灌注桩后注浆技术在城市高架桥工程中的应用

詹俊华，李选栋

（郑州市市政工程勘测设计研究院，河南郑州　450052）

灌注桩后注浆技术在城市高架桥工程中的应用

詹俊华，李选栋

（郑州市市政工程勘测设计研究院，河南郑州450052）

通过对钻孔灌注桩后注浆技术作用机理研究分析，介绍一种可靠的后注浆装置、工艺参数和工艺流程在工程实例中的应用。以郑州市三环快速化工程为实例，分析探讨了应用该技术所取得的效益。

钻孔灌注桩；后注浆；桩端承载力；桩侧摩阻力

0　引言

近年来我国城市高架桥发展迅速，基础形式一般采取灌注桩基础，单桩承载力要求较高，为了满足设计要求，大都采用群桩基础，且桩长、桩径尺寸都比较大，使得基础部分在整个工程总造价中所占比重较大，同时由于桩长很长，给施工造成很大的困难。如何提高钻孔灌注桩的承载力，降低施工难度，提高经济效益是工程中迫切需要解决的课题。

1　灌注桩后注浆技术作用机理

灌注桩后注浆技术主要是针对解决钻孔灌注桩施工中存在因孔底沉渣难以处理干净而降低端阻及因泥浆护壁而降低侧摩阻的缺点。灌注桩后注浆技术提高桩承载力，减少桩沉降量的作用机理如下：

（1）充填胶结效应。在桩底为卵、砾、砂等粗粒土实现渗入注浆条件下，土体孔隙被高压浆液充填、散粒被胶结，土体强度和变形模量大幅度提高。

（2）加筋效应。在桩底为黏性土、粉土、粉细砂等细粒土实现劈裂注浆条件下，细粒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形状由于网状结构的制约和强化作用而大为改善，从而提高总侧阻力和总端阻力。

（3）固化效应。桩底沉渣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。

（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；当被加固体位于桩侧时，总侧阻力因桩身扩径效应而显著增大［1］。

（5）桩身上抬效应。在桩端进行压力注浆时，当桩端的渗透能力受到限制，形成的梨形体内的浆液压力不断升高，在高压液体的作用下，将给桩端面施加向上的反向预应力，能使桩身微微上抬，产生上抬效应。当钻孔灌注桩承受向下的竖向荷载时，此反向应力将承担部分荷载，且桩底注浆可以使桩上抬而产生反向摩阻力，相似于“预应力”原理，提高侧阻力，减少沉降量［2］。

总之，桩基后注浆作用机理可概括为填充胶结效应、加筋效应、固化效应、扩底效应和桩身上抬效应。

2　影响后注浆灌注桩承载力的因素

影响后压浆灌注桩承载力的因素十分复杂，这是由钻孔灌注后压浆桩的特点所决定的。这些因素大体可分为两个方面：一是注浆施工因素，包括浆液的类型、注浆量、注浆压力等；二是桩身的因素，包括桩端土性、桩长、桩径和桩身质量等。

3　灌注桩后注浆施工工艺介绍

3.1工程概况

郑州市三环线全长44 km，其中高架桥段长约32.5 km。三环线高架采用的基础形式为大直径灌注桩（桩径有1.0 m、1.2 m、1.5 m和1.8 m四种形式），估算桩基工程造价约18亿元。

地质条件：上部为第四纪粉土、粉质黏土层，下部为第三纪粉土、粉质黏土层，地下40～50 m有不均匀的胶结层。

3.2施工流程

成孔→注浆管阀制作安装→预埋注浆管下钢筋笼→清孔→桩身混凝土浇注→注浆管开塞→拌制水泥浆→注浆设备安装，注入浆液→观测注浆压力和注浆量稳定注浆→设备拆除［3］。图1为施工流程图。

图1　施工流程图

3.3灌注桩清孔要求

灌注桩清孔应根据单桩承载力设计时桩侧阻力、桩端阻力的增强系数取值，桩长、长径比、土层情况等因素确定沉渣厚度，当增强系数取值较大时，沉渣厚度应取小值。

试桩应严格按照相关规范进行二次清孔，二次清孔在下完导管后进行，二次清孔采用气举反循环或泵吸反循环，二次清孔后的孔底沉渣厚度小于100 mm，二次清孔完成后，立即灌注水下混凝土。

