浅谈钻孔灌注桩桩端后压浆技术的应用
作者：周迎玉
来源：《科技资讯》 2011年第10期
周迎玉
(天津市华驰房地产有限公司 天津 300151)
摘 要:本文结合工程实例,阐述了采取桩端后压浆技术的原因,介绍了后压浆技术的优点、主要技术特征、作用机理及施工技术,并结合自身对其他工程的了解进行了经济效益分析,为今后类似的工程施工提供参考。
关键词:钻孔灌注桩 桩端后压浆 桩侧注浆 承载力 单桩承载力 桩端阻力 桩侧阻力
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)04(a)-0041-02
1 工程概况
天津市红桥区某工程总占地面积225.2m2,地上总建筑面积13万m2,地下总建筑面积
34607.76m2,由一幢30层超五星级酒店、两幢15层写字楼、三幢29层混合型公寓和一幢19层混合型公寓组成,结构形式均为框架剪力墙。
2 桩端后压浆技术的选择
虽然传统的泥浆护壁混凝土灌注桩具有适用土层范围广,桩径、桩长变幅大,承载力高以及无噪声和振动等优点,但由于桩底沉渣难于清理彻底,削弱桩端阻力,增大了桩基的沉降量,且桩侧泥皮过厚,厚薄不均,致使桩侧摩阻力明显降低。受沉渣和泥皮的削弱影响,可使桩基承载力下降10%～30%,严重者可下降50%;而钻孔灌注桩后压浆技术具有构造简单,便于操作,附加费用低,承载力增幅大,压浆时间不受等优点,其桩长由20m～70m,桩径由600mm～1000mm,单桩极限承载力由5000kN～25000kN,完全可以满足本工程的使用要求。
3 后压浆技术的主要优点
(1)前置的压浆阀管构造简单,安装方便,成本低,可靠性高,适用不同钻具成孔的锥形和平底型孔底。
(2)压浆作业可在成桩后30天甚至更长时间内实施,不与成桩作业交叉,不破坏桩身砼。
(3)压浆模式、压浆量可根据土层性质、承载力增幅的要求进行调整,可达到预期承载力增幅的目标,使桩基承载力提高60%～120%。
(4)用于压浆的钢管可与桩身完整性超声波检测管结合使用,钢管注浆后可取代等截面的钢筋,降低后压浆的附加费用。
4 后压浆法的主要技术特征
后压浆桩法是将土体加固与桩工技术结合为一体,大幅提高桩基承载力,减少沉降的有效方法。其主要技术特征如下。
(1)桩底注浆。
在钢筋笼上设置1～2根底端带单向阀的注浆钢管,该管具备抗泥沙、泥水涌入和防止浆液回流的功能。注浆阀可插入沉渣及桩底土的一定深度(如50mm～200mm),使注浆即可固化沉渣又可扩及桩底一定范围,对于坚硬的卵石、砾石或基岩,注浆管虽不能插入其中,但可确保浆液渗入到混凝土面以下,能固化桩底沉渣和泥皮。注浆阀外装有保护套,可防止阀模被刺破,以使浆液顺利流出。
(2)桩侧注浆。
钢筋笼上设置带单向阀的注浆管1～2根,在桩底注浆前数天,进行桩侧非破损注浆(不破坏保护层),桩侧注浆阀可根据土层分布特点及桩长,沿不同横断面呈花瓣形设置(如横向布四个注浆点)。也可沿桩长纵向呈波形设置。设置于桩身内部的注浆钢管与钢筋笼处在同一圆周上,与加劲筋焊牢,当桩顶低于地面标高时,需用临时导管与桩身中的注浆管导管相联,注浆初凝后拧下临时导管回收使用。
(3)注浆压力。
搅浆泵的出口应加滤网,以防水泥纸袋等杂物进入注浆管。注浆管的额定压力不低于6Mpa,流量为50～150L／min。
