后注浆技术在某高架桥桩基优化设计中的应用

刘　刚，曹秋平

（中交铁道设计研究总院有限公司 北京市 100088）

后注浆技术在某高架桥桩基优化设计中的应用

刘刚，曹秋平

（中交铁道设计研究总院有限公司 北京市 100088）

针对某高架桥施工过程中的桩基成孔困难、突遇洪水浸泡引起孔口地面塌陷等问题，从地质角度查找了形成原因。为了解决施工中遇到的问题，采用后注浆技术对桩基进行了优化设计，使桩端和桩周的部分土体得到了加固，并依据地质情况，缩减了部分桩长。经静载试验与通车后观测表明，灌注桩后注浆技术取得了良好的效果。

灌注桩；后注浆技术；优化设计

自上世纪80年代以来，在道路桥梁、高层建筑等工程中，泥浆护壁钻孔灌注桩得到了广泛的应用。但是这种成桩工艺自身也带有先天的不足，比如桩周土受扰动变得松弛、桩周泥皮较厚、桩端沉渣不易控制等问题。灌注桩后注浆就是针对成桩工艺的先天缺点，而发展出来的一种技术，其可以改变桩土界面性质，提高桩基承载能力，减小桩基沉降。这不仅为缩减桩基工程量、降低基础造价增加了一种选择；也为解决成孔困难、或孔壁大范围松弛坍塌等问题，提供了一条思路。该技术目前已应用于全国二十多个省市的数以千计的桩基工程中［1］，具有广阔的发展前景。

1　工程特点

谷峪沟位于山西省五台县西部低中山区，是一条发育规模较大的近“V”字型黄土冲沟，走向为东—北东，沟谷狭窄，植被发育，两侧岸坡较陡，相对高差约为80m，沟谷的汇水面积较大，勘察期间沟内无地表径流。年平均降雨量为535.6mm，最大降水量约757.7mm，最小降水量约239.2mm。

谷峪沟4#高架桥沿沟展布，桥长约980m，共计29排墩，是山西某高速公路的重点控制性工程之一。桥址区地层主要为：第四系全新统冲、洪积粉质黏土，含砂量较高，厚约4.5～6.0m；第四系上更新统风积黄土，局部地段为Ⅱ级湿陷性黄土，层厚变化较大，约为2.0～12.3m；第四系中更新统冲、洪积粉质黏土，本层为桥址区的主要地层，层厚较大，夹含范围较广的透镜体状砾石层，局部层厚较大；下伏基岩主要为早元古界滹沱群白云岩、千枚岩。基础设计为端承摩擦桩，平均桩长约为50m。

2　桩基施工中的问题与地质分析

桩基施工自春节后开始进场，为了尽可能好地保护周边生态环境，减小对地表植被的破坏，根据前期基础资料，施工工艺首先选用人工挖孔。

在人工挖孔过程中，发现地下水较勘察期丰富，虽然采取了人工降水措施，但是饱和的粉质黏土层含沙量较高，抗剪强度较低，多呈软塑状，孔壁易发生坍塌，甚至出现流动性淤泥质土。后改进护壁施做方法，将每节护壁的高度减小到30～50cm，并随挖、随验、随灌注混凝土，及时封闭，可是由于流动性淤泥层厚较大，效果并不理想，仍无法挖至设计标高，人工挖孔成孔困难，且具有较大的安全隐患。

将桩孔部分回填后，采用冲击、旋挖等方式成孔。冲击钻成孔速度较慢，待钻进深度超过冲击钻高度加一倍正常冲程后［7］，若改用正常冲击速度钻进，存在湿陷性黄土较易塌孔、扩孔现象严重等问题，调整泥浆比重后，也不能有效解决；若以较低冲击速度钻进，塌孔问题虽有缓解，却会产生较厚的泥皮，不利于桩基侧摩阻力的发挥；但是冲击钻可以有效穿透砾石层。旋挖钻进速度较快，但是湿陷性黄土层提钻时，由于活塞效应而产生“负压”，导致孔壁扰动较大，易产生缩径或塌孔（92#墩6#桩曾因塌孔严重，致使钻挖钻头被埋），后多次调整提钻速度和泥浆比重后，情况略有缓解，但是在遇到砾石层时，进尺较为缓慢。

在桩基施工期间，一周之内经历两次大暴雨，导致谷峪沟内洪水暴涨，冲毁淹没部分工地，导致现场施工一度停滞。其中80#～89#墩位均被洪水冲淹与浸泡，已经开挖桩孔的孔口地面，都有不同程度塌陷，最大塌陷深度近7m。在洪水浸泡的作用下，孔内泥浆比重受到稀释，并且孔壁含砂量较高的粉质黏土和湿陷性黄土，均呈饱和状态，土层重度增加，土质软化导致桩孔壁坍塌，引起孔口地面产生塌陷。由此可见，桩周土层的原有状态被破坏，土层的物理力学指标都发生了较大的改变。

3　设计方案优化

3.1后注浆处理机理

灌注桩后注浆技术是指在桩身混凝土强度达到设计要求后，利用注浆设备将水泥浆等能够固化的浆液，通过预置于桩身的管路，压入桩端或桩周的土层中，通过浆液的渗透、填充、劈裂、挤密等物理或化学形式的作用［4］，固化桩身泥皮及桩底沉渣，并加固桩端、桩周一定范围内的土体，从而提高桩基承载力。可见，针对桩周土层松弛、坍塌及沉渣过厚引起的承载力降低等问题，后注浆技术可以给予有效的改善。

