微型钢管注浆桩在栈桥工程上的应用

随着我国城市化进程的加快，越来越多的建设项目需要在空间狭小、地质结构复杂的场地进行。这些项目的基础施工往往会面临一个两难的局面，采用大直径桩难以满足狭窄的施工条件，采用小直径桩又难以满足上部构筑物的承载力要求。这种情况下，微型钢管注浆桩作为一种小径高强的桩型，在施工工艺和承载力两方面得到了较好的平衡。

微型钢管注浆桩一般是指桩径≯300 mm的钢管桩，与普通钢筋混凝土灌注桩类似，采用小型钻机成孔，用钢管代替普通钢筋笼并在钢管内进行压力注浆，最终达到水泥砂浆完全包裹住钢管的效果。目前在全世界范围内，微型钢管注浆桩应用的案例并不多，尚处于实践引导理论发展的阶段，在国内还没有出台专门的设计标准和施工规范[1]；但是由于这种桩具有桩径小、穿透力强、横截面单位面积承载能力高、施工方便等优点，目前在施工场地狭窄、地质结构复杂的工程中，往往成为唯一的选择。

微型钢管注浆桩在桥梁基础上的应用，已有一些相关的案例[2～4]。本文以广东省某河边景观栈桥工程为背景，介绍了微型钢管注浆桩在广东粤北地区的应用情况，重点是在介绍设计方案的基础上，对在河道中施工的技术要点及注意事项进行分析归纳，旨在为今后类似工程提供参考和借鉴，促进这种桩基型式在国内的应用。

1 工程概况

广东省粤北某市江边北岸的明代古城墙是历史文化遗产。本工程是在古城墙的外侧做一条长约300 m、宽3～5 m的栈桥，建成后可以作为人行通道和景观观赏平台。

2 工程难点

古城墙的外侧有一条与其平行走向的污水箱涵，距离2 m左右，这就导致大型施工机械无法进场操作，而且考虑到大直径桩基在钻孔时可能会对古城墙造成扰动，严重时可能会引起古城墙的坍塌。经比选，栈桥基础采用了微型钢管注浆桩，直径为220 mm，长约7 m。见图1和图2。

图1 栈桥断面

工程场地地质情况简单，勘探孔揭露地层为第四系人工填土（冲填）层（Qml）及白垩系砂岩（K）。地下水分为上层滞水和基岩裂隙水，江水对钢筋混凝土均有微腐蚀性。见表1。

表1 土层主要力学参数

3 微型钢管注浆桩的设计

3.1 工作原理

微型钢管注浆桩主要由钢管和钢管内外的水泥砂浆组成，两者共同作用，相辅相成。一方面，在荷载作用下，钢管发挥双重作用，纵向受压，钢管能够约束管内的砂浆桩体，在侧向约束和纵向压力下，桩体三向受压，极大提高了砂浆桩体的抗压强度，桩身承载力也相应提高；另一方面，水泥砂浆能够保护钢管免受周围环境腐蚀，延长钢管寿命，同时可以提高桩身摩阻力，增加竖向承载力。两者形成合力，提高了桩身的抗弯刚度，减少了桩身细长导致纵向弯曲失稳的可能性。

微型钢管注浆桩的承载力由两部分组成，分别是桩周土的摩阻力和桩端承载力。桩周摩阻力由钢管外侧的砂浆凝固体与土体摩擦产生，由于砂浆凝固体与钢管之间存在界面粘结力，所以这部分力最终会传递给钢管和钢管内的砂浆；桩端承载力一般是由桩端的基岩提供，由于基岩抗压强度远大于桩周土的摩阻力，所以微型钢管注浆桩的承载力主要由桩端力提供。

3.2 计算内容

在桩基的设计中，所有桩基均需要进行承载力和桩身强度计算。由于目前国内没有针对微型钢管注浆桩专用的规范，文献[1，5]中对这种桩型也没有提及，所以桩基的计算内容均参考混凝土灌注桩和钢管桩来进行。

1）桩身承载力计算

式中：Rk——桩身承载力；

φ——桩身稳定系数，根据桩身屈曲计算长度lc和直径d确定，计算桩身屈曲长度时需要考虑桩顶约束情况、桩身露出地面的自由长度lo、桩身入土长度h、桩侧和桩底的地质条件等因素；

φc——成桩工艺系数，参考文献[1]中关于挤土灌注桩的规定，建议取0.6；

A——钢管截面积；

Ac——钢管内的混凝土截面积。

2）单桩竖向承载力特征值计算

式中：Ra——单桩竖向承载力特征值；

K——安全系数，取2；

Qsk——单桩总侧阻力特征值；

Qpk——单桩总端阻力特征值；

μ——桩身周长；

qsik——桩第i层土的侧阻力特征值；

li——土层厚度；

qpk——极限端阻力特征值；

Ap——桩端面积。

3.3 计算结果

根据平面布置，本工程共需要216根微型钢管桩，桩顶需要能承受≮170 kN的荷载。由于采用了ϕ168 mm×8 mm的无缝钢管，桩身填充材料采用水泥浆高压灌注，水泥浆强度等级为M25，桩身承载力Rk达到了420 kN。工程地质情况良好，地面以下3 m左右即为岩石地基，所以该处桩基按嵌岩桩设计，桩身进入中风化砂岩＞4 m。经验算，单桩竖向承载力也满足要求。

