新型定压开关防堵式压浆阀研究与应用

罗国龙，田 龙，李华龙，龙 刚，刘 刚，张志伟，代子洲，郭弘鹏，卢慧忠

(中建三局集团有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

随着我国高层建筑、大型桥梁等工程的兴建，钻孔灌注桩具有承载力高、施工方便、工期短、造价低、施工可靠性高等优点，在结构基础工程中被广泛应用。但钻孔灌注桩由于施工期间需泥浆护壁，桩端往往存在孔底沉渣和桩周泥皮，地层土壤中也存在孔隙导致土壤有一定压缩性，从而导致桩底不密实，使得钻孔灌注桩的实际承载力低于设计预期且具有较大提升空间和注浆提升必要性，因此目前业界普遍采用后压浆技术提高桩基承载力。

西安奥体大桥为2021年第十四届全运会配套工程，其桥梁主塔为高达123m的空间异形结构，承受荷载较大且受力复杂，设计在主塔桩基上使用后压浆技术，并要求压浆阀具有防堵、防串浆等功能，目的是确保桩基承载力得到有效提高，缩短桩长，降低造价，同时减小基础在河道内的施工难度。该工程沿线地质主要是砂土，桩基持力层更是中粗砂和砾砂等，按JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》中第6.3.4条，砂土地基尤为适合采用桩基后压浆技术，其桩侧承载力提高系数达2倍左右。此举可大大缩短桩长，降低河道内深桩基的施工难度和成本。

然而，传统的钻孔灌注桩后压浆技术由于压浆阀不具备防堵、全方位出浆及定压打开、卸压关闭等功能，实际压浆施工过程中，钢筋笼自重导致压浆阀被压入沉渣底部并挤死底部出浆口而造成堵塞，使得压浆无法完成。另外，由于常规压浆阀及其工艺无法实现定压打开、卸压关闭功能，实际施工过程中往往存在低于设计压力施工、偷工减料等行为。同时，不同压浆管间存在串浆、漏浆问题，导致浆料压力不足，无法完全填充桩端附近空隙，桩基承载力得不到足够提升。

为解决上述不足，西安奥体大桥对一种新型定压开关防堵式压浆阀进行了研究与应用，并形成了有实用价值、同类型桥梁首创的施工工艺和施工经验(见图1)。

图1 西安奥体大桥主墩桩基效果

1 新型定压开关防堵式压浆阀工作原理

钻孔灌注桩成桩后，安装、调试压浆泵、压浆管、新型定压开关防堵式压浆阀。压浆时，合理控制压力、持荷时间，使压浆泵中的浆液通过浆液输送管输送到阀体时，浆液会先在阀盖积聚，形成一定的压强后，浆液会推动阀盖向下打开，弹簧被压缩；同时，阀盖的中轴下压，下销钉沿内轴的弧形孔向下移动，带动内套筒旋转，从而使得外套筒底与内套筒底出浆孔重合，外套筒侧与内套筒侧出浆孔重合，浆液流出；当浆液灌满桩底缝隙后，阀盖上下压差逐步减小，弹簧逐渐回弹，内套筒旋转回原来位置，阀体关闭，从而压浆达到设计量，使灌注桩承载力达到设计要求。

其中，该压浆阀底部和侧壁的出浆孔不会完全密封，如果在灌浆前阀体内渗入浆液，浆液便会在重力和土层吸附力作用下从出浆孔间的间隙排出，解决了阀体内存在浆液导致压浆阀内外压强差变小，弹簧达不到可压缩强度，阀盖不打开的问题；该压浆阀采用内置花口旋开，可避免常规压浆阀由于钢筋笼自重压制导致的无法开启问题；同时，该压浆阀内套筒底部开设有内套筒出浆孔，侧壁上开设有内套筒侧出浆孔；外套筒底部开设有外套筒出浆孔，侧壁上开设有外套筒侧出浆孔，使得压浆方向更多元(见图2，3)。

