一种桩端后注浆注浆量计算方法

2022-07-30杨夫礼李尊强

山西建筑 2022年15期

杨夫礼，李尊强

(华联建筑科技集团(青岛)有限公司，山东青岛 266033)

0 引言

钻孔灌注桩常因桩端沉渣、桩周泥皮过厚、土质扰动等原因导致承载力不足[1]，为此，工程中常使用后注浆技术提升钻孔灌注桩的承载力[2]。在进行后注浆前，准确预估注浆量可减少试桩数，提高施工效率。为此，很多学者提出了不同的注浆量估算方法。张忠苗[3]收集大量的灌注桩后注浆数据，给出了卵石、砾石、粉砂层等不同地质条件下的注浆量经验公式。孔玉侠[4]将浆液扩散范围假设为球形，提出了桩端注浆量估算模型。王艳等[5]根据工程施工经验和浆液扩散机理，提出了注浆量估算方法。但是，不同的估算方法计算结果相差较大[6]，因此，有必要提出新的注浆量计算模型。

本文首先对现有6种注浆计算方法进行综述，结合具体工程案例，说明各方法的准确性；然后，分析浆液扩散过程，提出新的注浆量计算模型；最后，结合4组工程案例，验证新模型的准确性。

1 常见估算方法

1.1 经验参数模型

1.1.1 方法1

上海岩土工程勘察设计院根据多年经验，认为注浆量与基桩直径成简单线性关系，表示为:

GC=αd

(1)

其中，α为注浆经验系数，对砂质土，α=6；GC为注浆水泥质量,t。

1.1.2 方法2

JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[7]将注浆量分为桩端和桩侧两部分，认为注浆量与桩径成线性关系，如式(2)所示。

GC=1.2(αpd+αsnd)

(2)

其中，αs，αp均为桩侧桩端注浆经验系数，对于粉土，αs=0.5，αp=0.6，对于粉土和砂土的混合土，αs=0.6，αp=1.7，对于砂土，αs=0.7，αp=1.8；n为桩侧注浆断面数；d为基桩设计直径,m；GC为注入的水泥质量,t。

1.1.3 方法3

张忠苗根据600多根后注浆施工数据，提出桩端注浆量的经验公式:

GC=α1(dβ+α2)

(3)

其中,α1,α2,β均为与土质相关的经验参数,对于粉砂，可取β=1，α1=3.177，α2=-0.281。

1.2 半经验半理论模型

1.2.1 方法4

王艳和尹骥认为端部注浆时，浆液可分桩端和桩侧两部分。桩端浆液为以桩基直径为直径的球形，可由式(4)计算:

(4)

其中，VP为桩端注浆体积,m3。

桩侧浆液认为是围绕桩基一定厚度的圆柱，由式(5)和式(6)计算。

VS=∑πd(δi+ui)hi

(5)

(6)

其中，δi为桩侧泥皮厚度,可取0.005 m；ui为水泥浆压力作用下的径向位移,m；hi为土层厚度,m；p为水泥浆液压力,Pa；p0为土体初始压力,Pa;G为土体的剪切模量,Pa。

1.2.2 方法5

吴江斌和王卫东[8]端部注浆量由桩头虚土填充加固区域、桩端扩大头体积和桩侧返浆等三部分组成。其中，虚土加固区域为一个以桩径为直径、虚土厚度为高的圆柱体，桩端扩大头为一个两倍桩径的立方体。桩端水泥浆体积为圆柱体与立方体之和，表示为:

(7)

桩侧返浆体积为围绕桩侧的一个圆环，表示为:

VS=λπdlε

(8)

其中，l为沿桩身返浆高度,可取l=20 m；λ为浆液损耗系数，λ=1.2；ξ为注浆充填率，ξ=0.4；n0为土的孔隙率;ε为包裹于桩周围的浆液厚度,可取0.005 m；J为水泥浆中水泥实密度；γ0为水的密度；c为水灰比;h为桩端虚土劈裂加固的厚度,可取h=0.4 m。

1.2.3 方法6

孔玉侠认为，桩端注浆会形成一个包裹住桩头的球形，同时有部分浆液上翻，注浆量表示为:

(9)

(10)

