袖阀管分层注浆技术在软土地基中对桩基水平承载力的影响研究

杨 亮

(上海宝冶集团有限公司，上海 201900)

1 引 言

淤泥作为填海工程中的主要填料，深受工期和管理方式的制约[1]，软土地基在短期加固的处理方式下往往达不到效果[2]，固结沉降周期长，效果不可控，在基础施工时部分淤泥质土层的性质仍较差，当遭受扰动时，其各项物理力学指标下降较快[3]。

袖阀管注浆技术是法国Soletanche公司研发一种地基加固处理方法，国内从20世纪90年代开始将该技术广泛应用于建筑地基土体处理的加固工程中[4]，国内外许多专家学者已对此进行了研究。Fei Sha[5]等通过注浆模拟试验，得出了注浆时土体和浆液之间的作用机理。Stuart Morgan[6]等根据试验结果，得出了对土层进行注浆时注浆参数对浆液扩散的影响程度。王生[7]等针对高铁的路与桥的转换区域，利用袖阀管注浆技术进行加固处理，其有效地完善了袖阀管注浆技术的工法，并确定其实用价值。邵羽[8]等采用袖阀管注浆技术对拱座基础中的饱和砂卵石层进行加固处治，试验结果表明，袖阀管注浆技术可以显著提高卵石层的摩擦性能和承载性能。张浩[9]等验证了模袋袖阀管注浆膨胀构造的止浆岩盘可以有效对浆液扩散起到控制作用，并达到了预期的注浆效果。孙国庆[10]等利用刚性袖阀管束注浆新技术，成功地解决了胡麻岭隧道中砂层成孔性差、浆液扩散困难等技术难题，验证了刚性袖阀管束注浆技术的可行性。

2 工程概况

厦门新会展中心项目地上建筑面积33万m2，地下建筑面积20.82万m2，其场地布置在沿海周边，部分地基是由填海造陆形成的。由于填海地基中存在大面积的淤泥层，且其余各土层性质复杂，作为典型的大跨空间结构，其软土地基处理尤为重要。试验桩基地层图如图1所示。

图1 试验桩基地层图

工程采用PHC-AB型预应力预制管桩，桩尖采用闭口型桩尖，桩径D为500mm、600mm和700mm。持力层为中粗砂层，桩端进入持力层深度不小于2m。由于试桩时桩基水平承载力不满足设计要求，现对建筑工程内展馆位置的PHC-700-130-AB管桩周围土体进行袖阀管注浆加固，通过对桩基水平承载力的检测反映袖阀管分层注浆技术对软土地基的加固效果。

3 袖阀管分层注浆技术与试验方案

3.1 袖阀管注浆技术原理

袖阀管注浆技术是利用注浆泵将水泥浆加压，通过密封的注浆器注入到袖阀管中，环绕在管外的橡胶管因注浆压力而打开，管外的套壳料因管内注浆压力过大而快速破碎，浆液泵入到受注的地层内。袖阀管的橡胶管保护套可以有效防止浆液回流，同时当袖阀管外的浆液压力大于管内的浆液压力时，橡胶管会主动闭合，防止水泥浆产生回流[11]，如图2所示。

图2 注浆前剖面图

3.2 袖阀管注浆技术的仪器及原料

现场选用PVC袖阀管和不锈钢注浆器。PVC袖阀管直径28mm、厚度2.5mm， 构造主要包括PVC管、 橡胶管、 出浆孔和袖阀管堵头等。不锈钢注浆器构造包括输浆管、上端阻浆塞、出浆孔和下端阻浆塞等，如图3所示。

图3 袖阀管注浆仪器详图

在袖阀管注浆加固土层的过程中，影响注浆加固效果的因素有注浆参数、水泥浆和套壳料的性能等。因此，水泥浆和套壳料的配合比至关重要。工程选用建福牌42.5普通硅酸盐水泥和闽高牌混凝土高效速凝剂。工程中套壳料水灰比为0.8，高效速凝剂掺量4%，注浆料水灰比取0.45～1.0。

3.3 袖阀管注浆的施工工艺及相关参数

袖阀管注浆法的施工工艺流程如图4所示，相关参数如表1所示。

图4 袖阀管注浆流程

表1 袖阀管分层注浆相关参数

(1)测量定位及钻孔：注浆孔间距为1.35m，梅花形布置，浆液预估扩散半径为1m，如图5所示。采用全站仪或卫星定位仪，根据施工设计要求确定钻孔位置，定位后利用钻孔机进行钻孔。

图5 注浆孔布置及喷浆范围

(2)安插袖阀管：先对袖阀管的一端进行封口，为了防止下管过程中发生弯曲，需往管内注入一定量的水。

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(3)套壳料替换土浆：安插好袖阀管后，立刻将制配好的套壳料压入孔内，替换孔中的土浆。发现上部涌出套壳料时，停止灌浆。静置养护3天后进行下一道工序。

