蘇通大橋超長樁樁底后壓漿試驗及效果

彭仕奇

(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210007)

蘇通大橋超長樁樁底后壓漿試驗及效果

彭仕奇

(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210007)

在蘇通大橋松散軟弱的地層條件，實施超長(＞100 m)、超大(Φ2.5 m)摩擦樁樁底后壓漿工程，在我國是首次運用。結(jié)合工程實踐，就壓漿工程的設(shè)計、施工的技術(shù)要點進行全面介紹。通過對鉆孔取樣分析，指出漿液初凝時間地表實驗與地下實際存在較大差異;通過施工體驗，結(jié)合取樣顯示的漿液擴散滲透狀況，提出可滲透地層以注漿量為控制參數(shù)，壓力不列為控制參數(shù)的思路。

鉆孔灌注樁;樁底后壓漿;注漿量;超長樁;蘇通大橋

1 工程概況

蘇(州)－(南)通大橋是迄今世界上跨度最大的一座斜拉橋。路線全長32.4 km，由主跨1088 m的跨江大橋和南、北岸接線3部分組成。創(chuàng)造了最大規(guī)模群樁基礎(chǔ)、最高橋塔、最大跨徑、最長斜拉索4項斜拉橋世界紀錄?；鶐r埋藏深達300 m，覆蓋層厚，土性軟弱?；A(chǔ)位于軟弱土層中，承受的靜、動荷載大，樁基數(shù)量多，結(jié)構(gòu)受力傳力機理復(fù)雜，群樁效應(yīng)突出，國內(nèi)外規(guī)范難以涵蓋。

2 地質(zhì)條件

工程位于長江下游，地質(zhì)條件較差，具體如下。

第四系全新統(tǒng)沖海積層及上更新統(tǒng)沖積層。巖性以濱海相、河口相粘性土、砂土為主。樁基下部地基土的地質(zhì)年代、巖性、分布規(guī)律和物理力學(xué)性質(zhì)見表1。樁底位于⑧2粉細砂層。

3 工程試樁

3.1 試驗?zāi)康?/p>

(1)確定樁底后壓漿在松散的砂土層中能否提高單樁承載力30%以上。

(2)分別采用U形管和直管兩種管道布設(shè)進行樁底壓漿效果對比，以確定壓漿管的布設(shè)方法。

(3)選擇確定施工工藝，包括水泥漿配比、注漿流程、注漿量、注漿壓力的確定。

(4)比較并選擇注漿設(shè)備。

3.2 試驗程序

試驗分2個階段實施。

第一階段試驗6根工藝樁，樁位不在工程樁設(shè)計樁位;第二階段是3根工程樁試樁。共9根試樁，詳見表2。

3.3 試驗依據(jù)

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ 021－89);

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041－2000);

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 024－85);

《蘇通大橋工程勘察報告》。

3.4 樁底壓漿施工

3.4.1 注漿管道材料的選擇及安裝

注漿管道材料包括注漿管、樁端部注漿器、橡膠管、圖釘?shù)取?/p>

注漿管采用符合《低壓流體輸送用焊接鋼管》(GB/T 3092－1993)的焊接鋼管，規(guī)格Φ33.5 mm×6.5 mm。

表1 地層工程地質(zhì)特征表

表2 試樁一覽表

注漿器采用規(guī)格為Φ33.5 mm×6.5 mm鋼管制作而成。注漿器有2種類型，一種是直管，另一種是U形管。直管管壁四邊打孔，共4圈，位置上下錯開，避免鋼管強度不夠受損;U形管則在兩側(cè)和下側(cè)打孔，孔徑均為8 mm。

圖釘釘帽尺寸為10 mm的普通圖釘。用來封堵注漿器孔。

橡膠管直徑＜Φ33.5 mm，壁厚1.5 mm，套在注漿器上。

注漿器安裝時必須與注漿導(dǎo)管焊接牢固。出漿孔采用圖釘和橡膠管封閉，防止樁底沉渣、土體侵入堵塞注漿通道。要求直管注漿器在安裝時進入樁底沉渣或土層下40 cm，注漿導(dǎo)漿管接至地表，高出樁頂30 cm。U形管注漿器安裝在鋼筋籠底部。