(4)水灰比。
通过工程实践结果得知,采用0.5～0.55的水灰比可获最佳的注浆效果。
(5)注浆顺序。
应先进行桩侧注浆,当有二个以上桩侧注浆断面时,应先上后下,3天左右之后,再进行桩底注浆,以防浆液沿桩顶大量冒出,尤其是L／D较小的短桩更应如此。当进行群桩注浆时,宜先外后内,以减少浆液流失。
(6)最佳后压浆时间。
从工程试验资料分析得知,最好的后压浆时间是在成桩后1～4周内进行,这时桩底沉渣、桩周扰动土尚未充分固结和触变恢复,将水泥浆二次压入更有利于其扩散渗入固化基土,过早注浆会因桩侧阻力过低而使浆液溢出地面,过晚注浆则恐难以形成桩周连续的劈裂注浆,致使浆液向远处流失。
5 作用机理
(1)不同注浆方式的注浆效果。
通过三种压浆方式对单桩极限承载力进行比较如下:桩端压浆承载力增幅20%左右,桩端、桩侧联合注浆增幅40%～100%左右,桩侧注浆点多,注浆量大,承载力增幅为100%,而注浆点少,注浆量少,承载力增幅为40%。
(2)土体注浆的模式。
根据土层性质,浆液压力不同等,可有如下三种注浆模式。
①渗入注浆。
对砂性土用可注指数N或渗透系数K来判断渗入注浆可行性。
N=D15／D85≥10～15或k=10-4～10-5cm／sec (1)
式中:D15为小于该粒径的土颗粒质量占总质量15%的土颗粒粒径;
D85为小于该粒径的水泥颗粒质量占总质量85%的水泥颗粒粒径。
D15越大,D85越小,N值则愈大,或K=10-4～10-5cm／sec,用425＃硅酸盐水泥的砂性土可注性愈好。
②压密注浆。
将极稠的浆液,在压力作用下强行挤向注浆点附近的土层薄弱区,如果是饱和的弱透水性土,则浆液不能产生渗入性注浆,而是在注浆点集中形成球形浆液泡,通过浆泡挤压相邻土体,注浆压力越大,球形泡半径也越大,使土体孔隙水压力升高,随着超静孔隙水压力的消散,使土体被压密。但是除非桩身上部先行桩侧注浆,形成牢固封堵,否则在稠浆、细粘土的条件下不能发生压密注浆效应。
如果土体为非饱和的,则压密注浆的挤密效应较为明显,而在饱和土中浆泡先引起超静孔隙水压力。
③劈裂注浆。
劈裂注浆一般发生在粘性土、粉土、粉细砂中,桩侧泥皮和桩底沉淤渣土,是劈裂注浆发生处。由此形成以桩体为核心向外辐射的浆脉网,由于劈裂面受到浆液的附加压力,使土体中出现超静孔隙压力,并伴随着土体被压缩固结,浆脉网可提高土体的刚度和稳定性。大的土浆脉网状结石较稠密,扩展范围较小,反之渗透性对低渗透性的淤泥土、粘性土,网状结石则较为稀疏,扩展范围较大。
(3)后注浆桩的注浆性态。
①当桩侧土为粗粒土(卵、砾、中粗砂)时,桩侧注浆以渗入性注浆为主,对于桩表面附着的泥皮薄弱区则发生劈裂注浆。当桩侧土为细粒土(粉细砂、粉土、粘性土)时,桩侧注浆以劈裂注浆为主;当浆液稠密度很大,桩表层泥皮不多时,则可能出现压密注浆。
②当桩端持力层为粗粒土或虽为细粒土但桩身穿越粗粒土,或混凝土浇注过程有离析发生时,则桩底注浆以渗入注浆为主,随后将出现桩底土一定范围的劈裂注浆(细粒土)及沿桩身向上10m～20m高度的劈裂注浆。当桩端持力层及桩侧均为细粒土时,桩底注浆开始为渗入注浆,随后转化为劈裂注浆。