图2 定压开关防堵式压浆阀结构示意

图3 定压开关防堵式压浆阀实际效果

在施工中，该压浆阀可充分利用声测管进行钻孔灌注桩的后压浆施工，只有在声测管中的浆液在阀盖上达到一定压强后，弹簧才会开始压缩，通过测量声测管中浆液的压强值是否达到弹簧的压缩强度，可防止施工中少灌浆或不灌浆等偷工减料现象发生，保证桩的质量和承载力。当浆液灌注到压浆阀中，在高压和重力作用下，浆液会推动压浆阀的阀盖向下移动，带动内套筒转动后使得底部出浆孔顺利打开，这些浆液经过渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等物理或化学形式单独或共同作用，形成一个密实的结实体，改善了桩-土界面条件，使桩的承载力和桩侧阻力得到不同程度的提高，桩的沉降得以减小，大大提高钻孔灌注桩的桩基承载力，有效减小桩的沉降量，进而解决沉渣、泥皮等工程通病。

2 新型定压开关防堵式压浆阀研究与应用

2.1 现场施工工艺流程

根据现场条件，初步确定新型定压开关防堵式压浆阀现场使用工艺流程，指导现场有序施工：制作加工→随机抽取试件→试件现场同条件测试→现场安装→现场施工。

2.2 现场实施应用

2.2.1试件现场同条件测试

在工厂批量加工前，应该对试件进行抽检，现场按施工方案在施工同等条件下进行试验，即对压浆阀用注浆机注水进行压力试验，工作压力取3.0～6MPa。通过试验结果进行压浆阀结构、施工安排分析优化，以保证后期施工质量与效率。

2.2.2现场安装、验收

现场安装时，桩端注浆用声测管作为注浆管，将其绑扎在钢筋笼内侧随钢筋笼下入孔底。本工程桩径2.5m，设4根声测管，呈十字交叉型。新型压浆阀上套筒顶部通过螺纹与声测管相连，声测管与浆液输送管一端相连；浆液输送管的另一端与压浆泵相连，因本工程桩基检测管兼后压浆管，钢筋笼焊接时要保证各项要求到位，同时必须保证压浆阀比钢筋笼端部多出30cm，并保证压浆阀和声测管的丝口与牙具制作达到设计要求。同时，检查压浆阀外部孔洞处贴的防漏胶布是否完整，以免因混凝土灌注而将洞口堵塞影响压浆效果，如图4所示。

图4 安装示意与现场效果

现场安装完毕后，应组织各参建方进行实体安装验收，项目技术部定期做好技术复核工作，确保新设备、新工法按施工方案合理施工，保证施工质量。

2.2.3现场实施研究应用

1)浆液配制 ①压浆水泥 采用P·O42.5级普通硅酸盐无结块的双检水泥。②强度要求 7d强度≥10MPa。③水泥浆性能要求 浆液的水灰比0.5～0.7，随着压浆的进程先稀后浓；初凝时间为 3～4h，稠度12～15s。④严格控制浆液配合比，搅拌时间≥2min，浆液进入储浆桶时必须用16目纱网进行2次过滤并对声测管进行注水冲洗，防止杂物堵塞压浆孔及管路。⑤外加剂 掺入一定量的微膨胀剂(配合比根据试验确定)，确保浆体无收缩。本工程在制浆过程中正值冬天，发现气候对制浆具有较大影响，通过总结，当制浆气候冷时，需将水泥浆的温度控制在5℃以上，以避免将冰、雪等掺入混合材料。另外，如果制浆气候炎热，则需将浆料温度控制在40℃以内，并做好防热防晒工作。从混合到使用水泥浆的时间必须在4h内控制。如果有大量灌浆且集中，则建议建立1个制浆站以实现集中制浆和传输。

2)持续时间 5min。

3)压浆流量 宜≤75L/min。

现场施工时，实行压浆量与压力双控，以压浆量(水泥用量)控制为主、注浆压力控制为辅。若注浆压力达到控制压力，并持荷5min，同时达到设计注浆量的80%，也可认为满足了设计要求。

4)出现下列情况之一时应改为间歇注浆，或调低浆液水灰比：①注浆压力长时间低于正常值；②地面出现冒浆或周围桩孔串浆。

5)每根压浆管在每一循环过程中必须保证压浆施工的连续性，压浆停顿时间>30min，应对管路进行清洗。

6)为减少管路系统对注浆压力的损失，注浆泵与注浆孔口距离宜≤30m，并确保注浆过程中注浆管路不发生弯折。

7)按本工程施工经验，注浆前要用清水(高压)打通通道，注水畅通后再注水泥浆。压浆前需检查设备是否正常运转，检查搅拌好的水泥浆稠度与初凝、终凝时间及配制的水泥浆是否满足压浆需要。