3.4注浆装置制作及安装

注浆装置的制作与安装应根据是否共用声测管、桩侧注浆位置、钢筋笼制作工艺、注浆开塞时间等情况，选择合适的注浆装置、制作和安装工艺。

对桩端注浆，应利用声测管作底注浆管，声测管布置3根，呈等边三角形，声测管为Φ50钢管，顶端高出地面500 mm，并用堵头封严，防止泥浆等杂物进入。超声波检测后进行桩端注浆。3根Φ50钢管绑扎布置在钢筋笼内侧，随钢筋笼一起下入孔底。选取两根声测管做注浆管，2根注浆管下部分别用三通联接1根内径φ25带钢丝的柔性高压塑料管，注浆喷头管绕桩身环形布置，注浆喷头管的外侧打孔后缠防水塑料带密封。2根中1根作为备用管，主注浆管出现意外注浆失败时启用。图2为桩端注浆管端头构造图。

图2　桩端注浆管端头构造图

对桩侧注浆桩长45 m及以上的设置3道侧注浆阀，桩长45 m以下的设置2道，按照以下原则布设侧注浆阀：最下面一道距离桩底12～18 m，最上面一道距离桩顶8～15 m，每道侧注浆阀竖向间距为12 m。每道注浆阀对应一根注浆钢管，注浆管采用DN25钢管，钢管绑扎布置在钢筋笼外侧，随钢筋笼一起下孔，注浆管端部用三通联接注浆喷管，注浆喷管为1根内径φ25带钢丝的柔性高压塑料管，绕桩身环形布置，沿钢筋笼外侧布置，在喷头管的外侧打孔后缠塑料带密封。图3为桩侧注浆管端头构造图。

3.5开塞

灌注桩后注浆施工中，采用桩底不填碎石方案、开塞时间提前的措施。开塞在混凝土浇注后12～24 h进行，开塞后用清水冲洗注浆管道，直至溢出清水，然后用堵头重新封闭压浆管。

图3　桩侧注浆管端头构造图

3.6后压浆施工时间

考虑注浆量和注浆的效果，后注浆施工时间原则上越早越好，但需考虑以下几个因素：

（1）由于共用声测管进行桩底注浆，注浆时间应当考虑灌注桩声测时间，超声波检测混凝土质量需要混凝土具备一定的强度，时间一般不应小于3 d。

（2）混凝土强度应能满足注浆压力要求，不至于因注浆压力造成桩身混凝土损坏。根据目前注浆设备情况，一般注浆泵工作压力不大于10 MPa，因此，注浆施工时要求桩身混凝土强度等级不小于15 MPa。

该工程在成桩3～7 d后开始注浆，先侧注浆，后桩底注浆，多断面桩侧注浆顺序为先上后下，先外围后中间，桩侧注浆和桩底注浆时间间隔3～6 h。

3.7注浆量（水泥用量）及注浆压力

注浆量按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）第6.7.4条、《公路与桥涵工程地基基础设计规范》（JTG D63—2007）第5.3.6条计算确定，单桩注浆量估算［4］：

对群桩初始注浆的数根基桩的注浆量应按上述估算值乘以1.2的系数。

该工程注浆压力：桩侧注浆压力2～2.5 MPa，桩底注浆压力2～4 MPa；注浆流量：75 L/min。

当满足下列条件之一时可终止注浆：

（1）注浆总量和注浆压力均达到设计要求；

（2）对每一道注浆来说，注浆量达到设计值，但注浆压力没有达到设计值，此时改为间歇注浆，再注设计值的30%水泥浆为止；

（3）对每一道注浆来说，注浆压力达到设计值并在持荷5 min后，注浆量少于设计值，此时保证注浆量不低于设计值的80%即可。

3.8注浆浆液制备

水泥浆注浆材料应根据土层情况、地下水条件、土的渗透系数、水泥土强度要求等因素确定。

该工程配制注浆浆液采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，水泥要求新鲜、不结块，并按有关规定批次送检，合格后方可使用。浆液水灰比取0.55～0.6，搅拌时间不少于3 min，浆液用3 mm×3 mm的滤网进行过滤，浆液采用纯水泥浆。