其中，R为因端部注浆后土体压缩半径,m；εp为端阻增强系数，粉土εp=2.5；Qp为桩端设计阻力；qpk为极限端阻力标准值,当桩长大于30 m时，且孔隙率较小时，粉土qpk=4 400 kPa，粉砂qpk=4 600 kPa，粉土与粉砂的混合土qpk=4 500 kPa。

2 模型对比

经上述综述可知，在计算注浆量时，不同的方法采取了不同的简化假设。方法1～方法3将注浆量简化为仅与桩径相关的函数，通过数据拟合给出了不同形式的经验公式；方法4将注浆量分为桩端注浆和桩侧注浆，并将桩端注浆体积简化为球体；方法5将桩端注浆量简化为一个圆柱体、一个立方体和一个圆环之和；方法6则认为桩端注浆为一个球体与一个圆柱体之差。为考察假设条件的合理性，我们使用工程算例，比较不同方法的预测准确度。

某工程钻孔灌注桩直径0.8 m，桩长50 m，桩基承载力9 600 kN，桩端土质为粉土，使用水灰比(质量比)0.6的水泥浆后注浆。不同方法计算值与实际值如图1所示。方法1的估算值较大，是因为方法1计算的注浆量，并没有区分桩端注浆、桩侧注浆或桩端桩侧联合注浆，这会使得计算值偏保守；方法2和方法3计算值比实际用量偏小，是因为经验公式只考虑桩径对注浆量的影响，未考虑土质、承载力或注浆压力等因素的影响，导致计算结果的偏差；方法4估算值明显偏高，是因为方法4将桩身长度视为浆液返浆高度，返浆高度值明显偏大；方法6估算值偏高，是由于方法6对浆液扩散半径估算值偏大。

3 桩端后注浆水泥浆注浆量新的计算模型

本文将端部浆液扩散过程分4个阶段，如图2所示。阶段1：浆液随注浆管注入端部，填充桩端松散区域A。因施工扰动，桩端存在柱状土壤较松散，容易被浆液填充。阶段2：浆液向下球形扩散。随着浆液填充，端部压力逐渐增大，在填充完沉渣区域后，浆液会球形扩散；由于上部桩基强度较大，浆液会优先向下部施工扰动区域扩散，如图2中区域B所示。阶段3：浆液进一步向四周扩散。随着桩端压力增大，浆液会进一步挤压周围土体，向四周扩散，同时，浆液也会向上扩散，包裹柱端。阶段4：浆液沿柱侧泥皮向上返浆。

因此，笔者认为，端部注浆量可表示为:

VP=VA+VB+C+VD

(11)

其中，VP为注浆量体积,m3；VA,VD分别为区域A、区域D的体积，m3；VB+C为区域B和C的总体积，m3。

VA表示为：

(12)

(13)

其中，λ为浆液损耗系数，λ=1.1～1.3；ξ为注浆充填率，粗粒土取0.4～0.6，细粒土取0.2～0.4；d为桩基设计直径,m；α为桩端土壤被压力压缩的距离,m；h为松散区厚度,近似可取h=0.4 m。

区域B和C体积之和可视为浆液扩散的球体体积减去桩端圆柱体体积，表示为:

(14)

区域D则是浆液返浆体积，为环绕桩侧的圆环，表示为:

VD=λξπdlε

(15)

其中，ε为包裹于桩周围的浆液厚度,取0.005 m；l为返浆高度,可取为20 m。

4 工程案例验证

选用四个后注浆案例，基本数据如表1所示，四个案例包含了不同的桩基承载力、桩径和持力层土质，可以验证出不同条件下计算模型的适用程度。

表1 工程案例数据

模型计算值与案例现场值对比如图3所示。新模型计算值位于上勘院模型计算值和JGJ 94—2008计算值之间，与工程实际值吻合度较好。与上勘院模型和JGJ 94—2008模型相比，本文提出的模型较好反映出了土质、桩基承载力对注浆量的影响。对比案例2和案例3，注浆量会随着持力层土质的改善而减小，这是因为较好的土质承载力较强，需要的注浆量也相应较少；上勘院模型和JGJ 94—2008模型并不能反映出这一变化特点。对比案例3和案例4，注浆量会随着单桩极限承载力的降低而减小，但上勘院模型和JGJ 94—2008模型的计算值均保持不变。这说明，在进行注浆量计算时，要综合考虑桩径、持力层土质、桩基承载力等因素的影响。