樁底后壓漿漿液擴散問題研究

彭仕奇

(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211168)

0 引言

樁底后壓漿具有適用性強，操作方便，有效提高鉆孔灌注樁的承載力、減少樁基工程量、縮短工期、降低工程造價等優(yōu)點，近些年在建筑、交通、水利等部門中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。然而，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，預(yù)先精確設(shè)定漿液配方、注漿壓力、注漿量難度很大，到目前仍然還是主要依據(jù)經(jīng)驗。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)[1]給出的僅是參考值?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTG TF 50－2011)[2]只做了原則規(guī)定。2個規(guī)范中都要求先行進行試驗。因此，樁后注漿通常都只是在常規(guī)設(shè)計難以滿足要求的特殊情況下采用。從這項技術(shù)的諸多優(yōu)點看，并未充分發(fā)揮其潛能。

近年來，不少學(xué)者對該項技術(shù)進行了研究[3～7]，其主要研究方向和重點是水泥漿不同水灰比所屬流型、流動形態(tài)、擴散半徑、對地層加固的作用機理、以及擴散半徑與地質(zhì)條件、水灰比、注漿壓力、注漿時間等的相聯(lián)關(guān)系。主要的研究手段是室內(nèi)模擬試驗。在滲透性地層條件下，水泥漿的擴散狀態(tài)，對樁基承載力起決定性的作用，對此進行的研究，方向無疑是準(zhǔn)確的。其成果對注漿設(shè)計有指導(dǎo)意義。但是，室內(nèi)模擬有很大的局限性，原因在于地下是一個開放的系統(tǒng)，而室內(nèi)試驗做不到;其次地下是承壓的，并且不同深度壓力也不同;地下是有壓力水的，水泥漿向上、向側(cè)、向下受到的壓力是不一樣的，對水泥漿的擴散形態(tài)有決定性的影響;再次，地下的地層往往是變化的，是不均質(zhì)的。上述因素對水泥漿的擴散都有重大影響。而這些條件在室內(nèi)試驗中很難進行模擬。筆者在蘇通大橋二期試樁中，對6根樁進行注漿效果鉆探取樣檢測，現(xiàn)場實物樣品顯示，地面試驗結(jié)果和地下實際狀況存在很大差異。

1 鉆探取樣說明

蘇通大橋二期試樁總共鉆進9孔，其中3個只成孔，不灌注砼，做成孔工藝研究。6孔灌注成樁，進行注漿試驗并鉆探取樣檢測注漿效果，見表1。

鉆探取樣孔的布置為:工藝樁2和SZ4樁只布設(shè)樁底孔，預(yù)先將PVC管隨鋼筋籠下入樁孔內(nèi)。其它樁除樁底孔，沿樁周四個方向布設(shè)4個鉆探孔，分別距離樁周邊0.5、1、2、4 m。SZ3 樁距樁周邊 4 m處鉆孔為注漿前施工，做CT測試用。

表1 蘇通大橋二期試樁鉆探取樣一覽

在工程勘察報告中，地層分層較為粗略，因此在鉆探取樣的同時，對地層的構(gòu)造進行詳細(xì)分層。大部分樁底實際地層構(gòu)成屬于粉細(xì)砂、細(xì)砂、粗砂、含砂粗砂、礫砂交互地層，地層變化較大。但均屬于明確的可滲透地層。地層情況見表2。

表2 地層工程地質(zhì)特征表

2 漿液在樁底的固結(jié)狀態(tài)

鉆探取樣總計21個鉆孔，從注漿完成7天后開始施工，76天后結(jié)束，取心總長度為208.9 m。大部分鉆孔取出的樣品未固結(jié)硬化，用手捏即碎。只有少部分孔取上了部分固結(jié)的樣品。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 取得固結(jié)樣品探孔統(tǒng)計

計有3根樁、7個取樣孔見有固結(jié)樣品，占取樣孔的30%。而每孔固結(jié)樣品占該孔樣品總量的20%～30%。未固結(jié)樣品在地面自然條件下12～24 h后固結(jié)硬化。