3.2计算公式

后注浆单桩轴向受压承载力容许值计算公式为：

式中：［Ra］为桩端后注浆灌注桩的单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；βsi为第i层土的侧阻力增强系数，在饱和土层中注浆时，仅对桩端以上8.0～12.0m范围的桩侧阻力进行增强修正；在非饱和土层中注浆时，仅对桩端以上4.0～5.0m的桩侧阻力进行增强修正；对于非增强影响范围，βsi=1.0；βp桩端阻力影响系数，依据桩端持力层情况取值［2］。

3.3优化设计

依据桥址区实际地质情况，桩周土层以饱和土层为主，应对桩端以上8.0～12.0m范围的桩侧阻力进行增强，由于桩侧土层以粉质黏土和砂质黄土层为主，土质粒径细小，故桩侧增强范围为自桩端以上12m范围（依据文献［6］中的分析，以及实际注浆过程中发生的地表冒浆等现象，实际加固范围均大于自桩端以上12m）。

依据该桥的地勘报告，并结合现场情况，做出如下优化设计：对于未开挖到砾石层透镜体的桩基，如果砾石层厚度不低于4d（d为设计桩径），则将桩端置于砾石层内，进入砾石层深度为1d，并设计为桩端后注浆；对于不满足上述条件的桩基，把桩端置于强风化岩层中，嵌入深度为0.5m，并设计为桩端后注浆。经过计算，上述设计均能满足原单桩承载力设计要求。对于已经灌注成桩，若孔口地面坍塌严重的桩基，则在承台中心及承台外侧进行钻孔注浆补强，钻孔深度应略大于原桩长［3］。

4　后注浆关键技术要求

（1）浆液水灰比：根据土质渗透性和饱和度等确定水灰比。水灰比大则流动性强，适用于密实度较低、非饱和的土层，起填充作用；水灰比较小则浆液密度大，对沉渣、泥皮以及前期浆液具有脱水、挤密的作用［5］。结合谷峪沟的地质特征，在饱和土层粉质黏土层注浆，水灰比宜控制在0.5～0.7，现场可根据实际注浆流量、注浆压力等因素调整。

（2）注浆压力与终止压力：注浆压力与注浆流量一般成反比，在注浆流量不宜超过75L/min前提下，注浆正常压力一般控制在1.0MPa左右；注浆终止压力根据桩端土层密实程度、岩层的风化程度和注浆点深度确定。对于强风化岩层，注浆压力为3.0～6.0MPa；对于中密～密实的饱和砾石土层，注浆压力宜为1.5～5.0MPa。

（3）间歇注浆：在注浆过程中，当出现地面冒浆、与周围桩孔串浆，或注浆压力长时间低于正常值等任何一种情况时，应适当调低水灰比，采取间歇注浆的方式，间歇时间为30～60min。

（4）注浆量：单桩注浆量的设计值，主要应考虑桩径、桩长、被加固范围内土层的性质等因素，依据经验公式［2］计算，单桩注浆量在2.6～3.5t。

（5）终止注浆条件：注浆过程采用“双控”的方法进行控制［1］，当达到下列条件之一时，可终止注浆：注浆总量与注浆压力均达到设计要求；注浆总量超过设计值的75%，且注浆压力大于终止压力。此外，桩顶面应用千分表予以监控量测，桩顶上抬不得超过3mm［8］。

5　效果验证

多数桩基地表在桩身混凝土强度达到设计要求的条件下，在注浆完成20 d后，选取了代表性桩基进行单桩静载试验，根据荷载—沉降曲线分析，注浆桩承载力均满足设计要求。目前该高速公路已经通车运营近四年，工程质量良好。

6　结语

（1）泥浆护壁成桩工法所带来的较厚沉渣、泥皮和孔壁应力松弛，是影响灌注桩承载力发挥的重要原因。灌注桩后注浆，浆液通过渗透、填充、劈裂、挤密等作用，可以加固桩端和桩周附近一定范围内的土体，提高桩基承载力、减小沉降。

（2）在遇到桩基成孔困难或孔壁大范围松弛坍塌等情况，严重影响工程质量时，可考虑采用后注浆技术，依据具体地质资料，合理优化桩基设计。

（3）后注浆技术理论研究充分，关键技术参数、施工工艺及注浆设备都较为简单，现场操作便于控制，注浆效果明显，具有很大的推广潜力。

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

［2］ 中华人民共和国交通部.JTGD63-2007公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ79-2012建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［4］ 龚维明，张浩文.桩端后压浆技术在卵石层中的应用研究［J］.中外公路，2008（1）：60-63.

［5］ 夏群.超高层建筑中钻孔灌注桩后注浆技术分析及其应用［J］.工程勘察，2012（11）：37-43.

［6］ 刘伟伟，巢斯.钻孔灌注桩后注浆的分析和探讨［J］.结构工程师，2010，26（6）：84-88.

［7］ 段士清.圆砾夹层地层条件下钻孔灌注桩成桩工艺［J］.山西建筑，2011，37（11）：65-66.

［8］ 戴国亮，龚维明.超长钻孔灌注桩桩端后压浆效果检测［J］.岩土力学，2006，27（5）：849-852.

Application of Post Grouting Technique in Optimization Design of a Viaduct Pile Foundation

LIU Gang，CAO Qiu-ping
（CCCC Railway Consultants Group Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

In this thesis，geological reasons of the difficulty in the process of boring and the subsidence caused by sudden flood are analyzed.In order to solve the problems encountered in construction，post grouting technique is used for optimization design to bring about the strengthening of some soil at the bottom and around the pile，and according to the geological conditions，some piles are shortened.The static loading test and the measurement after open traffic show that the post grouting technique has obtained the good effect.

Bored pile；Post grouting technique；Optimization design

U443.15

B

1673-6052（2016）03-0008-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.003