③注浆压力是非稳定的,其变化特征受土性、桩长、浆液稠度、注浆时间等因素影响。由于注浆阀管外往往为薄层水泥浆包裹,起始注浆开启压力较高,为2～6Mpa;随后压力下降并在一段时间内保持相对稳定,随后又逐步升高,达到某一较高值后又突然回落,如此反复变化。这一变化特征反映出土中高孔压,注浆性态及土体中劈裂缝的变化等。
(4)后注浆桩的加固效应。
其加固效果可有以下三种效应。
①充填胶结效应。
在卵、砾、砂中实现渗入性注浆条件下,被注土体孔隙部分的为浆液填充,散粒被胶结,显示“充填胶结效应”,土体强度和刚度大幅度提高。当被加固体位于桩底时,总桩端阻力因扩底效应而提高;当被加固土体处于桩侧时,桩侧阻力因桩身扩径效应而显著增大。
②加筋效应。
对于粘性土,粉土,粉细砂实现皮裂注浆的条件下,单一介质土体被网状结石分割加筋成复合土体。网状结石便成为加筋复合土体的刚性骨架。复合土体的强度变形性状由于网状结构的制约强化作用而大为改善,显示“加筋效应”。同时,在劈裂注浆过程中还伴生土体固结和化学硬化作用,使被包围在水泥网络内的土变得更加紧密相连。桩顶受荷后,桩侧和桩底的复合土体能有效地传递和分担荷载,从而提高总侧阻力和总端阻力。
③固化效应。
桩底沉淤和桩侧泥皮与注入的浆液发生物理化学反映而固化,使单桩端阻力和侧阻力显著提高,显示“固化效应”。此外,由于不等厚度的水泥结石固着于桩表面和桩底,因此尚能起到一定的扩径和扩底效应。
除上述三种加固效应外,桩侧桩底土体还不同程度存在压密效应。
6 后压浆桩的施工
(1)注浆量的计算。
根据经验表明,对于桩径0.6～1.0,桩长20m～60m的基桩,桩底注浆量(水泥用量)为0.6t～2.0t,加桩侧注浆量将增加一倍,注浆量的估算如下:
桩底:GCP=π(htd+ξn0d3)×1000 (2)
桩侧:Ges=π［t(l-h)d+ξmn0d3］×1000
(3)
式中:Gcp,Ges为桩底、桩侧注浆量,以水泥用量计,单位kg;
ξ为水泥填充率,细粒土0.2～0.3,粗粒土0.5～0.7;
n0为孔隙率,n0=e0／1+e0,e0为天然孔隙比;
t为包裹在桩侧浆液厚度,一般为10mm～30mm,粘性土及正循环成孔取高值,砂性土及反循环成孔取低值;
h为桩底压浆时,浆液沿桩身的上返高度,一般取5m～20m,h值与承载力增幅有关;
m为桩侧注浆横断面数,对于纵向波形注浆情况,m值取注浆点数的1／4;
L、d为桩长与桩径(m)。
(2)注浆压力。
注浆压力是指不会使地表隆起和基桩上抬量过大的前提下,实现正常注浆的压力,它与土质类别、密度、强度、注浆点深度有关,按下式估算;
P0=Pw+Pr=PW+ξr∑rihi
(4)
式中:p0为注浆点浆液出口正常注浆压力;
Pw为注浆点处静水压力;
Pr为被注土体的抗注阻力;
ri为注浆点以上i层土的天然重度,当处于地下水位以下时取ri-1;
hi为注浆点以上i层土的厚度;
ξr为抗注阻力经验系数,与浆液稠度和土性有关,对粉土、粘性土一般取1.5～2.0,粗颗粒土取1.2～1.5,颗粒细、密度大的取高值,相反取低值,开始注浆压力一般为正常注浆压力的3～5倍。
一旦浆液排出注浆压力即显著下降,此外,输浆管越长,浆压损失越大,因此额定压力应为3MPa～8MPa。
