后壓漿技術在西安地區(qū)砂土中的應用

孫虎平，余鳳翔

（1.西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.中鐵第一勘察設計院集團公司，陜西 西安 710043）

0 前言

樁基礎是我國高層建筑、公路、城市橋梁工程等采用最多的基礎形式之一，其中很大一部分采用鉆孔灌注樁。目前在鉆孔施工技術、樁徑和樁長等方面均取得很大發(fā)展，如橋梁工程中最大樁長已達125 m，樁徑3.0 m，單樁承載力高達12 000 t。但由于受施工工藝影響，鉆孔灌注樁還存在一些影響樁基承載力的因素。

（1）在成孔過程中，采用泥漿護壁形成泥皮，降低了樁側摩阻力。摩阻力降低的程度與泥皮的質量、厚度等有關，泥皮質量越好，厚度越大，摩阻力越低。

（2）成孔后，孔周邊形成了較大的自由面，改變了地層的初始應力狀態(tài)，孔周土體向孔中心產生不同程度的位移，導致孔周一點范圍內原有土體的密實度降低，從而使樁土間側摩阻力降低。

（3）施工過程中，由于使用泥漿作為沖洗介質，無論采取何種清孔工藝，很難將孔內沉渣全部帶出至地表。特別是當孔內泥漿比重、粘度較大，清孔不徹底時，沉渣往往較厚。故孔底沉渣的存在是影響鉆孔灌注樁承載力的重要因素之一。

（4）孔壁受水浸泡，使樁周土的抗剪強度降低及樁身混凝土收縮等均會導致樁側摩阻力的降低。

經理論研究及實驗證實，采用樁端壓漿工藝可有效的消除上述不利因素的影響并達到提高鉆孔灌注樁承載力的目的。具有重要的工程使用價值。

1 鉆孔灌注樁后壓漿技術

鉆孔灌注樁后壓漿技術是成樁時在樁體內某一位置預置壓漿管路，待樁身達到一定強度后，通過壓漿管路，利用高壓壓漿泵壓注以水泥為主劑的漿液到樁周（包括樁底）的土體中，以達到對樁端沉渣、樁側泥皮及樁周土體起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結等作用。其目的是通過改變土體的物理力學性能及樁土間邊界條件，以達到提高樁的承載力，減少沉降量。

1.1 漿液擴散機理

漿液擴散機理隨土層類別、性質、上覆壓力、邊界條件等而變化，可分為充填注漿、滲透注漿、劈裂注漿、擠密注漿四種情況。在實際壓漿過程中，并不是某一種漿液擴散形式單獨作用，而是以一種或二種擴散形式為主，其它形式為輔，同時作用。

充填注漿：多用于土層內大孔隙、大空間的注漿，如卵石層、碎石層、砂礫層中注漿，漿液固結形態(tài)與土層內的原有空洞相同。

滲透注漿：漿液在壓力作用下，克服漿液流動的各種阻力，滲入土的孔隙和巖土裂隙中，將孔隙中的自由水和氣體排擠出去，漿液凝固后把土顆粒粘接在一起，形成水泥土結石體，使土層的抗壓強度和變形模量得以提高。

劈裂注漿：在壓力作用下，漿液克服地層的初始應力和抗拉強度，引起土體結構的分塊（片）破壞，使其沿垂直于較小主應力的平面上發(fā)生劈裂，形成新的裂隙，漿液進入到裂隙中，形成縱橫交叉的脈狀網絡，這一過程壓密了分塊（片）土體，提高了土抗力。

擠密注漿：用一定的壓力壓入粘稠的漿液，取代并擠密注漿點土體，在注漿管端部附近形成“漿泡”。當漿泡的直徑較小時，灌漿壓力基本上沿鉆孔的徑向擴展。隨著漿泡尺寸的逐漸增大，便產生較大的上抬力而使地層抬動。常用于中砂地基，粘土地基中若有適宜的排水條件也可采用。

1.2 影響樁端后壓漿承載力的因素

影響樁端后壓漿承載力的因素大體可分為兩方面：一是漿液的種類。涉及滲透性、固結性、耐久性、有效顆粒物等；二是后壓漿施工因素。包括壓漿裝置的形式，壓漿路徑的暢通，壓漿量，壓漿壓力等。