(4)注浆：待套壳料达到设计要求时，进行下一道工序，根据施工要求配置合适的注浆液，调整注浆速度以达到预期效果。

(5)封住袖阀管口，同时清理场地。

4 注浆加固效果验证

4.1 试验方案

试验选用同一根桩对加固前后进行单桩水平静载试验，加固前对桩基X轴方向的水平承载力进行检测，加固后对该桩Y轴方向的水平承载力进行检测，以此来验证袖阀管注浆对土体的加固效果。

试验选用加载试块作为反力装置，试验荷载通过一台50t油压千斤顶以0.4L/min速度进行施加。桩基承台底面标高要与水平作用点一致，千斤顶水平作用力需通过桩身轴线。试验荷载用0.4级精密压力传感器测读，水平位移观测采用两支精度为0.01mm、量程为50mm的位移传感器，单桩水平静载试验示意图如图6所示。

图6 单桩水平静载试验示意图

本试验加载根据《建筑桩基检测技术规范》的规定，采用单向多循环加载法，其分级荷载不大于桩基水平承载力的1/10。现场桩基设计最大水平试验荷载为250kN，每级荷载增加25kN。每级荷载施加后，恒载4min后观测其水平位移，卸载后停滞2min观察其残余水平位移。循环5次完成一级荷载的观测，得到H0-t-Y0曲线和H0-△Y0/△H0曲线，对比加固前后的桩基H0-t-Y0曲线和H0-△Y0/△H0曲线，通过分析得到袖阀管注浆技术在软土地基中对桩基水平承载力的影响程度。

4.2 注浆加固效果验证

为验证袖阀管分层注浆加固效果和淤泥层固结程度，对完成注浆加固并静置3天后的位置进行开挖(如图7所示)，观察挖出的淤泥层土体水平截面和竖向截面，可以清楚地发现，淤泥土层上部和下部的注浆液扩散以渗透和压密的形式为主，呈圆柱状向四周扩散，中部浆液主要为劈裂形式进行扩散，土体中生成大量片状生成物，生成物厚度在6～10mm左右，注浆液呈扇叶状向四周扩散，范围较广。

(a)土体水平截面 (b)土体竖向切面

通过土体开挖发现，注浆液已达到预期的注浆范围，注浆液已填充淤泥中的微小空隙，增大了其孔隙水压力，使淤泥土层更加密实。片状生成物使淤泥土体更加牢固，加快了其固结沉降速度，对土层起到压密的效果，把软弱的土体胶结成一个整体，对软土地基加固有优异的效果。

4.3 单桩水平静载试验结果

通过现场对试验桩基进行单桩水平静载试验(现场试验情况及检测装置见图8)，得到H0-t-Y0曲线和H0-△Y0/△H0曲线，如图9和图10所示。

图8 现场试验情况及检测装置

图9 H0-t-Y0曲线

图10 H0-△Y0/△H0曲线

由图9和图10可知，土体采用袖阀管注浆加固前，在250kN循环加载作用下，桩顶标高处水平位移最高达到59.45mm。根据JGJ 106-2014规范，取设计桩顶标高水平处位移6mm所对应的荷载75kN的0.75倍作为桩基水平承载力特征值，计算结果为56.25kN。采用袖阀管分层注浆技术加固后，在250kN荷载的循环加载作用下，桩顶标高处水平位移只有9.94mm，是加固前位移量的1/6左右。取设计桩顶标高水平处位移6mm所对应的荷载150kN的0.75倍作为桩基水平承载力特征值，计算结果为112.5kN。加固后桩基的水平承载力特征值是加固前水平承载力特征值的2倍。

对比加固前后H0-△Y0/△H0曲线可知，加固前每级加载的位移梯度增长远大于加固后每级加载的位移梯度，加固前位移增长趋势明显。通过分析可以发现，袖阀管分层注浆加固技术可有效提高软土地基中桩基的水平承载力，为实际工程提供数据支持。

5 结 语

(1)在软土地基中采用袖阀管分层注浆技术，桩基水平承载力特征值有了显著提升，达到112.5kN，是加固前桩基水平承载力特征值的2倍。

(2)注浆压力为0.2MPa～1MPa、水灰比为0.45～1、注浆间距1.35m的注浆条件下，土体主要通过渗透作用、压密作用与劈裂作用进行改性，从而有效提高桩基的水平承载力。

(3)通过对比H0-t-Y0曲线和H0-△Y0/△H0曲线可以发现，加固前后相同荷载下，桩顶标高处水平位移差值相差较大，体现出袖阀管分层注浆技术可以大幅度地加固土体，从而提高桩基的水平承载力，为今后的实际工程提供了依据。