终止注浆压力要低于开启注浆压力。当正常注浆压力一直较低时,表明注浆质量存在严重缺欠,应推迟终止时间,加大注浆量并适当提高浆液稠度,直至注浆压力出现上升为止。
7 后压浆桩的检验
后压浆桩的全面质量检验,目前尚无有效手段,对桩底的压浆质量可通过预设超声检测管检测,根据压桩前后波速的变化进行判断。
检测桩端阻力和桩侧阻力可表现为单桩承载力的变化,最有效地方法是静载荷试验以及预埋于桩身应力计,可以分别确定后压浆桩的侧阻与端阻,此外高应变动测也是一种可行的检验方法。
8 经济效益分析
后压浆桩法目前已应用于10余省市100余项高层、超高层等建筑的桩基工程,根据其中工程的观测结果,Smax=17mm～38mm,△S／L=0.0008。对于单桩砼用量为8～20M3的桩,每根桩可节约0.5～1.5万元,节约造价30%～50%,缩短工期30%。对于持力层为细粒土的桩,承载力增幅为60%～90%,对于粗粘土增幅可达70%～120%,桩基工程量可减少35%～65%,桩基的沉降量减少15%～30%。根据60余项工程统计,总节约投资逾一亿元。
9 结语
(1)泥浆护壁灌注桩后压浆技术具有适用性强,操作方便、可靠性好、不与成桩作业交叉、承载力增幅大、可与桩身完整性超声检测相结合等优点,可发展为有效提高灌注桩经济效益和社会效益的辅助工法。
(2)后压浆不仅可固化沉渣和泥皮,而且浆液通过渗入、劈裂、压密注入桩侧、桩底一定范围的土体,使之发生:“充填胶结”、“劈裂加筋”“压密硬化”效应而加固,单桩承载力显著提高。在优化压浆参数的条件下,可实现单桩承载力的理想和稳定增长,当桩端持力层为细粒土时,增幅50%～90%,为粗粒土时增幅为70%～120%,增幅大小受桩侧土层性质影响。
(3)后压浆工艺参数的优化,应以确保最佳注浆比(Gc/Ld)为前提,控制优化浆液水灰比、注浆压力、注浆时间、注浆顺序。本文提出的注浆量(注浆比)计算式可供使用。
(4)桩端压浆可使侧阻和端阻同时得到增强,桩侧压浆仅使侧阻得到增强,并对桩端压浆起封堵作用。无论桩端单独压浆或桩侧桩端联合压浆,其单位端阻力的增幅均大于单位侧阻力增幅,但侧阻增强对单桩承载力增长的贡献率大于端阻的贡献率,并随桩长增大而提高。
(5)后压浆单桩承载性状由于压浆效应而明显改善,主要表现为:荷载-沉降曲线变化趋缓,多数由陡降型转变为缓变型;侧阻先于端阻,异步发挥差异减小,总端阻力占承载力份额增加。
(6)后压浆群桩的桩土整体工作性能因压浆效应而增强,桩端刺入变形减小,沉降量降低,承台分担荷载比有所减小。
(7)后压浆群桩基础的设计应根据其性状的变化作适应调整,包括持力层的优选,单桩承载力估算,桩身混凝土强变设计等级提高,桩距加大,布桩优化,承台土阻力系数下调、桩侧、桩端土变形模量调高等。
(8)经不同地层土质条件的30余项工程应用实践表明,采用后压浆技术对于减小桩基沉降、稳定基桩质量、提高承载力、节约工程造价,缩短工期,均有显著作用。对于∮600以上的桩基,其造价可降低30%～50%,工期可缩短30%以上。因此后压浆技术的推广使用具有广泛的前景。
参考文献
[1] 徐新跃.桩端压浆在卵石层钻孔灌注桩中的应用[J].建筑技术,2006(3).
[2] 华东建工勘察.钻孔灌注桩后压浆工程实例及机理分析.
[3] 桩底钻孔灌注桩承载力的研究.
