冲钻孔灌注桩注浆施工工法及承载力研究

2023-12-29胡建发

广东建材 2023年12期

胡建发

(福建省二建建设集团有限公司)

冲钻孔灌注桩的后注浆技术将注浆管与钢筋笼连接在一起，通过成孔作业、放置钢筋笼，最后高压注入水泥浆。水泥浆在压入桩侧和桩端的过程中，固化桩底沉积物和桩侧泥皮，增强桩底的稳定性，承载力得到显著提升[1]，有效降低基础的沉降量，在高层建筑中应用越来越广泛。本文结合实际工程项目，分析后注浆技术提高承载力机理，研究冲钻孔灌注桩关键技术。

1 项目概况

宁德天行万安苑项目，总建筑面积为99970m2，占地面积32481m2，包括8幢18层的住宅楼、1幢17层的住宅楼及部分沿街商铺，地下室共1 层，为停车场和设备用房。高层建筑采用框架-剪力墙结构体系，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第一组，基本地震加速度值为0.05g。建筑结构安全等级为二级，基础为钻孔灌注桩。冲钻孔灌注桩适用于各种地层，可获得较高的单桩承载力，桩身长度、桩径选择范围大，桩身长度易控制，单桩承载力高，穿透能力强，能克服振动干扰和挤土效应，且对周围建筑物影响较小。根据地质初勘数据，场地岩土体自上而下分述如表1所示。

表1 场地岩土地质数据

2 桩端后注浆技术

冲钻孔灌注桩是高层建筑常用的基础。桩端后注浆技术，利用压浆机械，向持力层进行压力注浆，水泥浆与土体结合，强化桩端承载力，固化桩底沉积物和桩侧泥皮，增强桩底的稳定性，有效解决桩底沉渣以及泥皮过厚的问题。

2.1 桩端后注浆机理

注浆前，在钢筋笼的两侧预先埋设注浆管，然后进行加压。桩侧受压时，桩端形成了一个球形的泥浆区，沿着四周向土体扩散，径向扩散增大了桩径，竖向的扩散增加了桩身长度。经过稳定的持力层过滤后，桩身四周的土体，其渗透性大幅降低，成为具有密封性的填充区[2]。填充区形成了封闭空腔，桩身侧面形成泥皮，在1～2MPa 的注浆压力下，填充区区域稳定，注浆结束。桩端后注浆机理如图1所示。

2.2 桩侧浆液扩散机理

桩侧泥浆的扩散，可视为径向渗流。水泥浆主要在两个方向上渗流，一是沿桩身四周的间隙向上扩散，一是向桩身四周的土体扩散，增加桩身四周的摩阻力。水泥浆在轴向压力的作用下，对桩侧的土体造成一定的径向收缩，水泥浆迅速填充这部分收缩，如图2所示。

图2 桩侧浆液扩散机理

2.3 桩端后注浆提高承载力的机理

⑴后注浆技术提高桩端阻力

后注浆技术可以改善土层的密实度，冲钻孔施工过程中，水泥浆注入持力层，使砂石渗透进松软的土体，实现土体固化，夯实持力层[3]。压力注浆施工，在桩端产生一个半球形的桩顶，有效的扩大桩端的承载面积，改善桩端的承载能力。水泥浆经高压注入桩底，相当于施加预应力，极大的提高桩端力和桩侧摩阻力，提高持力层的强度，使基础的沉降均匀，减少总沉降量。

⑵后注浆技术提高桩侧摩阻力

持续的注浆高压力下，水泥浆在桩端处形成膨胀区，注浆后期，水泥浆沿着桩侧的空隙向上返流，通过挤压作用，减小泥皮对桩侧阻力的影响，增加桩身与土体间的摩擦，进而增加桩侧阻力[4]。在压力作用下，水泥浆在桩身周边形成“泥浆脉”，改善周围土体的力学性能，提高单桩的承载力。