3.9正常注浆与注浆失败

（1）正常注浆过程中经常出现的情况：

a.压力逐渐上升，但达不到设计要求的压力，这可能是浆液在黏土中形成脉状劈裂渗透，或浆液浓度低、凝胶时间长，或部分浆液逸出。

b.压浆开始后压力不上升，甚至离开初始压力值呈下降趋势，这可能是浆液外逸。

c.压力上升后突然下降，这可能是浆液从注浆管周围溢走，或注速过大，扰动土层，或遇到空隙薄弱部位。

d.压力上升很快，而速度上不去，表明土层密实或凝胶时间过短。

e.压力有规律上升，即使达到容许压力，压浆速度也很正常（变化不大），这表明压浆是成功的。

f.压力上升后又下降，而后再度上升，并达到预定的要求值，可以认为是空隙部位已被浆液填满，这种情况也是成功的。

（2）注浆失败

由于施工操作不当（如注浆单向阀门反向安装）或土层本身性质导致注浆孔堵塞，引起后注浆施工中预置的两根注浆管全部失效，导致设计的浆液不能注入，或管路虽通但实际注浆量达不到50%，且注浆压力达不到终止压力，视为注浆失败。

（3）注浆失败的处理

a.出现注浆压力长时间低于正常值，或地面出现冒浆时改为间歇注浆，间歇时间为30～60 min，或调低水灰比。

b.在桩侧重置注浆孔通过埋设的注浆管补充注浆，注浆量与注浆压力宜超出正常注浆设计值的30%～50%。

c.桩端注浆失败时，采用抽芯方法埋设注浆花管补充注浆，注浆花管应采用单向阀装置，注浆压力宜超出正常注浆设计值的30%。

3.10质量检验与控制要求

（1）应根据工程地质勘察报告、设计文件等编制后注浆施工组织设计方案，注浆施工前应对操作工人进行详细的技术交底。

（2）后注浆正式施工前应提供水泥材料质检报告、注浆泵压力表检定证书、试注浆记录、设计工艺参数、后注浆作业施工方案、特殊情况处置预案等。

（3）施工过程中对注浆装置制作、安装质量应进行检查验收，对开塞、水泥浆制配、注浆过程、注浆失败的处理过程应进行旁站监理，并对水泥用量、水灰比、注浆压力等关键参数及时记录签证。

3.11桩基实验结果

该工程试验桩基以桩长45 m，桩径1.2 m为例，通过后注浆施工后，经过静载试验，单桩竖向极限承载力达到18 000 kN，相比未注浆桩基承载力提高了约30%。在同等单桩设计承载力条件下，根据地质条件，桩长、桩径及持力层选择均可优化［5］。实践证明，该工程使用后注浆工艺，桩基础节约了20%。

4　结论

灌注桩后注浆技术可以大幅度提高桩承载力，减少桩的沉降，在工程应用上可获得很大的经济效益和社会效益。特别是在下列条件下应优先推荐采用灌注桩后注浆技术：

（1）对变形比较敏感的结构，在同等承载力条件下可到大大减小桩基的沉降量；

（2）地质条件不是很好，有较大承载力能力的持力层较深，采用摩擦桩桩长过长，而使基础工程费用在整个工程中所占比例较大；

（3）底层下分布较多不规则的钙质胶结层，采用后注浆技术能减小桩长，避免桩基穿过钙质胶结层，降低施工难度。

［1］刘金砺，祝经成.泥浆护壁钻孔灌注桩后注浆技术及应用［J］.建筑科学，1996（2）：13-18.

［2］张忠苗.灌注桩后注浆技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［3］陈立新，苏斌，杨宗耀.灌注桩桩基后注浆施工工法［J］.岩土工程技术，2010（1）:51-54.

［4］JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［5］周同和，李民生，郑华民，等.郑州市三环快速化工程后注浆灌注桩承载力荷载试验报告［R］.郑州：化工部（郑州）基础工程研究检测中心，郑州大学综合设计研究院有限公司，2014.

U445.55+1

B

1009-7716（2016）01-0121-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.035

2016-09-01

詹俊华（1981-），男，河南商水人，硕士，工程师，从事桥梁设计工作。