大連太平灣工程大直徑灌注樁后壓漿技術(shù)的應(yīng)用

王寧偉，王心哲，韓 旭，王新玲（.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)068；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱50080）

大連太平灣工程大直徑灌注樁后壓漿技術(shù)的應(yīng)用

王寧偉1，2，王心哲1，韓 旭1，王新玲1
（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150080）

近年來(lái) ，鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)在工程中已被大量應(yīng)用。通過(guò)工程實(shí)例，對(duì)比普通灌注樁和采用后壓漿技術(shù)的灌注樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果，著重分析后壓漿技術(shù)對(duì)大直徑鉆孔灌注樁承載性能的影響；結(jié)合超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，探索后壓漿技術(shù)對(duì)樁身完整性的影響；通過(guò)對(duì)后壓漿技術(shù)的工作機(jī)理和施工工藝的介紹，為后壓漿技術(shù)在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。研究表明:采用后壓漿技術(shù)的鉆孔灌注樁樁身無(wú)明顯缺陷，單樁極限承載力得到大幅度提高，并且可以有效避免施工中容易出現(xiàn)的樁底沉渣厚、樁壁土體松軟等問(wèn)題。

大直徑；后壓漿；單樁極限承載力；工作機(jī)理

鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)，即在設(shè)置鉆孔灌注樁后加固樁底以及樁側(cè)的沉渣（虛土）和泥皮，使得灌注樁的穩(wěn)定性和承載力均大幅提升［1］。這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)今建筑物規(guī)模越來(lái)越大，而地基條件越來(lái)越惡劣的情況下 ，大量應(yīng)用于實(shí)際工程中。它保留了混凝土鉆孔灌注樁適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)［2］，又能克服在混凝土鉆孔灌注樁施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的沉渣不清、夾泥等缺陷［3］，成為提高地基承載力的有效方法。

軟土地區(qū)的大直徑灌注樁由于其土質(zhì)具有含水率大、壓縮性高的特點(diǎn)，在施工中很容易出現(xiàn)沉渣過(guò)多等導(dǎo)致承載力降低的問(wèn)題［4］。而后壓漿技術(shù)可以大幅度提高單樁豎向承載力、補(bǔ)強(qiáng)樁底虛土的特點(diǎn)，使其在軟土地區(qū)受到普遍歡迎［5］。下面通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例對(duì)后壓漿技術(shù)在海相軟土地區(qū)如何提高大直徑樁的單樁極限承載力及是否破壞樁身完整性等方面作簡(jiǎn)要介紹。

1 工程實(shí)例

1.1 工程地質(zhì)概況

大連港太平灣港區(qū)散糧泊位工程，擬采用直徑為1 200 mm的鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)。Z1#-Z4#樁為四根試驗(yàn)樁，樁身混凝土強(qiáng)度為C35，其中Z1# 和Z2#樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為29.5 m，樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖深度為2 m；Z3#、Z4#樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為31 m，樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖深度為3.5 m；Z2#、Z4#樁采用后注漿方式補(bǔ)強(qiáng)樁端虛土。根據(jù)設(shè)計(jì)要求4根試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)最大加載量為22 500 kN。本工程勘察場(chǎng)地范圍內(nèi)主要分布地層有第四系全新統(tǒng)海積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層，震旦系永寧組砂巖，各層的主要土性見表1。依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［6］（JGJ94-2008）及大連地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，提出鉆孔灌注樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值 qsik及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk。

表1 地質(zhì)剖面及主要土性指標(biāo)　　單位:kPa

根據(jù)地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，樁端持力層選定在第④3層中風(fēng)化砂巖層。

1.2 超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

為了研究采用后壓漿技術(shù)對(duì)其樁身的質(zhì)量及完整性有無(wú)影響，該工程采用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其樁身進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.1 檢測(cè)方法