4 微型钢管注浆桩的施工

首先采用地质钻机成孔，孔底一般需要进入中风化或微风化基岩内一定深度，然后在孔内安装钢管，最好采用壁厚≮8 mm的无缝钢管，再用注浆管从桩基底部压注水泥砂浆，使水泥浆从钢管的内外返上来，最终形成钢管水泥浆桩体。

4.1 施工准备

1）测量放线及钻机就位。

2）钢管的加工制作。

3）压力灌浆系统的布设。

4.2 施工步骤

1）成孔。成孔是微型钢管注浆桩施工中难度较大的工序。在施工中可能遇到一些特殊地层，如坚石层、抛石层、砂层等，除需要根据地层情况采用不同的钻头外，往往还需要采用一些特殊的技术措施。

2）钢管安装。需要先对桩孔进行清理，然后分段吊装钢管。钢管长度由现场吊装能力和施工空间确定，一般为2～3 m一节，钢管之间的连接方式有螺纹对接和套管焊接两种。在桩孔口把钢管接驳好后，逐段放入桩孔内，直至触底。

3）压力注浆。进行水泥砂浆的配制，水灰比0.4～0.45，水泥浆强度在20 MPa以上；在桩孔中插入注浆管，一般采用金属管，下入深度控制在导管下端口与孔底的距离≯50 cm并需配备压力表；最后进行压力注浆，注浆压力宜为0.3～0.5 MPa。注浆过程中应保持注浆管不动，直到水泥浆从钢管内外均返上来为止；把注浆管从桩孔中抽出，用钢板密封钢管口，加压数分钟，直至水泥浆从钢管外再次溢出，这样可以确保砂浆充满钢管的内外侧。

微型钢管注浆桩的施工关键点有两个，一个是砂浆配合比，另一个是注浆工艺。将浆液从钢管内压进后，再经桩孔反压上来，难度很大，所以砂浆配合比的成功设计是微桩施工的关键；另一方面，灌注工艺也需要控制好，假如灌浆速度太快，桩孔内的水和灰浆无法排出，就会形成断桩；同时由于水泥砂浆直接冲刷孔壁，会导致孔壁土体塌落，形成桩身夹泥现象，严重时会造成堵管，这种情况在砂质地层尤其容易发生。所以一定要控制好注浆的压力和速度，拔管要有序，注浆要连续。

4.3 质量控制

1）桩位。施工中严格控制孔位的偏差在3.5 cm之内，垂直度偏差应控制在1%以内。同时应注意钢管的垂度，在下放钢管时要采取相应措施；每段钢管的自然弯曲偏差＜l/1 500。

2）采取措施保证成桩孔径，应比设计桩径略大。应保证护壁泥浆质量，避免造成缩径、塌孔等情况。

3）严格控制桩长。桩长需要满足地勘报告和设计图纸的要求，在钻孔过程中，若发现地质状况与地勘报告不符，应停机并通知设计人员现场处理，以保证足够的入岩深度。

4）由于钢管比较重且堤岸地层中往往存在容易沉淀的砂层，所以钢管安装时必须在安全的前提下控制安装速度，切忌钢管摆动碰撞孔壁。

5）保证注浆质量。水泥宜采用不低于42.5 MPa的普通硅酸盐水泥；压注水泥浆的金属管下端与桩底距离≯50 cm；水灰比应按设计要求配制并且需要通过压浆试验来证明其可靠性，注浆压力宜控制在0.3～0.5 MPa，待水泥浆从钢管内外流出后，应保持数分钟稳压，以确保浆体的密实度；水泥灌浆应快速、连续进行，必须保证水泥浆在初凝前0.5 h填满桩孔，完成整个灌浆过程。

6）桩头维护。蓄水养护桩头时间不得少于7 d。水泥浆达到强度后，进行承台施工。桩过长时，要用气体切割，不得使用电焊切割。

7）桩基施工完成并待桩身混凝土达到设计强度后，按文献[5]规定对桩进行静载试验，检验桩数不少于总桩数的1%并不少于3根。见图3。

图3 桩基静载试验

5 结果

桩基施工过程顺利，没有发生质量事故。静载试验表明微型桩的承载力满足设计要求。

6 建议

1）微型钢管注浆桩作为一种新型的地基处理方法，虽然在多个工程中采用，但是理论研究较少，尚未列入国家规范。它在桥梁基础、基础加固、基础托换，基坑工程的支护与事故处理，边坡及公路、铁路路基工程以及灌注桩事故处理等方面均可以发挥特定的作用，所以应结合工程实例多做研究，尽早列入国家规范的范围。

2）由于微型钢管注浆桩常常位于复杂的地下或水下环境中，若桩身水泥砂浆灌注质量不好，就会让钢管受到土壤内硫酸盐和水中的硫酸根离子的腐蚀，所以需要特别注意钢管的防腐问题。如果对钢管的防腐处理不当，会直接降低微型钢管注浆桩的使用寿命。经过对国内外一些工程案例的研究，这里建议桩身内的钢管壁厚宜≮8 mm并在钢管的外表面涂刷两层防锈漆，同时适当增加钢管外侧的水泥砂浆保护层厚度。