后注浆技术在南水北调中线工程基桩施工中的应用

2017-07-05李书群吴宏军

水利规划与设计 2017年3期

李书群，吴宏军

李书群，吴宏军

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

灌注桩后注浆是一项土体加固技术与桩工技术相结合的桩基辅助方法，可用于各类钻、挖、冲孔灌注桩，分为桩侧后注浆与桩端后压浆2种，在解决土体扰动、桩底沉碴和桩周泥皮降低桩基承载力方面效果好。本文通过南水北调工程某大型渡槽灌注桩专项载荷试验成果，在复杂地质条件下，研究应用灌注桩桩端后压浆技术，并提出施工技术要求，为类似工程提供参考。

灌注桩后注浆；南水北调；施工技术要求

1 工程概况

南水北调中线干线工程布置多座输水渡槽，其中邯邢段共布置大型跨河渡槽5座，单跨跨度30～40m，上部结构重7000～10000 t，上部荷载较大，多采用桩基础，桩径1.3～1.7m。

邯邢段总干渠地处太行山山前倾斜平原与丘陵过渡地带，渡槽工程区上部多为第四系上更新统卵石或泥砾地层，下部为第三系(N1)泥岩、砾岩地层或二叠系泥岩砂岩交互地层，地质条件复杂。

2 后注浆技术加固机理

基桩成孔过程中，易产生土体扰动、桩底沉碴和桩周泥皮过厚问题，严重影响桩基承载力。灌注桩后注浆基于所注浆液的胶结凝固、与之相关的岩土体加密增强及桩基承载力发挥机理改变的加固机理，进而提高桩基承载力。其注浆效应在一次注浆实施过程中相互交织，只有主次之分，无明显界限。浆液在高压作用下对沉碴及桩周土产生劈裂、渗扩、填充、压密、固结等作用，不但使桩端持力层在一定范围内原本松散的碎石、土粒和裂隙胶结成一个高强度的结合体，而且在桩周形成脉状结合体，其效应机理简述如下。

(1)充填胶结效应：岩土体空隙有浆液填充，充填固结后市岩土体强度与刚度大幅度提高。

(2)加筋效应：岩土体中网状浆液填充结石体及注浆劈裂过程中伴生的土体固结与化学硬化，使桩周与桩端岩复合土体能有效的传递与分担荷载，进而提高总侧阻力与总端阻力。

(3)固化效应：注浆液和桩周泥皮与桩底沉渣发生物理化学作用而固结，能提高端阻力与侧阻力，并起到一定的扩径与扩底作用。

(4)压密效应：桩侧与桩端土体不同程度压密，特别是桩端压密，使桩端阻力提前发挥，提高承载力。

总之，桩基后压浆可以改善持力层条件、提高桩周侧摩阻力，从而提高桩基承载力。

3 桩底压浆专项试验

为确定渡槽桩基受力特性，工程实施前，在现场场区外相似地层条件位置，进行了3根试验桩专项载荷试验，以确定桩基技术参数。

3.1 专项试验设计

根据现场情况，试验位置选择接近渡槽跨中开阔区域，在渡槽轴线东、中、西间隔10m布置了3根(S1、S2、S3)试验桩，进行载荷试验，以便获得桩的极限侧摩阻力及验证桩端后压浆效果，确定桩基设计参数。试验方案如下：

(1)根据现场试验条件和先导孔成果，试验桩桩径采用1500mm，混凝土强度等级C25，桩长32m。

(2)造孔应采用膨润土制备泥浆，按规范要求清孔。为保证试验中桩能发生滑移，在混凝土浇筑前桩底沉入不小于30cm厚褥垫层。

(3)桩内布置3根灌浆管(兼作声测管)至桩底，并在管底设置橡皮堵头，混凝土浇筑初凝后应进行疏通，保证灌浆得以进行。

(4)试验桩预定最大加载量22000kN。试验分2个阶段进行，第一阶段为获得桩的极限侧摩阻力，试验应加载至桩体滑移破坏，然后卸载，检测试验桩在不注浆条件下的极限侧摩阻力。第二阶段为验证压浆效果，将桩底褥垫层冲洗干净，之后进行高压灌浆，待注入浆体达到设计强度后，进行第二次加载至破坏或试验最大加载量。

