钻孔灌注桩桩端后压浆试验研究［J］.岩石力学与工程学报 ，2010，29（2）:3885-3892.

［15］ 张国祥，朱利香.地基极限承载力的灰色预测［J］.工程勘察，1998，（3）:14-16.

The Application of Post-grouting Technique to Large-diameter Cast-in-situ Piles of Dalian Taiping Bay Project

WANG Ning-wei1，2，WANG Xin-zhe1，HAN Xu1，WANG Xin-ling1
（1.School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，Liaoning 110168，China；2.Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin，Heilongjiang 150080，China）

In recent years，post-grouting technique for the drilling piles has been applied substantially to engineering constructions.Based on an actual engineering project，the results of static tests on ordinary drilling piles and the drilling piles using post-grouting technique were compared，and the effect of post-grouting technique on the bearing capacity of large diameter drilling piles were analyzed emphatically.Then，according to the test results of utrasonic harmless detection，the effect of post-grouting technique on the integrity of the pile body was studied.After that，the working mechanism and the construction techniques of the post-grouting technique were introduced to provide guidance for its application to engineering.The study results indicate that with the application of post-grouting technique，the drilling pile has no obvious defect over the body，the ultimate bearing capacity of a single pile increases considerably，and the common problems in conventional constructions，such as the thick sediment at the pile bottom or soft soil around the pile lining，can be avoided effectively.

large diameter；post-grouting；ultimate bearing capacity of a single pile；working mechanism

TU473.1+4

A

1672—1144（2015）02—0127—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.026

2014-11-08

2014-12-21

王宁伟（1964—），男，辽宁沈阳人，教授 ，主要从事滩涂固化、地基处理、基坑工程及城市防灾减灾等方面的研究与教学工作。E-mail:sy wnw@163.com