如圖1所示，在樁基施工前，對(duì)稱布置四個(gè)聲測(cè)管作為超聲波發(fā)射與接收裝置的工作通道。測(cè)試時(shí)對(duì)稱的兩根聲測(cè)管為一組，即A和C為一組，B和D為一組，檢測(cè)時(shí)將聲測(cè)管注滿清水，利用水在傳輸過(guò)程中的耦合作用，超聲脈沖信號(hào)從任意一根聲測(cè)管中的換能器發(fā)射出去，由另一根聲測(cè)管中的換能器接收聲波信號(hào)，測(cè)定波速、波幅等相關(guān)參數(shù)并采集記錄在儀器中儲(chǔ)存。聲波發(fā)、收裝置在檢測(cè)時(shí)同步向上提升，確保二者處于相同水平高度，遇到數(shù)據(jù)異常時(shí)可采用水平加密、等差同步等方法加密細(xì)測(cè)。

圖1 聲測(cè)管布置圖

1.2.2 檢測(cè)結(jié)果

圖2為采用了后壓漿技術(shù)的Z4#樁的超聲波檢測(cè)的分析數(shù)據(jù)曲線。采用了后壓漿技術(shù)的鉆孔灌注樁混凝土材料密實(shí)度滿足要求，樁體不存在蜂窩，夾泥等質(zhì)量缺陷，參照《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［7］（JGJ106-2003），結(jié)合超聲波檢測(cè)結(jié)果可以判斷該樁屬于一等樁，能夠滿足設(shè)計(jì)要求和工程正常使用。

圖2 分析結(jié)果匯總曲線

1.3 靜載試驗(yàn)

為了確定普通灌注樁和采用后壓漿技術(shù)灌注樁的極限承載力有何差別，采用靜載試驗(yàn)對(duì)其極限承載力進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.1 試驗(yàn)方法

單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)采用堆載的方法，加載反力裝置總質(zhì)量不小于最大加載量的1.2倍，經(jīng)計(jì)算為2 800 t，試驗(yàn)最大加載量為22 500 kN，加載及卸載采用慢速維持荷載法，整個(gè)過(guò)程分10級(jí)加載。

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

由圖3四根試樁的靜載試驗(yàn)曲線可知，Z1#和Z3#樁在試驗(yàn)進(jìn)行至最后一級(jí)維持荷載階段，樁頂混凝土破碎，Q～S曲線圖出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，曲線屬陡降型 Q～S曲線，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［7］（JGJ106-2003）4.4.2條中第1條規(guī)定，取 Q～S曲線圖上發(fā)生明顯陡降起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值20 250 kN作為這兩根樁的單樁豎向抗壓極限承載力。

圖3 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)曲線圖

根據(jù)勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該港口工程大直徑灌注樁的承載力很高，而承載力較高的Z2#和Z4#樁的靜載試驗(yàn)（表2）并未加到其極限荷載。擬采用灰色理論對(duì)其極限承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4和圖5所示，Z2#和Z4#樁的單樁豎向極限承載力分別為24 854 kN和29 064 kN。

圖4 Z2#樁的灰色理論 Q-S曲線圖

圖5 Z4#樁的灰色理論 Q-S曲線圖

由表2可看出，后壓漿灌注樁比普通灌注樁單樁豎向抗壓極限承載力分別提高了23%和44%，后壓漿技術(shù)在該工程中效果突出，承載力滿足筒倉(cāng)設(shè)計(jì)要求，可以節(jié)省大量資金 ，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

表2單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2 后壓漿樁基的工作機(jī)理

2.1 加固機(jī)理

注漿液的原材料主要是水泥漿液和外加劑，在樁端和樁側(cè)壓注漿液，水泥漿本身與沉渣以及泥皮發(fā)生固化反應(yīng)，提高了整體強(qiáng)度。當(dāng)水泥漿以一定的壓力劈裂壓入土體時(shí)，發(fā)生劈裂注漿。劈裂注漿在土體中形成網(wǎng)狀復(fù)合土體，對(duì)土體起到一定的加筋作用［8］。隨著注漿壓力的上升，漿液會(huì)漸漸填充整個(gè)間隙，注漿不斷擠密周圍土體，提高了樁側(cè)摩阻力。此外，部分水泥漿體固著樁身表面和樁底 ，起到擴(kuò)徑和擴(kuò)底作用。

2.2 后壓漿對(duì)樁承載力的增強(qiáng)效應(yīng)

2.2.1 沉渣和泥皮的固化效應(yīng)