預(yù)埋檢測材料采用規(guī)格為Φ127 mm×4 mm鋼管制作，用來探孔取樣檢測注漿質(zhì)量。

安裝過程中，鋼筋籠不得強行扭轉(zhuǎn)、墩放，確保注漿管路和檢測管不被人為損壞。

3.4.2 漿液材料及要求

漿液所需要材料是:水泥、U形微膨脹劑、膨潤土、高效減水劑。

漿液主要性能指標:初凝時間3～4 h，漿液稠度20 s，7天強度≥10 MPa。

通過室內(nèi)漿液配比試驗，優(yōu)選以下配比:水灰比0.5～0.55，U形微膨脹劑為水泥用量的4%，膨潤土為水泥用量的1%，高效減水劑為水泥用量的5‰。

3.4.3 壓漿設(shè)備

用BW－150、BW－320型泵進行試驗，高強度鋼編高壓膠管、16 MPa壓力表、2 in(Φ50.8 mm)閘閥。

3.4.4 壓漿工序

(1)在灌注樁灌注混凝土24～48 h，注入清水開塞。以后每天上、下午各通水一次，每次約30 min，保證注漿管道暢通。待樁身砼強度達75%以上時(灌注混凝土完成7天以后)實施壓漿。

(2)壓漿分3次，每次都采用循環(huán)均勻間隔跳壓，以保證漿液均勻分布。

(3)第一、二、三次循環(huán)壓漿水泥用量分別控制在3、3、2 t左右。

第一次壓漿后等待3 h，第二次壓漿后等待4 h。每次壓漿完畢后注入清水替漿。

(4)以壓漿量控制為主，壓力控制為輔。實際上，試樁壓漿量均達到8～10 t，注漿壓力在6 MPa以內(nèi)。

3.5 壓漿效果

采用自平衡試驗方法、樁中及樁周邊鉆探取樣檢測。

3.5.1 壓漿前后承載力對比

壓漿前樁端阻力730 kN;壓漿后樁端阻力11318 kN。

壓漿前試樁單樁豎向極限承載力為16628 kN;壓漿后試樁單樁豎向極限承載力為49000 kN。

3.5.2 鉆探取樣檢測

每根樁布置了5個檢測鉆孔，其中樁中一個預(yù)留檢測孔，另外4個檢測孔距樁周邊0.5、1.0、2.0、4.0 m處。

每個鉆探取樣檢測孔均見有未固結(jié)的水泥漿及其與砂層所形成的混合物，土體結(jié)構(gòu)已發(fā)生根本性改變。

大部分鉆取出的巖心中水泥漿尚未固結(jié)，有少量成半固結(jié)狀態(tài)，未固結(jié)或半固結(jié)的含有水泥漿的巖心在取出后放入巖心箱內(nèi)12～24 h后逐漸固結(jié)，由此可見隨著時間的推移，注漿效果還會有更大提升。

水泥漿侵入厚度見表3。

表3 水泥漿侵入厚度

鉆探取樣目測結(jié)果表明:

(1)U形管注漿工藝明顯好于直管，并且樁底及樁周0.5 m范圍內(nèi)影響較大，在土體中水泥漿相對集中;直孔則往樁周擴散更明顯。

(2)總的趨勢是0.5 m以外水泥漿侵入厚度漸小，有的雖然水泥漿侵入厚度較大，但水泥漿侵入土體的量在減少;不同探孔位置和地層，水泥漿在取上的巖心樣品中含量在10%～15%之間。

(3)顆粒越粗，孔隙率越大的層位水泥漿越容易侵入。

(4)一般在樁體周圍0.5 m范圍內(nèi)水泥漿含量較高，在三維空間分布上，相同條件下水泥漿向下的滲透能力強，向上滲透能力差，而側(cè)向滲透能力介于兩者之間。(5)在所檢測的試驗樁中，水泥漿滲透深度最大達到11.6 m，根據(jù)工程勘察資料，該樁底處于中粗砂和礫砂地層中，其滲透性好，由此認為孔隙率越大應(yīng)相應(yīng)增加注漿量。