鉆孔取樣從6月21日開始施工，從開工日保守計算，最先取上固結(jié)硬化樣品SZ2孔為8月12日，與鉆探取樣開工時間已經(jīng)過去52天，最遲的為SZ3，時間是9月4日，距開工已經(jīng)過去76天。盡管SZ3四個鉆孔都取上了固結(jié)樣品，但其數(shù)量僅約為該樁所取樣品的30%。

蘇通大橋二期試樁的樁底注漿，是由3家公司各自單獨設(shè)計配方、制定注漿量、注漿壓力等工藝參數(shù)，并施工完成的，相互間并沒有交流和參照。很吻合的是，3根取上有固結(jié)樣品的樁，分屬3家公司。

其中固結(jié)最好的SZ3樁和工藝樁4為同一家公司施工，漿液配方如下:水灰比 W/C=0.5 ～0.55，U型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‰。

漿液的主要性能指標(biāo):初凝時間3～4 h;漿液稠度20 s;7天強度≥10 MPa。

顯然，樣品顯示的結(jié)果與地表試驗差異巨大。然而，這個配方完全符合文獻[1]要求，也是現(xiàn)在注漿設(shè)計和施工中的常用配方，但工藝樁4仍出現(xiàn)樁底水泥漿長時間未固結(jié)，可見這種情況在目前樁底注漿中不是個案。筆者以往在對深層攪拌樁進行鉆探取樣中，絕大多數(shù)也出現(xiàn)水泥土尚未固結(jié)的現(xiàn)象。

目前樁底注漿的常用水泥漿配方，在地面實驗室測試出的初凝、終凝時間、強度等指標(biāo)，在有壓力、溫度、特別是有地下水的樁底都是不可靠的。由于樁基的承載力測試達到設(shè)計要求，以及樁底注漿很少使用鉆探取樣的檢測手段，所以這一事實未引起人們的充分認(rèn)識和足夠重視。

這對我們有2點啟示:

(1)這是一個尚待研究解決的問題。如果水泥漿在孔底長時間未能初凝，那么所有以此為前提的工藝設(shè)計就失去了依據(jù)，成為多余甚至有害，比如分次注漿規(guī)定。因為二次注漿間的注水替漿，會因此稀釋注入的漿液，進一步影響漿液的凝固。

(2)對樁底后注漿的側(cè)阻、端阻、極限承載力的測試，是在樁底漿液并未完全固結(jié)、樁底地層膠結(jié)體強度遠(yuǎn)低于漿液終凝后的數(shù)據(jù)，并不意味最終結(jié)果。因此，有可能樁底后注漿的巨大潛力尚未真正認(rèn)識并深入發(fā)掘。同時，也突顯出對此項技術(shù)進行深入研究具有更大的潛在價值。

3 漿液在樁底的擴散狀態(tài)

6根樁的鉆探地層分層及漿液擴散分布見圖1～6。漿液在孔底的擴散有如下規(guī)律。

圖1 工藝樁6鉆孔取樣剖面圖

圖2 SZ3樁鉆孔取樣剖面圖

圖3 工藝樁4鉆孔取樣剖面圖

圖4 SZ2樁鉆孔取樣剖面圖

圖5 SZ4樁鉆孔取樣剖面圖

圖6 工藝樁2鉆孔取樣剖面圖

(1)在相同地層中，漿液的擴散規(guī)律是向下滲透最佳、向側(cè)其次、向上最差。如SZ3樁(圖2)，位于樁底的SZ3－0孔，地層上部為礫砂、下部粉細(xì)砂，水泥漿侵入至粉細(xì)砂層，深達9.8 m。距樁周邊0.5、1、2 m的鉆探孔，地層為含礫中粗砂、礫砂，其滲透性明顯強于粉細(xì)砂，但水泥漿侵入還不到3 m，而向下侵入達到將近9 m，其向下與向上的比例約為3∶1。由于水泥漿液在樁底有壓力下的擴散規(guī)律，因此樁底注漿對端阻的提高要明顯高于側(cè)阻的提高。

