大直径钻孔灌注桩后注浆技术的研究与应用

张存根

【摘要】桩端后注浆是沿海软土地区大直径钻孔灌注桩发展的必然趋势。本课题依据某三甲医院项目工程桩的单桩竖向抗压静载试验结果，着重对桩端后注浆技术及单桩竖向承载力性状的分析研究，揭示了桩端后注浆对单桩沉降和桩基承载性状的影响情况，并指出了桩端后注浆技术是提高桩基承载力的有效方法。

【关键词】钻孔灌注桩；桩端后注浆；承载力；沉降量

1 前言

桩端后注浆是指在钻孔灌注桩浇筑完成后，通过预先埋设在钢筋笼里的注浆管，向桩末端进行高压注浆，对桩端的沉渣及桩端的桩周土层起到渗透、填充、劈裂及固结等多种形式组合的不同作用。固化末端沉渣及周边土层，改善桩与岩、土之间的边界条件，从而提高桩的承载力并减少沉降量。近年来，国内外多位学者[1-5]对桩端后注浆技术进行了大量的研究工作。

2 工程概况

课题依托项目的基础设计采用后注浆钻孔灌注桩，桩径为1200mm，持力层为中风化花岗岩，且桩端进入持力层不小于1米，单桩水泥注入量不小于2500kg，注浆压力不小于3MPa。设计要求单桩竖向抗压承载力特征值为7800kN。为准确评价工程桩的实际承载力，设计要求对本工程做8根静载试验桩，本课题选取其中的4根进行分析研究，编号分包为Z1、Z2、Z3和Z4，其中Z4没有进行桩端后注浆，4根试桩的基本施工参数基本相同。

3 桩端注浆加固机理

桩端注浆加固过程可以分为力学反应和化学反应过程，在施工的不同阶段，各自起主导作用。在注浆刚开始阶段，力学机理占主要作用。其反应过程为：在桩端通过预先埋設的注浆钢管压注水泥浆液，一定的注浆压力下，水泥浆液首先渗透、填充到松散的桩端沉渣间隙中，与沉渣相混合，固结成一体，能消除孔底沉渣的不良影响。

4 注浆量与时间的关系

桩端后注浆是指钻孔灌注桩在下放钢筋笼时预埋注浆管并灌注混凝土成桩，然后在成桩一定时间后对注浆管开塞并向桩端高压注入水泥浆，以加固桩端地层，固化桩端沉渣，从而提高单桩承力，减小沉降的一种施工技术。合理的注浆量应由桩端桩侧土层类别、渗透性能、桩径、桩长、承载力增幅要求、沉渣量、施工工艺和设计要求等诸因素确定。在注浆过程中，桩底可灌性的变化直接表现为注浆压力的变化。可灌性好，注浆压力则较低，反之，若可灌性较差，注浆压力势必较高。 显然，注浆压力会呈现出一个动态波动范围，而注浆量和时间近似呈线性增长的关系。随着注浆量进一步增大和被注土体下浆液浓度的提高，一定时间后注浆压力会有所提高。但在桩端后注浆中，一般采用注浆量为主控因素，注浆压力为辅控因素，现场记录必须要记录注浆量、注浆压力随时间的变化情况。

Z1、Z2、Z3桩端注浆量随时间变化趋势相似，为节省篇幅，只列出Z1桩现场实测的注浆量随时间的变化曲线图，如图 1 所示：

图1 注浆量随时间变化曲线

5 单桩竖向抗压静载试验分析

本课题工程试桩静载试验采用堆载–反力架装置，测试静载由安装在桩顶的油压千斤顶进行逐级加荷，千斤顶所需的反力由混凝土预制块堆重平台承担。测试加荷方式为慢速维持荷载法，将4台5000kN级千斤顶并联，以保证其同步加载，每级荷载增量均为1560kN，最大测试荷载均加至15600kN。

图2 试验桩静载堆载

桩顶沉降是在桩顶用千分表或位移传感器测量得到。桩端沉降则是预先在打桩时沿钢筋笼内侧埋设外径 66 mm的水管，然后在66mm水管内下放33 mm水管，再在桩顶33 mm水管上设测点得到。