3.5.3 標貫試驗(見表4)

表4 標貫試驗表

注漿后地層強度明顯強于注漿前的地層強度。

注漿前后單樁承載力發(fā)生很大變化，注漿后單樁極限承載力提高195%。

4 幾點認識

4.1 本項工程對拓展樁底壓漿技術(shù)具有深遠意義

樁底后壓漿技術(shù)在國外已有200年歷史，我國20世紀90年代開始在不少城市有應(yīng)用。盡管這項技術(shù)具有諸多優(yōu)點，卻很少得到大規(guī)模的應(yīng)用。其原因就在于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)中樁后注漿內(nèi)容太過寬泛，可操作性差。但凡能將樁加長、加粗、加密解決問題的，設(shè)計單位一般不會采用后壓漿技術(shù)。而在采用后壓漿技術(shù)工程中，一般都遵循誰施工、誰設(shè)計、誰負責(zé)的慣例。絕大部分的后壓漿工程效果檢驗以承載力為唯一標準，因而壓漿后的漿液分布、土體性能的變化等缺少實物資料及相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，樁底壓漿至今仍偏重于經(jīng)驗。

樁底后壓漿的工程實踐中，還沒有與此工程相類似的地質(zhì)條件、超長、超大樁的后壓漿成功案例。這就是為何在第一階段試驗是3根工藝樁(所謂工藝樁是專門用于試驗后壓漿工藝方法的樁基，試驗過后即被廢棄)?；ㄙM如此巨大成本，一方面是科學(xué)的謹慎態(tài)度，但同時也反映出對后壓漿方法在這種地質(zhì)條件下，在超長超大樁基中能否達到預(yù)期效果存在很大的疑慮。

樁基設(shè)計要求提高單樁承載力20%，壓漿試驗要求提高單樁承載力30%。而試驗效果超出預(yù)期，最大提高承載力達到195%。試驗成功，使樁底后壓漿工程的應(yīng)用范圍大為擴展。

檢驗方法也與以往不同。筆者以前所做后壓漿工程的檢驗，是壓漿后的實際承載力與理論設(shè)計值的差值或者是與同一工程未壓漿樁基承載力的差值。而理論設(shè)計值一般都要低于實際值;與同一工程的未壓漿樁基的差值，其誤差無法測量，因此不能確定承載力提高幅度的準確性。而本項工程，是在同一根樁上壓漿前先行測試單樁承載力，壓漿后再測試承載力的變化，因此，其提高幅度是絕對準確的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果讓我們對樁底壓漿的潛力有更深的認識。更可貴的是其鉆探取樣檢驗，提供了漿液分布、土體變化等難得的數(shù)據(jù)，對提高樁底壓漿的理論研究有參考意義。

4.2 注漿總體方案設(shè)計時應(yīng)重點考慮的參數(shù)

注漿總體方案設(shè)計時應(yīng)重點考慮3個參數(shù):漿液配方、壓力、注漿量。

4.2.1 漿液配方

在考慮配方時，水泥漿的強度一般不會太多關(guān)注，重點是水灰比和初凝時間、流動性。水灰比常用0.45～0.55。初凝時間關(guān)系到注漿的范圍控制，是重中之重，一般多選擇初凝時間3～4 h，主要考慮從漿液攪拌到全部漿液送到樁底所需要的時間、機械可能出現(xiàn)故障等意外，留有一定余裕。而檢驗結(jié)果差異太大。壓漿后7天鉆孔取樣，將取樣時間考慮在內(nèi)，取上的樣已是壓漿后8～15天，但絕大多數(shù)樣中水泥漿并未固化，用手捏即變形、碎掉，可見在不同于地面室內(nèi)的溫度、壓力、特別是有地下水的環(huán)境下，水泥漿的初凝和終凝時間會大大延長。筆者曾對深層攪拌樁進行取樣檢驗，在實驗室2 h初凝時間的漿液，噴入土體7天后，也沒有固化(這與本次試驗中的情況相吻合)，而在添加了一定量的生石膏的樁中固化效果相當(dāng)理想。原本也想在此次試驗中加入生石膏，但考慮到流動性會有所降低，試驗耗資巨大，不容失敗，因此采取相對保守的方法。這為后壓漿工程的漿液配方提供了一個教訓(xùn):在地下水條件下初凝時間的準確把握，還是一個有待研究的問題。

