后注漿技術(shù)在鉆孔灌注樁中的應(yīng)用

李洪宇+秦澤亮+鮑涵+張曉航

摘要： 本文以平潭協(xié)和醫(yī)院項(xiàng)目為工程實(shí)例，對(duì)沖孔灌注樁后注漿技術(shù)進(jìn)行了闡述，對(duì)樁端注漿加固機(jī)理、注漿量與時(shí)間的關(guān)系等方面進(jìn)行了介紹，為以后同類工程施工提供參考。

Abstract： This paper takes the project of Pingtan Xiehe Hospital as an example， elaborates on the post grouting technology of cast-in-place bored pile， introduces pile-end grouting pile reinforcement mechanism， the relationship between quantity and time， etc.， in order to provide references for future similar engineering construction.

關(guān)鍵詞： 灌注樁；后注漿；靜載

Key words： cast-in-place piles；post grouting；static load

中圖分類號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）07-0105-03

0 引言

沿海地區(qū)填海造陸不斷擴(kuò)展，高層建筑建設(shè)中基礎(chǔ)所受荷載越來越大，大直徑鉆孔灌注樁的應(yīng)用日益廣泛。往往施工洗孔過程中很難清除樁端沉渣，嚴(yán)重制約著工程樁的承載力有效發(fā)揮。樁端后注漿是工業(yè)與民用建筑、道路橋梁等工程領(lǐng)域中用于提高單樁承載力、減小樁基變形的一項(xiàng)新技術(shù)。樁端后注漿是指在鉆孔灌注樁澆筑完成后，通過預(yù)先埋設(shè)在鋼筋籠里的注漿管，向樁末端進(jìn)行高壓注漿，對(duì)樁端的沉渣及樁端的樁周土層起到滲透、填充、劈裂及固結(jié)等多種形式組合的不同作用。固化末端沉渣及周邊土層，改善樁與巖、土之間的邊界條件，從而提高樁的承載力并減少沉降量。

1 工程概況

平潭協(xié)和醫(yī)院（一期）工程位于福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)金井灣，總建筑面積154310.62m2，其中地上建筑面積114130.38m2，地下建筑40180.24m2。共設(shè)置有門診樓、住院樓、臺(tái)胞救治中心、放療樓、地下車庫、感染樓、動(dòng)力中心、垃圾收集站、污水處理站。容積率為0.95，建筑密度為17.72%，綠地率36.95%。

場(chǎng)地各土層分布及其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示?；A(chǔ)設(shè)計(jì)采用后注漿鉆孔灌注樁，樁徑為1200mm，持力層為中風(fēng)化花崗巖，且樁端進(jìn)入持力層不小于1m，單樁水泥注入量不小于2500kg，注漿壓力不小于3MPa，單樁豎向抗壓承載力特征值為7800kN。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)工程樁的實(shí)際承載力，選取4根靜壓試驗(yàn)樁進(jìn)行分析研究，編號(hào)分包為Z1、Z2、Z3和Z4，其中Z4沒有進(jìn)行樁端后注漿。4根試樁的基本施工參數(shù)見表2。

2 樁端注漿加固機(jī)理

樁端注漿加固過程包括兩個(gè)部分，即力學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)過程，在不同的施工階段，他們所起的作用不同。在剛開始注漿階段，起主要作用的是力學(xué)機(jī)理。其反應(yīng)過程為：預(yù)先在樁端埋設(shè)注漿鋼管壓注水泥漿液，水泥漿液會(huì)在一定的注漿壓力下首先滲透、填充到松散的樁端沉渣間隙中，與沉渣混合在一起并固結(jié)成一體，有效解決了孔底沉渣的問題。水泥漿液進(jìn)一步向樁端持力層中滲透，在樁端形成擴(kuò)大頭，擴(kuò)大頭隨著壓漿的進(jìn)行不斷增大，對(duì)樁端持力層起壓密作用，同時(shí)還提高了樁端的承壓面積，大大提高了鉆孔灌注樁的單樁豎向承載力。

在完成上述步驟后，樁端持力層土體和水泥漿液得到了充分滲透接觸，之后起主導(dǎo)作用的變成了化學(xué)機(jī)理，具體如下：水泥的主要成分是SiO2、CaO等，這些氧化物通過不同的排列組合能夠形成不同的水泥礦物，比如硅酸二鈣、硅酸三鈣等，與水發(fā)生水解和水化學(xué)反應(yīng)，將加固土里的含水量降低了，使土顆粒間的膠結(jié)增加了。拌合水泥與土顆粒后，水化會(huì)產(chǎn)生一些水化物，比如CSH（水化硅酸鈣）、Ca（OH）2等。溶液中的Ca2+含量增加，與土顆粒發(fā)生陽離子交換作用，等量置換出K+和Na+，形成水泥與較大土顆粒的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，填充、固化了土顆粒間的空隙，形成了具有高強(qiáng)度的一個(gè)整體。