5.1 不同荷载下的桩顶和桩端沉降量

3根采用后注浆的试桩Z1～Z3 的桩顶和桩端荷载–沉降曲线具有较好的相似性，为节省篇幅，本文只给出试桩 Z1的桩顶、桩端荷载–沉降关系曲线。同时选取和其他试桩具有相似条件的未注浆试桩Z4来进行比较。未注浆试桩Z4在其他试桩灌注之前先进行了初次静载试验，后注浆试桩是后期完成的，试桩Z4和其他试桩的最大加载值不同，其最大加载值15600kN。试桩Z1和Z4的荷载–沉降关系曲线如图3所示。

图3 荷载-沉降变化曲线

由图3可知，当荷载较小时，荷载–沉降曲线表现为线性关系；随着荷载的增大，沉降增速也逐渐增大，荷载–沉降曲线逐渐变为非线性。当荷载较小时，桩顶即产生沉降，而此时的桩端沉降值为0。只有当荷载增大到一定值时，桩端才开始出现沉降。

从图3对比可以看出，当未注浆的试桩Z4加载到荷载为15600kN时，桩端沉降约为21.13mm，桩顶沉降约为41.58mm；而采用桩端后注浆的试桩Z1在15600kN时桩端沉降为2.88mm，桩顶沉降为16.63mm，说明桩端后注浆的桩端和桩顶沉降都要比未注浆的沉降值小。也就是说，桩端后注浆可以减少沉降量，使得桩底的沉渣得到固化。

试桩 Z1～Z3 按规定荷载级别加载到4800kN时，桩端刚开始有沉降量出现，但其值较小，分别为0.13，0.09，0.12mm。而未注浆的试桩Z4在加载到3500kN时，桩端沉降就开始出现，其值约为0.3mm。说明未采用后注浆的试桩侧摩阻力先于后注浆的试桩充分发挥出来，即桩端后注浆技术改善了桩侧土的性状，提高了桩侧摩阻力。实践证明，桩端注浆后浆液可以沿着桩侧向上爬升，从而可以固化桩侧的泥皮，达到增大桩侧摩阻力、提高桩的承载能力的目的。

图4 Z1桩基钻芯照片 图5 Z4桩基钻芯照片

5.2 桩身压缩量测算

利用实测桩顶、桩端沉降数据可以确定桩身压缩量S，其值可以通过下式获得：

S =S1 –S2 （1）

式中：S1 为桩顶沉降实测值，S2为桩端沉降实测值。

利用式（1）得到的试桩 Z1～Z4的桩身压缩量见表3。

由表3可知，在未达到桩的极限承载力之前，对本工程中持力层是中风化花岗岩的桩基（桩长35m左右）而言，桩身压缩量是单桩沉降的主要组成部分。采用桩端后注浆的试桩在桩顶荷载低于桩极限承载力时，桩身压缩量占桩顶沉降的75%以上。所以在对持力层是中风化花岗岩的桩端后注浆长桩进行设计时，桩身压缩量不可忽视。

6 结论

（1） 桩端后注浆的桩端和桩顶沉降值远远小于未注浆的桩端和桩顶沉降值。桩端后注浆技术使得桩底的沉渣得到固化，相当于人为制造了一个坚硬的持力层，使得桩端沉降值较小。

（2）当荷载较小时，桩顶即产生沉降，而此时的桩端沉降值为0。只有当荷载增大到一定值时，桩端才开始出现沉降。

（3）采用后注浆的试桩加载到4800kN时，桩端刚开始有沉降量出现，但其值较小，分别为0.13，0.09，0.12mm。而未注浆的试桩加载到3500kN时，桩端沉降就开始出现，其值约为0.3mm。说明未采用后注浆的试桩侧摩阻力先于后注浆的试桩充分发挥出来，即桩端后注浆技术改善了桩侧土的性状，通过固化桩侧泥皮，达到增大桩侧摩阻力、提高桩的承载能力的目的。

（4）对本工程中持力层是中风化花岗岩的桩基（桩长35m左右）而言，桩身压缩量是单桩沉降的主要组成部分。采用桩端后注浆的试桩在桩顶荷载低于桩极限承载力时，桩身压缩量占桩顶沉降的75%以上，而未采用桩端后注浆的试桩桩身压缩量占桩顶沉降的比例远小于采用桩端后注浆的。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）[S].北京：建筑工业出版社，1995.

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

[3]张忠苗等.后注浆抗压桩受力性状的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，第28卷，第3期.

[4]姜欣，徐楷等李宪辉.钻孔灌注桩后注浆技术的分析与应用[J].水利与建筑工程学报，2006，第4卷，第4期.

[5]高飞.上海地区超长后注浆钻孔桩竖向承载力试验研究[J].上海地质，2007，12（2）：45-48.