(5)在试验桩桩身设置钢筋计，桩底设置土压力计，确定分层土的极限侧摩阻力、桩端承载力。钢筋计布设在地层岩性变化位置(包括基岩风化界面)及桩顶、桩底(较厚的单一岩性土(岩)层内也应设置钢筋计)，每个观测断面沿120°设置钢筋计3只，与竖向钢筋同径，钢筋计和土压力计观测应与加载过程的沉降观测同步进行。根据先导孔成果，S1试验桩共布设10个钢筋计断面，S2、S3试验桩均布设9个钢筋计断面，每根试验桩底部布设3个土压力盒。

3.2 试验成果

2011年11～12月完成了试验桩单桩竖向抗压静载荷试验，第一、二阶段静载荷试验S-Q曲线如图1、2所示，成果汇总见表1。

表1 第一阶段、第二阶段静载荷试验结果汇总

图1 第一阶段静载荷试验s-Q曲线

由S1试验桩第一、二阶段轴力汇总表中归一断面与V9断面轴力之差得到各分级荷载下的总侧摩阻力及其平均值，如图3-4所示。

由S1试验桩第一、二阶段所测得土压力盒应力数据计算出各阶段每级荷载下的桩端阻力，如图5-6所示。

图2 第二阶段静载荷试验s-Q曲线

通过以上图表对比，S1试验桩第一阶段试验情况下，2者之和与分级荷载不大相同，但第二阶段试验2者之和与各分级荷载基本保持一致，偏差不大，这验证了本次试验计算侧摩阻用的钢筋计数据合理。

土压力盒数据作为钢筋计数据验证，验证结果与钢筋计反映规律基本一致。

图3 S1试验桩第一阶段静载荷试验钢筋计折算分析

图4 S1试验桩第二阶段静载荷试验钢筋计折算分析

图5 S1试验桩第一阶段静载荷试验土压力盒分析曲线

3.3 桩基设计参数

参考《公路桥涵地基与基础设计规范》选取桩侧土的摩阻力标准值：壤土层40kPa，卵石层160kPa，风化岩层80kPa。试验桩成果揭示：压浆前卵石层各组钢筋计分层桩周极限侧摩阻力17.57～128.35kPa，建议值47kPa；风化岩层各组钢筋计分层桩周极限侧摩阻力9.74～113.44kPa，建议值32kPa。压浆后，卵石层各组钢筋计分层桩周极限侧摩阻力16.81～172.69kPa，建议值87kPa，是压浆前的1.85倍；风化岩层各组钢筋计分层桩周极限侧摩阻力16.52～209.18kPa，建议值88kPa，是压浆前的2.75倍。

图6 S1试验桩第二阶段静载荷试验土压力盒分析曲线

4 灌注桩桩端后压浆设计

根据专项试验取得桩基土层参数，按照普通灌注桩设计，桩径不变，桩长需加长到100～120m，不仅施工难度大、施工周期长、投资较高，而且泥皮厚度与沉渣的不利影响加剧；按照桩端后压浆桩基设计，桩长仅需51.5～54.5m，投资较小，按试验施工工艺实施更可靠。

经综合分析，采取桩端后压浆方案提高桩基承载力，四座槽墩桩基布置如下：A#槽墩承台底高程67.50m，B#～D#承台底高程64.50m，承台长28.6m，宽7.6m，厚2.5m。承台下设两排直径1.7m灌注桩与承台固接，每排7根，桩距、排距均4.2m。桩长51.5～54.5m，相应桩底高程10.0～16.0m，逐桩均布3个灌浆管，兼做声测管。