2.2.4应用过程中各种工况解析

1)压力逐渐上升，但达不到设计要求的压力 这可能是浆液在黏土中形成脉状劈裂渗透，或浆液浓度低、胶凝时间长，或部分浆液溢出。

2)压浆开始后压力不上升，甚至离开初始压力值呈下降趋势 这可能是浆液外溢。

3)压力上升后突然下降 这可能是浆液从注浆管周围溢走，或注速过大，扰动土层，或遇到空隙等薄弱部位。

4)压力上升很快，而速度升不上去 这表明土层密实或胶凝时间短。

5)压力有规律上升，即使达到容许压力，压浆速度也变化不大 这表明压浆成功。

6)压力上升后又下降，而后再度上升，并达到预定的要求值 这可认为是第3种情况的空隙部位已被浆液填满，这种情况也成功。

3 数据分析及研究

为充分验证该新型定压开关防堵式压浆阀的施工效果，结合本工程施工经验和研究成果，选取相同地质的西安地铁16号线一期工程土建施工项目标段五钻孔灌注桩工程进行应用研究，并进行横向数据对比及分析，得出如下结论：该新型定压开关防堵式压浆阀施工效果良好，能有效避免传统压浆阀的各项弊端，起到防堵、防串浆作用，进而确保桩基承载力得到有效提高，缩短桩长，降低造价，同时减小基础在河道内的施工难度。部分试验检测数据及结果如表1所示。

表1 桩基参数

1)承载力试验 SZ1-1，SZ1-2在终止荷载8 800kN 作用下未发生破坏，Q-s曲线呈缓变型；SZ1-3在终止荷载10 120kN作用下，试桩发生破坏，最终沉降量>40.0mm，Q-s曲线出现陡降段，沉降持续增大，且不能稳定。因此，可认为在试验条件下，SZ1-1，SZ1-2，SZ3-3的单桩竖向抗压承载力极限值分别可取8 800，8 800，9 680kN,其特征值分别可取4 400，4 400，4 840kN。沉降数据如表2所示。

表2 沉降数据 mm

2)桩身应力测试 单桩竖向抗压静载试验期间，对桩身进行了测试，根据测试结果，得到的桩身侧阻力与桩端阻力实测值如表3所示。

表3 桩身侧阻力与桩端阻力实测值

4 结语

1)通过运用此新型定压开关防堵式压浆阀，进一步克服传统压浆阀的各种缺陷，大大提高了钻孔灌注桩的桩基承载力，有效减小桩的沉降量，进而解决了沉渣、泥皮等工程通病；也无须增大钻孔灌注桩的桩长和直径，在保证承载力的要求下甚至可减少桩基数量；并能充分利用声测管进行钻孔灌注桩的后压浆施工；加之其本身造价低，从而降低整体施工造价，降低基础成本。

2)本工艺通过运用这种整体性好、成本较低、可有效提高单桩承载力的定压开关防堵式压浆阀，克服了现有技术中存在的缺陷，减少了施工中遇到的各种施工困难，又能保证后压浆工艺达到预期效果，进而确保桩基承载力，提高施工质量，不会造成返工；同时，其制造、安装、拆卸方便，施工简易，从而整体缩短工期。

3)本工艺充分利用声测管兼用后注浆管的工艺，此款新型定压开关防堵式压浆阀具备防堵、多方位出浆及定位开启、泄压关闭的功能，可弥补普通压浆阀的各种缺点，改善了现在工程中普通压浆阀在深入桩底后，大多数出浆孔被阻塞，而又无法检测的技术缺陷，有效保证了压浆阀的可使用性，确保后压浆工艺达到预期效果。

4)本工法充分通过现场实践后压浆技术控制达到压浆量，满足要求，压浆效果整体上升。另外，本工法中压浆阀整体结构为刚性构件，克服了现有技术中压浆阀底部出浆孔易破坏变形的缺陷。可使压浆阀的底部深入到沉渣或桩端土层中一定深度，使得浆液与沉渣和桩端土层充分作用，有效提高单桩承载力；并具有阻止浆液回流、防止施工过程中偷工减料等优点，因此具有施工质量可控性。