當(dāng)水泥漿灌入樁底，固化了粗顆粒沉渣，使粗顆粒作為骨料形成中低強(qiáng)度的混凝土提升了端阻力。水泥漿與細(xì)顆粒沉渣以及虛土同樣因?yàn)楣袒饔眯纬删W(wǎng)狀結(jié)石復(fù)合土體。樁側(cè)阻力也因?yàn)闃渡砟嗥さ墓袒饔玫靡蕴嵘?］。

2.2.2 滲入膠結(jié)效應(yīng)

如果水泥漿灌入后遇到細(xì)粒土，會(huì)發(fā)生滲入膠結(jié)效應(yīng)，即水泥漿與細(xì)粒土發(fā)生作用從而大幅提高地基強(qiáng)度。

2.2.3 擴(kuò)底擴(kuò)徑效應(yīng)

樁底形成擴(kuò)大頭，增加了樁底的承壓面積，起到一定擴(kuò)底擴(kuò)徑效應(yīng)。

2.2.4 劈裂加筋效應(yīng)

通過(guò)水泥漿液的劈裂作用 ，單一土體被加筋成復(fù)合土體 ，復(fù)合土體的強(qiáng)度由于加筋作用而得到了大幅度的提高［10］。

3 后壓漿技術(shù)在軟土地區(qū)的施工工藝

3.1 灌漿系統(tǒng)

如圖6所示，灌漿系統(tǒng)包括順序連接的儲(chǔ)漿筒、壓漿泵、壓漿管，壓漿管開有注漿孔，注漿孔上有單向止?jié){閥。

圖6 樁端壓漿地面示意圖

3.2 成樁工序

按常規(guī)鉆孔灌注樁規(guī)范的要求成樁，包括鉆進(jìn)成孔、下放鋼筋籠、澆筑混凝土等工序［11］。不同之處是在鋼筋籠兩側(cè)需要對(duì)稱布置兩根注漿管，以便于壓力注漿。

3.3 壓漿管布設(shè)方法

如圖7所示，樁底壓漿管的布設(shè)方法主要是在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)對(duì)稱布置兩根通長(zhǎng)的注漿管，注漿管通常要超出鋼筋籠的頂部和底部各400 mm。為避免注漿管管路被混凝土及其他雜物堵塞，在安放注漿管時(shí)應(yīng)在管口處用生膠帶對(duì)其進(jìn)行密封處理［12］。

樁側(cè)壓漿管布置在設(shè)計(jì)標(biāo)高處，布設(shè)方法是在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)對(duì)稱布置兩根鋼管或鍍鋅管。

圖7 樁側(cè)壓漿示意圖

3.4 預(yù)壓水試驗(yàn)

在混凝土澆灌成樁5 d～7 d內(nèi)，應(yīng)對(duì)壓漿管道進(jìn)行預(yù)壓水試驗(yàn)。具體方法是用預(yù)壓水對(duì)管口的生膠帶進(jìn)行劈裂處理，之后通過(guò)注水的方法來(lái)疏通管道，避免管道堵塞［13］。

3.5 壓漿前壓水試驗(yàn)

為了確定注漿的初始?jí)毫Σz驗(yàn)壓漿管是否堵塞，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行壓漿前的壓水試驗(yàn)［14］。其方法是對(duì)壓漿管進(jìn)行持續(xù)的壓水處理 ，壓水的壓力不宜過(guò)小，以免管道未被完全疏通。由于壓水壓力隨著混凝土澆灌時(shí)間的增加而增加，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一般將壓漿前的壓水時(shí)間控制在30 d～60 d內(nèi)為宜。

3.6 壓漿參數(shù)的確定

3.6.1 壓漿起始時(shí)間

確定注漿時(shí)間應(yīng)當(dāng)考慮樁身的強(qiáng)度，因?yàn)樽{壓力可能會(huì)對(duì)樁身材料造成一定程度的破壞。一般來(lái)說(shuō)，注漿要等到樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，同時(shí)高于20 MPa的時(shí)候才開始。保證在注漿過(guò)程中樁身的完好。

3.6.2 漿液配合比

壓漿漿液的配合比要根據(jù)具體的地層條件來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥來(lái)配置壓漿漿液，且水灰比范圍為0.5～0.7，以此來(lái)保證漿液的粘稠度適中，可灌性較好。有時(shí)在鉆探中有大量漏漿的情況，可在漿液中摻入活性粉煤灰，使?jié){液滲透控制在一定范圍之內(nèi)，提高利用效率。