(2)漿液在樁底擴散受很多條件影響，其中受地層條件的影響最為明顯。在有地層變化的情況下，地層組成成分顆粒越粗、孔隙率越大，水泥漿擴散越容易，擴散范圍越大。據(jù)此，期待控制注漿漿液參數(shù)達到控制漿液的擴散半徑是不現(xiàn)實的。更可行的方法是對地層做細(xì)致的勘察，根據(jù)漿液的擴散規(guī)律，科學(xué)選擇樁基底部深度，不做無效的控制，但可以做到準(zhǔn)確預(yù)測漿液的擴散范圍。

(3)從樣品中水泥漿含量看，離注漿管出漿處越近水泥漿含量越高，越遠(yuǎn)含量越少;地層組成顆粒越粗，水泥漿含量越多。中粗砂和礫砂地層水泥漿含量明顯高于粉細(xì)砂。

(4)水泥漿沿樁間壁上返高度。上返高度對樁側(cè)阻的提高有重要意義。但是，鉆探取樣很困難，無法實證。但從現(xiàn)有的研究成果分析，樁間壁水泥漿的上返高度與成孔方法有相聯(lián)關(guān)系:反循環(huán)成孔比正循環(huán)成孔的孔壁更規(guī)則;使用高分子泥漿處理劑，泥皮薄而堅韌，孔壁更光滑;自然造漿成孔，泥皮厚而松散，都會對漿液上返高度有一定影響。但與上返高度相關(guān)性最大的是樁底地層條件，也是決定性的。如果樁底的地層側(cè)向和向下的地層松散，滲透性較好，漿液上返的高度就差，如果側(cè)向、特別是向下的地層滲透性差，漿液上返的高度就更好。工藝樁6(圖1)與工藝樁4(圖3)由于孔底往下5 m即為不可滲透的亞粘土層，使得漿液向上擴散，漿液上返高度是所有樁中最多的，但也僅為5 m。

4 結(jié)論

(1)在可滲透性地層中，按常規(guī)配比的漿液，在樁底不同于地表的壓力、溫度、地下水的環(huán)境下，凝結(jié)固化時間比室內(nèi)試驗延遲數(shù)天至數(shù)十天。因此不能單憑室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)來制定相應(yīng)工藝方案。而在灌注幾天后進行的承載力測試很可能不是最終結(jié)果。

(2)在相似均質(zhì)地層中，漿液擴散有明顯的規(guī)律:向下與向上擴散的比例約為3∶1，向側(cè)居二者之間。

(3)在交互地層中，漿液擴散的規(guī)律是:顆粒越粗、孔隙越大，滲透性就越好，則擴散越遠(yuǎn)、含量越多。地層條件對擴散效果起決定作用。

(4)漿液在向上、向側(cè)、向下的三維空間擴散上，由地層條件決定，無法人為控制。只有將注漿地層勘察清楚，才可能準(zhǔn)確預(yù)測漿液的擴散狀態(tài)，從而制定科學(xué)的注漿方案。

(5)現(xiàn)在業(yè)內(nèi)主要研究漿液擴散半徑。這種研究主要采用室內(nèi)試驗，由于沒有考慮并模擬地下復(fù)雜環(huán)境，因此其成果更適于帷幕注漿。而對于樁底注漿，水泥漿在孔底的擴散形態(tài)的研究更具實際意義。

[1] GJ 94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTG TF 50－2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 劉衛(wèi)衛(wèi)，姜鵬飛，等.東升水電站導(dǎo)流墻固結(jié)灌漿施工工藝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9):71 －74.

[4] 潘宏雨，孫芳.鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)實踐及其效果分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(7):56 －58.

[5] 彭仕奇.蘇通大橋超長樁樁底后壓漿試驗及效果[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(11):54 －58.

[6] 李糧綱，唐平，何維山，等.深礦鉆孔帷幕灌漿的數(shù)值模擬與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(12):36 －40.

[7] 麥榮強，曾憲斌.帷幕灌漿技術(shù)在橋墩施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(8):66－68.