（1）樁端土層的性質

一般來說，在其他條件相同的情況下，樁端為卵礫石、砂礫石、砂等粗粒土時因其滲透性較好且自身強度大而比樁端為粉細砂等細粒土時的承載力提高的幅度大。

在粗粒土（孔隙率較大的卵礫石、中粗砂等）中壓漿時，漿液滲入率高 ，通過滲透、部分擠密、填充及固結作用，大幅度提高持力層受荷面積及持力層的強度和變形模量。

在細粒土 (粘性土、粉土、粉細砂等 )中壓漿時，漿液滲入率低 ，實現(xiàn)劈裂壓漿，土體被網狀結石分割加筋成復合土體，它能有效地傳遞和分擔荷載，極限承載力增幅通常在14%～88%的范圍內，個別樁的增幅可達106%～138%，其增幅較在粗粒土中壓漿時小。

（2）壓漿量（水泥量）：在土層性質、樁端壓力注漿裝置形式、樁體尺寸、壓漿工藝及壓漿壓力等條件相同的前提下 ,對于樁端壓漿而言 ,壓漿量多者承載力增幅一般也大。

（3）壓漿壓力：壓漿壓力影響注漿范圍，一般情況下，土體被加固的范圍越大，土體承載力增幅也越大。

（4）漿液種類:：漿液壓漿工藝的基本要求是漿液必須滲入土體的孔隙，即漿材顆粒尺寸應遠小于孔隙尺寸。另膠料的耐久性、強度等也直接影響著注漿加固的效果。

普通水泥最大顆粒尺寸約在 60～100μm（0.06～0.10 m m）之間,其漿液難于進入滲透系數(shù)k<5×10-2c m/s的砂土孔隙或寬度小于200μm的裂隙。

為了提高水泥漿液的可注性，國外常采用把普通水泥漿材再次磨細的方法 ,從而獲得平均粒徑小于3～4μm的超細水泥。

2 工程實例

西安市東風路灞河橋，橋梁全長505.3 m，寬53.5m。主橋采用兩跨89.2m半中承式連續(xù)系桿拱橋，引橋采用小箱梁?；A采用鉆孔灌注樁群樁基礎，其中主橋樁徑2m，樁長為39～45m；引橋樁徑1.2m、1.5 m，樁長為20～33 m。均采用樁端后壓漿工藝。

2.1 地質概況

據(jù)勘探揭露，場地內地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），沖湖積（Q4al+l）沖填土、沖湖積（Q4al+l）砂礫及上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）粉質粘土、砂礫和中更新統(tǒng)沖積（Q2al）粉質粘土、中粗砂組成。各層土鉆孔樁承載力計算參數(shù)建議值見表1。

表1 鉆孔樁承載力計算參數(shù)建議值表

2.2 試樁設計參數(shù)

為驗證樁端壓漿后實際承載力以保證設計橋梁安全，特在橋梁3#墩、5#墩、7#墩下游分別布置試驗樁，實施后壓漿樁基的靜載試驗。為能夠進行科學對比，另選取工程樁2-12實施了非后壓漿樁的試驗。具體參數(shù)見表2。

表2 試樁參數(shù)表

2.3 承載力測試結果

試樁測試采用自平衡試樁法，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，取荷載平衡點（荷載箱）上部樁側阻力修正系數(shù)0.8，得出4根試樁的極限承載力和相應的樁頂位移見表3。各樁的等效荷載曲線見圖1～圖4。

表3 各樁極限承載力及相應的樁頂位移

圖1 2-12樁等效荷載位移曲線

圖2 3#樁等效荷載位移曲線

圖3 5#樁等效荷載位移曲線

圖4 7#樁等效荷載位移曲線

2.4 后壓漿對承載力影響分析

通過2-12未壓漿樁基的試驗結果與3#、5#樁端壓漿試驗樁的試驗結果對比，得出承載力提高了38.0%。

3 樁端后壓漿設計

樁端后壓漿設計包括合理壓漿量、壓漿壓力、后壓漿樁承載力的設計計算。

3.1 合理壓漿量

后壓漿樁承載力和壓漿量有很大關系。在一定范圍內，承載力提高幅度和壓漿量成正比，但當壓漿量超過一定量時，增加壓漿量，承載力不提高或提高幅度極小，因此存在一個合理的壓漿量或界限壓漿量。但由于地下土層的復雜性，加上施工過程的影響，準確地計算合理壓漿量比較困難，實際中常用下列經驗公式來估算。

式中:GC——注漿量，以水泥重量計（t）；

d——樁直徑(m)；

αp——注漿量經驗系數(shù)。

經驗系數(shù)αp取值范圍見表4。

表4 注漿量經驗系數(shù)αp

使用該公式時應注意：

（1）本公式適用于較長較大直徑鉆孔灌注樁注漿量的計算;

（2）本公式為經驗公式，考慮到施工中很多的影響因素，沒有對實際問題進行理想化和一系列的假定，具有一定的實用價值;