3.6.3 容許注漿壓力

樁長(zhǎng)、注漿時(shí)間等是影響注漿壓力的重要因素。一般情況下，注漿壓力隨著樁長(zhǎng)的增加而變大，這是因?yàn)殡S著樁長(zhǎng)的增加，樁端土的強(qiáng)度會(huì)隨之升高，這時(shí)就需要更大的注漿壓力來(lái)進(jìn)行注漿。在注漿的開始階段，由于要克服很大的初始阻力，注漿壓力一般較大；在平穩(wěn)注漿階段中 ，注漿壓力一般較小；在注漿結(jié)束階段，由于樁身兩側(cè)及樁底已充滿漿液，其強(qiáng)度得到很大的提高 ，此時(shí)則需要較大的注漿壓力來(lái)對(duì)其進(jìn)行注漿［15］。初始和結(jié)束階段的注漿壓力一般控制在1.5 MPa～2 MPa，平穩(wěn)注漿階段的注漿壓力控制在1 MPa左右。

3.6.4 壓漿持續(xù)時(shí)間

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每根樁的壓漿持續(xù)時(shí)間一般不宜大于2 h。

3.7 壓漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

判斷壓漿結(jié)束，首先要觀察壓漿壓力。如果壓漿壓力達(dá)到既定終壓，并能保持5 min～10 min，才符合要求。一般來(lái)說(shuō)，終壓力為初壓力的2倍～3倍。其次，在終壓穩(wěn)定的情況下，漿液的注入量要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于大直徑鉆孔灌注樁，采用后壓漿技術(shù)的灌注樁比普通灌注樁單樁豎向抗壓極限承載力提高了23%～44%左右。后壓漿技術(shù)在該工程中效果突出，承載力滿足筒倉(cāng)設(shè)計(jì)要求 ，可以達(dá)到縮短樁長(zhǎng)、降低造價(jià)的目的，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）對(duì)于大直徑鉆孔灌注樁，采用后壓漿技術(shù)可以有效避免樁底沉渣厚 ，孔底虛土過(guò)多等問(wèn)題。

（3）結(jié)合超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，采用后壓漿技術(shù)的鉆孔灌注樁樁身質(zhì)量良好，能夠滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

（4）總結(jié)壓漿管布設(shè)方法 ，壓漿管結(jié)構(gòu)，漿液配合比，注漿壓力，注漿量及壓漿持續(xù)時(shí)間等多個(gè)影響樁基工程后壓漿技術(shù)的重要因素，為施工過(guò)程提供指導(dǎo)。

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The Application of Post-grouting Technique to Large-diameter Cast-in-situ Piles of Dalian Taiping Bay Project

WANG Ning-wei1，2，WANG Xin-zhe1，HAN Xu1，WANG Xin-ling1
（1.School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，Liaoning 110168，China；2.Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin，Heilongjiang 150080，China）

In recent years，post-grouting technique for the drilling piles has been applied substantially to engineering constructions.Based on an actual engineering project，the results of static tests on ordinary drilling piles and the drilling piles using post-grouting technique were compared，and the effect of post-grouting technique on the bearing capacity of large diameter drilling piles were analyzed emphatically.Then，according to the test results of utrasonic harmless detection，the effect of post-grouting technique on the integrity of the pile body was studied.After that，the working mechanism and the construction techniques of the post-grouting technique were introduced to provide guidance for its application to engineering.The study results indicate that with the application of post-grouting technique，the drilling pile has no obvious defect over the body，the ultimate bearing capacity of a single pile increases considerably，and the common problems in conventional constructions，such as the thick sediment at the pile bottom or soft soil around the pile lining，can be avoided effectively.

large diameter；post-grouting；ultimate bearing capacity of a single pile；working mechanism

TU473.1+4

A

1672—1144（2015）02—0127—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.026

2014-11-08

2014-12-21

王寧偉（1964—），男，遼寧沈陽(yáng)人，教授 ，主要從事灘涂固化、地基處理、基坑工程及城市防災(zāi)減災(zāi)等方面的研究與教學(xué)工作。E-mail:sy wnw@163.com