灌注桩复式注浆技术对单桩承载力的影响

周杰刚 周 洋 罗亚明 易 钊 刘 玮 陶云兵

中建三局集团有限公司工程总承包公司 湖北 武汉 430064

1 钻孔灌注桩后注浆原理和施工工艺

1.1 复式注浆原理

复式注浆基本原理指预先埋设于灌注桩桩身内的注浆管和桩端桩侧注浆阀，在成桩一定时间后，向注浆导管和注浆阀内注入水泥浆，使桩端、桩侧土体，包括沉渣和泥皮得到加固，从而提高单桩承载力，减小沉降[1-2]。

桩基后注浆分为桩底注浆、桩侧注浆和桩端桩侧复式注浆，可根据地层性质、桩长、承载力增幅等因素选用（图1）。

图1 复式注浆增强机理

背景工程选用桩端桩侧复式注浆，属于劈裂注浆与渗透注浆相结合。劈裂注浆，即注入的高压浆体克服土体主应力面上的初始压应力，使土体劈裂破坏，浆体沿劈裂缝隙渗入土体填充空隙，并挤密桩侧土，促使土体固结从而提高注浆区的土体强度。

桩端注浆区，浆液首先在桩底沉渣区劈裂和渗透，使沉渣及桩端附近土体密实，产生“扩底”效应，使端承力提高；桩侧注浆区，该部位也同样出现“扩径”效应。

1.2 施工工艺

1.2.1 工艺流程

目前国内主流工艺为采用单向截流阀作为出浆口，将注浆管固定在钢筋笼上，出浆口（单向截流阀）压入桩底土中30～50 cm，在进行桩身混凝土浇筑时浆液不会灌入阀内，注浆时浆液也不会回流，注浆成功率可达97%以上，且压力相对稳定，注浆效果显著。工艺流程如下：绑定注浆管及单向阀→焊接测试元件→桩成孔→安放钢筋笼→灌注混凝土→清水开塞→压力后注浆。

1.2.2 注浆参数

1）浆液的水灰比应根据土的饱和度，渗透性确定，对于饱和土，水灰比宜为0.45～0.65；对于非饱和土，水灰比宜为0.7～0.9。

2）注浆终止标准采用注浆量与注浆压力双控的原则，以注浆量（水泥用量）控制为主，注浆压力控制为辅；当注浆量达到设计要求时，可终止注浆；当注浆压力大于4 MPa并持荷3 min，且注浆量达到要求的80%时，也可终止注浆。否则，需采取补救措施。

2 背景工程简介

某高层群体住宅项目桩基工程位于南昌市红谷滩新区九龙湖片，毗邻赣江，属于滨江深厚软土地带，地质条件如下：耕植土，呈饱和流塑状，厚度2.6 m；粉质黏土，以黏粒为主，韧性及干强度中等，可塑～硬塑，厚度3.2 m；圆砾土，颗粒成分为硅质岩，以粉质黏土充填为主，饱和、稍密，厚度1.2 m；粉质黏土，硬塑，厚度4.5 m；泥质粉砂岩，粉砂质结构，层状构造，根据风化程度分为强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，局部夹杂有砾石、卵石层。

设计桩长12～18 m，摩擦端承桩，由于有效桩长较短，桩周土摩阻力较低，桩端土的承载力也较低，设计为了保险起见，桩基采用桩端桩侧复式注浆技术提高其单桩承载力，控制高层建筑的沉降。

3 单桩承载力试验与理论分析

3.1 沉降量与荷载关系

本文选取4种桩基设计情况进行静载荷试验：持力层为粉质黏土的桩Z1，未采用后注浆技术；持力层为粉质黏土的桩Z2，采用后注浆技术；持力层为中风化泥质粉砂岩的桩Z3，未采用后注浆技术；持力层为中风化泥质粉砂岩的桩Z4，采用后注浆技术。

以上4种设计情况下，桩径均为1 000 mm，有效桩长为18 m，设计单桩承载力特征值为5 400 kN，其他设计参数均一致。

通过慢速维持荷载法，采用逐级等量加载，得出Q-s曲线和s-lgQ曲线（图2～图5），观察沉降随荷载变化的特征可确定单桩竖向极限承载力情况。

图2 Z1荷载Q与沉降量s关系曲线

图3 Z2荷载Q与沉降量s关系曲线

图4 Z3荷载Q与沉降量s关系曲线

图5 Z4荷载Q与沉降量s关系曲线

根据图2～图5可得出，Z1最大沉降量为29.83 mm，最大回弹量为2.38 mm，回弹率为8.0%；Z2最大沉降量为5.67 mm，最大回弹量为2.27 mm，回弹率为40.0%；Z3最大沉降量为6.22 mm，最大回弹量为1.32 mm，回弹率为21.2%；Z4最大沉降量为6.75 mm，最大回弹量为1.59 mm，回弹率为23.6%。

可见，桩端持力层为粉质黏土的桩基是否采用后注浆，其沉降量区别较大，但桩端持力层为中风化泥质粉砂岩的桩基，可不必采用后注浆工艺，其沉降量本身较小，且是否注浆区别不明显。

3.2 单桩极限承载力增幅理论

后注浆灌注桩的单桩极限承载力，通过静载试验确定，其后注浆单桩极限承载力标准值可按式（1）进行估算：

式中：u——桩身周长；

lj——后注浆非竖向增强段第j层土厚度；

lgi——后注浆竖向增强段内第i层土厚度；

qsik、qsjk、qpk——分别为后注浆竖向增强段第i土层初始极限侧阻力标准值、非竖向增强段第j土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值；

Qsk——后注浆非竖向增强段的总极限侧阻力标准值；

Qgsk——后注浆竖向增强段的总极限侧阻力标准值；

Qgpk——后注浆总极限端阻力标准值；

Ap——桩端面积；

βsi——后注浆侧阻力增强系数；

βp——后注浆端阻力增强系数。

通过大量静载试验，针对桩基持力层为粉质黏土、粉砂、砾石卵石这3种情况，进行复式注浆前后对比，得出的后注浆侧阻力增强系数βsi和端阻力增强系数βp如表1所示。

表1 后注浆侧阻力增强系数βs i、端阻力增强系数βp

通过观察岩层浆体分布，可发现，浆液主要分布在桩底和桩侧被扰动的土层中，当注浆压力较大时，可沿小主应力面或某个薄弱面向外劈裂或渗透，形成的片状劈裂体上面大下面小。结合理论与实际，可发现，持力层为砾石卵石的复式注浆单桩极限承载力增幅最大，粉砂和粉质黏土次之，颗粒越粗，浆液扩散越趋近理想模式，复式注浆效果越好，其承载力增幅可达到20%～80%。

4 结语

大量桩基静载试验表明，针对持力层为粉质黏土层、粉砂层或砾石卵石层，采用桩基复式注浆技术可较大幅度增强单桩竖向极限承载力，其中卵石砾石持力层增幅效果最明显。而对于持力层为中风化或微风化泥质粉砂岩，其后注浆基岩劈裂效果较差，浆液扩散不规则，持力层本身抗压极限承载力较高，可不必采取后注浆施工工艺。同时，施工过程中，桩底沉渣过厚不但降低桩端极限端承力，而且会降低桩侧极限摩阻力，采用复式注浆通过渗透、压密、劈裂等方式，可弥补施工过程中部分缺陷，对保障单桩承载力和减少群桩不均匀沉降效果明显。