4.2.2 壓力和注漿量

這2個參數(shù)決定壓漿成敗，但如何確定又沒有可供操作的依據(jù)。

當(dāng)時的設(shè)計思路:從簡化設(shè)計考慮，將地層分為漿液可滲透與不可滲透的兩類。對不可滲透地層，考慮的是土體壓縮后永久變形，從而改變土體的工程力學(xué)性能，使其成為理想的持力層，與壓入的水泥漿組合成合乎要求的持力層。在不可滲透的地層條件下，主要以壓力為主要控制參數(shù)，目的是將土體擠壓改性。

本項目主要為砂礫層，因此按可滲透的考慮，而可滲透地層主要以孔隙率作為主要設(shè)計依據(jù)。如果此想法成立，則可以采用反推法，即從提高樁基的承載力一定幅度，樁底的持力層應(yīng)該有什么樣的改變。根據(jù)反推過來的地層要求，以此來確定注漿量，注漿壓力則作為次要因素。于是，漿液在樁底會以何種方式擴散，成為確定漿量的關(guān)鍵?？蛇@方面的資料數(shù)據(jù)無從得之。

最后還是決定從經(jīng)驗出發(fā)，確定了注漿量和注漿壓力雙參數(shù)控制的方案。

后來的取樣檢驗結(jié)果，提供了在滲透性地層中水泥漿的分布規(guī)律，即孔隙率大的地層中水泥漿含量明顯大于孔隙率小的地層;在空間分布上，往下最多，往側(cè)次之，最次為往上。

而原先設(shè)計確定的注漿壓力始終無法達到。并且注漿壓力并不隨著注漿量的增加而提高。第一次、第二次和第三次注漿，按常理壓力應(yīng)該是不斷升高的，但實際情況是壓力基本平穩(wěn)。

上述現(xiàn)象說明:注漿量和漿液配方一旦確定，注漿壓力只與孔隙率的大小及水泥漿的流動度、初凝速度有關(guān)，完全成了被動性參數(shù)。本項目中，雖然注漿壓力沒達到預(yù)想，甚至低于以往在Φ1.5 m樁基后壓漿工程的壓力，但樁底土體性能改變非常明顯。標貫數(shù)從原先的最高66擊提高到最低104擊、最高442擊。這些數(shù)據(jù)，還只是在水泥漿并未終凝的情況下檢測得出的，最終的結(jié)果肯定遠高于實測數(shù)據(jù)。

由此可以推想，在滲透性地層中，大部分都是砂性土，沒有粘性，用壓力改變工程力學(xué)性能，只是暫時將孔隙壓縮，一當(dāng)漿液凝固，體積收縮，壓力會有所釋放，加上地下水的作用，被擠壓的砂性土相當(dāng)一部分會恢復(fù)原狀。壓力對于砂性地層性能改變作用很微小。對土體的改變，主要依據(jù)水泥漿滲透，與砂層膠結(jié)形成真正的持力層，從而提高地層的承載力。

綜上，筆者認為:在松散可滲透地層，壓漿設(shè)計只需確定注漿量就行，壓力不做為控制參數(shù);地層越是松散，水泥漿滲透性更好，只要注漿量足夠，地層的性能改變更大，后壓漿提高承載力效果就越明顯。這也是本項目中壓漿效果超出預(yù)期的原因。

4.3 注漿工藝及設(shè)備

注漿器的設(shè)計很費了一番心思。當(dāng)時擔(dān)心和鋼筋籠一起下時可能損壞和變形;上部巨重的混凝土覆蓋下注漿管能否保持完整;在混凝土初凝后通道能否打開。

對此采取的措施是:直管注漿器，采用實心鋼棒車制，保證有足夠的強度。40 cm長的注漿器超出鋼筋籠底，是插入到孔底地層中的。U形管注漿器，是平置在籠底的，采用加厚鋼管。注漿器的孔，用圖釘扣住，再用自粘膠帶纏裹牢實，再套上橡膠車胎保護。在灌注混凝土前，往孔內(nèi)投放20～30 cm的礫料，防止混凝土封死注漿管。整個試驗中沒有一根注漿管出現(xiàn)問題。