4.1 桩基承载力计算

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》附录N计算，摩擦桩后压浆单桩轴向受压承载力设计值计算式为：式中，［Ra］—桩端后压浆后单桩轴向受压容许承载力，kN；βsi—第i层土侧阻力增强系数，根据泥岩(砂岩)的地层条件、现场灌浆差异较大的情况和S1、S2、S3试验桩静载荷试验成果专家咨询意见和可灌性条件，取1.4，按照规范对桩端以上8m范围进行增强修正；βp—端阻力增强系数，根据造孔工艺、泥岩、砂岩的地层差异和弱～中等透水特点，选用1.7；单桩最大竖向承载力允许值13092～13217kN，考虑地震工况地基容许承载力调整系数后，满足规范要求。

4.2 灌浆压力

抗拨q′su为桩承压摩擦力qsu乘ξ后可得到，所需最大灌浆压力Pmax为：

式中，Pmax—最大灌浆压力，kN；G—为桩自重，kN；A—桩端截面积，m2。

计算允许最大灌浆压力6.95～7.73MPa，根据强风化～弱风化的岩层条件，选择灌浆压力5MPa。

4.3 估算灌浆量

桩端置于强风化岩或中风化岩中的大直径桩，压力灌浆时难以扩径，灌浆目的以加固桩端沉渣或桩端岩层中裂隙为主。在桩底形成灌浆体的直径1.70m需注入纯水泥浆液3.5 t，水灰比w/c=0.8。考虑到灌浆损失，注入纯水泥量Gc=αp×d=2.5× 1.8=4.5t。

5 灌注桩后注浆施工

5.1 主要施工技术要求

(1)加强钻孔灌注桩成桩控制要求。钻孔灌注桩应严格按照试验工艺进行施工，成孔泥浆指标应通过试验选定，并设置泥浆循环净化系统，严格控制泥浆比重、粘度及胶体率等指标。为减少卵石层成孔固壁影响，桩基成孔应在基坑开挖形成作业面(钢筋笼顶面+护筒高度)后进行，改善成桩条件。

(2)后压浆施工技术要求。桩端后压浆单桩布置3根灌浆管兼做声测管，深入桩底，采用3个回路均匀同步灌浆；压浆前，通过压水试验认知桩底可灌性并疏通灌浆通道；浆液采用净水泥浆，水泥强度等级不低于42.5，水胶比0.5∶1～1∶1，浓度应由稀到浓，逐级变换调整；单桩压浆量4.5t，桩底最大灌浆压力5.0MPa，持续注浆压力可采用2～ 3MPa，确保慢速、低压、低流量注浆。

5.2 施工控制

桩基后压浆施工过程应符合下列规定。

(1)桩底后压浆在桩身混凝土超声波检测结束后进行，压浆前，应先将孔底进行疏通，确保浆液注入桩端地层。

(2)桩基压浆时，同一根桩中的全部压浆孔应同时均匀压入水泥浆，并随时监测桩顶的位移和桩周土层的变化情况。压浆终止时间应根据压浆量、压浆压力和孔口返浆等因素确定。在压浆10m范围内不进行其它钻孔桩的施工。

(3)桩基后压浆的终止条件灌浆采取压浆量与压力双控，以压浆量控制为主，压力控制为辅。当压浆量达到设计压浆量或压浆压力达到控制压力，并持荷5m in注入率小于1L/m in，可停止灌浆。

(4)压浆分3次进行，且依次按总压浆量的40%、40%、20%循环压入，压水试验后应立即进行第一序灌注稀浆，初始注浆压力可采用1MPa，水灰比可采用1∶1，第二序采用中等浓度水泥浆，水灰比采用0.7∶1，第三序采用0.5∶1浓浆液压入，个别桩基据压水试验现场进行了调整，确保了桩底浆液密实。

(5)若注浆量超过初定压浆量较多，注浆压力长时间低于稳定灌浆压力，或发生桩周冒浆、周围桩孔串浆，可加入水玻璃速等速凝材料调低水灰比采用间歇灌浆，间歇间隔30～60min；或将该注浆管用清水或压力水冲洗干净，等到原来压入的水泥浆液终凝固化、堵塞冒浆、串浆的孔道后再重新注浆。

按照以上控制要求灌注桩压浆成果如图8所示。