3 桩端后注浆承载力研究

3.1 承载力计算

后注浆钻孔灌注桩的单桩承载力包括三个方面，加强段的桩身侧阻力、不加强段的桩身侧阻力和桩端球状区的扩散阻力[5]，单桩极限承载力可按式⑴计算：

式中，R为桩身半径，m；qi为钻孔灌注桩的单位侧阻力，kN/m²；hj为第i层土的厚度，m；r，扩大头部的半径，m；qj钻孔灌注桩的单位端阻力，kN/m²；hj为后注浆增强段高度，m。

3.2 桩身长度和桩径对承载力的影响

为了研究不同参数对单桩承载力的影响，利用Flac3D 有限元分析软件建立数值仿真分析模型，保持桩径为0.8m 不变，得到不同桩身长度情况下的承载力分析数据如表2所示。

表2 不同桩身长度情况下的承载力分析

与未注浆的普通桩相比，采用后注浆技术的单桩，其承载力得到显著提升。桩身长度为5m 的单桩，承载力由420kN提升至716kN，承载力提升70.5%。随着桩身长度的逐步提高，桩端后注浆的单桩承载力提升效果逐渐减缓，至桩身长度达到30m时，承载力提升32.7%。因此，桩身长度并非越长越好，桩底达到稳定持力层2m 以下，可满足工程需要。

同样的，保持桩身长度10m 不变，得到不同桩径情况下的承载力分析数据如表3所示。

表3 不同桩径情况下的承载力分析

桩径对承载力的影响，与桩身长度对承载力的影响类似，桩径为0.6m时，普通桩的承载力为490kN，桩端后注浆的单桩承载力为830kN，提升69.5%。随着桩径的逐步增大，承载力的提升效果逐渐减缓，桩径为1.5m时，承载力仅提升了24.6%，与增加的施工成本相比，性价比不突出。因此，推荐选用桩径0.8m或1.0m。

3.3 水泥浆品质和注浆量的影响

在保持桩径、桩长不变的情况下，弹性模量较高的水泥浆，经高压注浆得到的单桩，可获得较高的承载力。弹性模量Ec 分别为800MPa 和1200MPa 的荷载曲线如图3所示，相同的桩径条件下，弹性模量为1200MPa的混凝土桩，均大于弹性模量为800MPa 的混凝土桩，在承载力方面明显优于低弹性模量的混凝土桩。

图3 荷载曲线

注浆量对承载力的影响，主要体现在灌注桩的体积上，表现为桩身长度和桩径的组合。注浆量越多，承载力的增幅越大，随着水泥浆的注入，注浆区域与地基的接触越多，单桩的承载性能越好，基础的沉降量越小。不同注浆量的沉降量曲线如图4所示。

图4 沉降量曲线

未注浆的桩基，其沉降量是最大的，灌注桩直径2m，桩长2m 的地基的沉降量次之，灌注桩直径3m，桩长3m 的地基的沉降量最小。而且，随着荷载的逐步增大，沉降量的差异更加明显，桩端后注浆技术的优势显著。

4 钻孔灌注桩注浆施工

4.1 冲钻孔

冲钻孔是后注浆灌注桩的关键工艺，主要包括成孔、清孔、终孔和清孔检测等工序。

⑴成孔

成孔应保证垂直度偏差小于1%，钻机安装应保证水平周正。开钻前认真校正孔位中心。成孔时，钻机要对准已经测定的桩中心，逐渐旋进钻孔[6]。钻进过程中应经常测验孔径和孔形，严控成孔质量，确保钻机平稳。

⑵清孔

清孔的主要作用是更新已经成孔的内部泥浆以及孔内钻渣，减少钻孔底部的沉淀量，以防桩底的沉淀过多而影响灌注桩的承载力。清孔时应持续置换泥浆，清除孔底所有的沉淀砂土，孔底部0.5m 范围内的泥浆含砂率应小于8.5%。

4.2 钢筋笼制作与安装

制作前应将钢筋彻底去除锈蚀，并用拉直设备调直，主应力筋应采用整根钢筋。确需接长，应采用焊接方式，焊接连接区段为35d且不小于0.5m[7]。若钢筋笼长度大于10m，应分为若干段分别制作。分段之间的主应力筋的接头应错开，两个接头之间的间距应大于0.5m。吊装钢筋笼时，应对准桩孔中心，按桩位中心定位，严格保证钢筋笼的垂直度。