樁身混凝土初凝后，注水開塞，最大瞬時壓力直管在4 MPa以內(nèi)，U形管都在6 MPa以內(nèi)，當(dāng)初擔(dān)心的混凝土初凝后堵死注漿孔的事沒有發(fā)生?，F(xiàn)在看來，這個擔(dān)心也許是多余的，因為設(shè)計要求投放礫料20 cm，實際操作中，由于灌注混凝土由其它單位擔(dān)任，投放礫料沒有達到設(shè)計要求，還有一個孔干脆忘記投放礫料了。

注漿泵的選用。BW－320型泵比BW－150型泵要好，主要體現(xiàn)注漿效率高。但在注漿工程量很大的條件下，都不是最佳選擇。2種泵雖然都可以完成注漿任務(wù)，但在注粘稠的水泥漿時，部件容易磨損，外觀容易腐蝕，體積質(zhì)量也大。最好選用砂漿泵，小巧結(jié)實耐用。

攪拌設(shè)備。試驗時使用旋轉(zhuǎn)葉片式攪拌桶，由于攪拌桶上面是敞開的，攪拌速度慢，旋轉(zhuǎn)攪拌質(zhì)量差，效率低。當(dāng)初漿液配方本來想加入一定量的生石膏，但漿液會更粘稠，攪拌要求更高，而旋轉(zhuǎn)葉片式攪拌設(shè)備難以達到要求，可能會導(dǎo)致堵管等惡性故障，因此只好放棄。在施工樁底壓漿時，應(yīng)更換為噴射式攪拌器，體積小，比旋轉(zhuǎn)葉片攪拌效率高，攪拌質(zhì)量好。并且一般應(yīng)該配2套。

5 結(jié)語

雖然在松散軟弱地層中，長度＞110 m、直徑達2.5 m的巨型樁采用后壓漿技術(shù)提高承載力30%以上在我國尚屬首例，但其設(shè)計和施工的技術(shù)，對從事壓漿工程的技術(shù)人員并無艱難深奧可言。它的意義更多的在于對我們思維的拓展，以及對壓漿技術(shù)所具有的潛力認識的提升。鉆孔取樣發(fā)現(xiàn)水泥漿大部分尚未固化的現(xiàn)象對我們提了個警示:自以為不成問題、教科書及規(guī)范給予推薦、室內(nèi)重復(fù)試驗多次得到驗證的配方，其實并不可靠，尤其是對初凝時間有特別要求的樁后壓漿;漿液分布及注漿時的壓力表現(xiàn)，對業(yè)界似乎一致認同的樁后壓漿設(shè)計中壓力、注漿量并重的觀點，是一次沖擊和考驗。

筆者從本工程的試驗所得出的認識和看法，不一定準確和全面，希望本文能夠拋磚引玉，歡迎業(yè)內(nèi)專家和同行批評指正。

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Test of Pile Bottom Post Grouting for Super Long Pile in Sutong Bridge and the Effect

PENG Shi-qi(Jiangsu Insti-tute of Economic＆Trade Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China)

Pile bottom post grouting for friction pile with super long(＞100m)and super large(Φ2.5m)was first applied in loose and soft formation in Sutong Bridge construction in China.Based on the engineering practice，the design and key technical points were introduced.By the analysis on the samples，the obvious difference of slurry initial setting time between ground experiment and underground situation was found.According to the slurry diffusion and permeation conditions by sampling，the grouting amount，not the pressure，is taken as control parameter in permeable formation.

bored grouting pile;pile bottom post grouting;grouting amount;super long pile;Sutong brigde

U443.15+4

A

1672－7428(2011)11－0054－05

2011－07－29;

2011－11－06

彭仕奇(1955－)，男(漢族)，湖南人，江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級工程師，探礦工程專業(yè)，曾多年從事探礦工程及巖土工程技術(shù)工作，江蘇省南京市石江寧大學(xué)城龍眠大道180號，sqczpb@163.com。