（3）本公式考慮到土層對注漿量的影響，但影響趨勢不太明顯,如粉砂的系數(shù)取值整體大于細砂，這與理論不相符合,在實際計算時，可以通過取值來實現(xiàn)增長趨勢的變化。

3.2 承載力計算建議

目前，承載力計算公式大多采用的是建科院公式，公式如下。

式中：Qsk1，Qsk2——樁上部未壓漿側阻力和樁端壓漿上返段側阻力；

Qpk——壓漿后樁端阻力

qski,qPk——極限側阻力和端阻力；

Li——樁側的第i層土厚度;

U,Ap——樁身周長和樁端面積；

ξsi——側阻力增強系數(shù)，側阻力的增強范圍在樁端以上10～20 m范圍，ξsi按表5取值,其他位置ξsi取1.0；

ξp——樁端力增強系數(shù)，按表5取值；

λg——壓漿量修正系數(shù)，λg＝實際壓漿量/合理壓漿量，取λg≤1.0。

表5 側阻力增強系數(shù)ξsi，端阻力增強系數(shù)ξp

在總結現(xiàn)有承載力計算公式的基礎上，根據(jù)現(xiàn)有工程資料，結合東風路灞河橋樁端后壓漿試樁工程試驗，以樁徑、樁長和合理的注漿量為變量，按土層分類，對壓漿前后極限承載力一系列數(shù)據(jù)進行對比分析、歸納總結，以得出側阻力增強系數(shù)βsi和端阻力增強系數(shù)βp。同時考慮到了建科院公式中指出的注漿量合理影響，改進出如下公式。

式中:Quk——樁端后壓漿灌注樁的單樁軸向受壓承載力；

qsik,qPk——極限側阻力和端阻力；

Li——樁側的第i層土厚度;

U,Ap——樁身周長和樁端面積；

βski——側阻力增強系數(shù)，側阻力的增強范圍,

當在飽和土層中壓漿時，取樁端以上8.0～12.0m；當在非飽和土層中壓漿時，取樁端以上 4.0～5.0 m，βski按表 6取值,其他位置βski取1.0；

βpk——樁端力增強系數(shù)，按表7取值；

λg——壓漿量修正系數(shù)，λg＝實際壓漿量/合理壓漿量，一般取λg≤1.0。

表6 側阻力增強系數(shù)βski

表7 端阻力增強系數(shù)βpk

使用該公式時應注意：

（1）由于參數(shù)綜合考慮施工中各影響因素的間接影響，比如返漿效果、土的上抬、各土層的吸收、滲透等，考慮了施工過程中可能出現(xiàn)的一些問題，具有一定的實際應用價值。

（2）由于較長較大直徑鉆孔灌注樁的廣泛使用和后壓漿技術的普遍推廣，所以對較長較大直徑鉆孔灌注樁承載力計算公式的需要更為迫切。而本文所統(tǒng)計數(shù)據(jù)均為樁徑大于0.8 m且樁長大于40 m的大直徑鉆孔灌注樁，因此對目前橋梁設計采用的直徑較大且長度較長的樁來說，計算結果更接近于實際。

（3）本文改進的公式考慮了壓漿量在樁基承載力中發(fā)揮的作用。

（4）對于土層的歸類，以偏于安全的準則進行歸類，如將“粗砂和礫砂夾層”均歸為“粗砂”類。

（5）對樁端后壓漿而言，在計算承載力時，對樁側僅考慮4.0～12.0 m的影響范圍。而在統(tǒng)計時，對于部分返漿效果比較好的，也作了統(tǒng)計，與理論有所偏差，但可以作為安全儲備來考慮。

（6）壓漿量對承載力的影響本公式是通過λg來體現(xiàn)的，當壓漿量超過合理壓漿量時，取λg＝1，保守認為超過合理壓漿量的部分對承載力沒有貢獻，而實際上壓漿效果會隨著注漿量的增大而效果會逐漸增加，只是增加的幅度會減小。所以這和實際情況不相符合。但可以以此提高安全系數(shù)。

4 結論

（1）根據(jù)壓漿后樁的試驗數(shù)據(jù)，驗證了后壓漿工藝在樁端持力層為砂土層時的壓漿效果，取得了一定的成果。

（2）通過總結國內外樁端后壓漿合理壓漿量和承載力計算公式，結合本橋的試驗成果，改進提出了樁基承載力計算公式。

（3）通過對東風路灞河橋試樁的工程實踐分析，證實了后壓漿工藝能提高30%以上的樁基承載力，且具有很好的經濟性。

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