3 注漿量與時(shí)間的關(guān)系

樁端后注漿是指鉆孔灌注樁在下放鋼筋籠時(shí)預(yù)埋注漿管并灌注混凝土成樁，然后在成樁一定時(shí)間后對(duì)注漿管開塞并向樁端高壓注入水泥漿，以加固樁端地層，固化樁端沉渣，從而提高單樁承力，減小沉降的一種施工技術(shù)。確定注漿量時(shí)應(yīng)綜合考慮多項(xiàng)因素，包括設(shè)計(jì)要求、沉渣量、樁長(zhǎng)、樁徑、滲透性能、樁端樁側(cè)土層類別等。在注漿過程中，樁底可灌性的變化直接表現(xiàn)為注漿壓力的變化?？晒嘈院?，注漿壓力則較低，反之，則注漿壓力較高。顯然，注漿壓力會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)動(dòng)態(tài)波動(dòng)范圍，而注漿量和時(shí)間近似呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系。一段時(shí)間后，被注土體下漿液濃度和注漿量會(huì)越來越高，隨之增加的還有注漿壓力。需要注意的是在實(shí)際的注漿過程中，通常首選考慮注漿量因素，其次再考慮注漿壓力因素，這兩項(xiàng)因素都必須安排專人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)情況記錄。

Z1、Z2、Z3樁端注漿量隨時(shí)間變化趨勢(shì)相似，為節(jié)省篇幅，只列出Z1樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的注漿量隨時(shí)間的變化曲線圖，如圖1所示。

4 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)分析

本工程試樁靜載試驗(yàn)采用堆載–反力架裝置，測(cè)試靜載由安裝在樁頂?shù)挠蛪呵Ы镯斶M(jìn)行逐級(jí)加荷，千斤頂所需的反力由混凝土預(yù)制塊堆重平臺(tái)承擔(dān)。測(cè)試加荷方式為慢速維持荷載法，將4臺(tái)5000kN級(jí)千斤頂并聯(lián)，以保證其同步加載，每級(jí)荷載增量均為1560kN，最大測(cè)試荷載均加至15600kN。

樁頂沉降是在樁頂用千分表或位移傳感器測(cè)量得到。樁端沉降則是預(yù)先在打樁時(shí)沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)埋設(shè)外徑 66 mm的水管，然后在66mm水管內(nèi)下放33 mm水管，再在樁頂33 mm水管上設(shè)測(cè)點(diǎn)得到。

4.1 不同荷載下的樁頂和樁端沉降量

由于三根采用后注漿的試樁Z1～Z3在各項(xiàng)參數(shù)上的差距不大，為節(jié)約篇幅，本文只對(duì)試樁 Z1進(jìn)行討論。同時(shí)本文還選取了未注漿試樁Z4進(jìn)行對(duì)比分析。Z4的初次靜載試驗(yàn)已經(jīng)完成，Z1的是在試驗(yàn)后期完成的，結(jié)果兩者在多項(xiàng)數(shù)據(jù)上都存在較大差別，試樁Z4的最大加載值為15600kN。試樁Z1和Z4的荷載-沉降關(guān)系曲線如圖2所示。

分析圖2發(fā)現(xiàn)，荷載較小的情況下，荷載-沉降曲線表現(xiàn)為線性關(guān)系，后來隨著荷載的增加，沉降增速也不斷增加，該曲線開始表現(xiàn)為非線性。當(dāng)荷載較小時(shí)樁端沉降值為0，這是因?yàn)榇藭r(shí)樁頂即產(chǎn)生沉降，而沉降只有在一定荷載下才會(huì)出現(xiàn)。

分析圖2發(fā)現(xiàn)，在荷載同樣是15600kN的情況下，未注漿的試樁Z4其樁端沉降約為21.13mm，樁頂沉降約為41.58mm，而樁端后注漿的試樁Z1其樁端沉降為2.88mm，樁頂沉降為16.63mm，由此可知樁端后注漿能夠降低沉降量，固化樁底沉渣，對(duì)于提高施工效果和質(zhì)量具有較大益處。

按照規(guī)定試樁 Z1～Z3分別將荷載加到了4800kN，發(fā)現(xiàn)雖然樁端開始慢慢出現(xiàn)一些沉降量，但其值都比較小，分別是0.13mm，0.09mm，0.12mm。而未注漿的試樁Z4不同，其在荷載為3500kN的情況下樁端沉降就漸漸出現(xiàn)了，其值約為0.3mm。由此可知，與未注漿的試樁相比，注漿的試樁樁側(cè)摩阻力更高，樁側(cè)土的性狀更強(qiáng)，從而大大提高了樁的承載能力，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

4.2 樁身壓縮量測(cè)算

利用實(shí)測(cè)樁頂、樁端沉降數(shù)據(jù)可以確定樁身壓縮量S，其值可以通過下式獲得：

S=S1-S2 （1）

式中：S1 代表樁頂沉降實(shí)測(cè)值，S2代表樁端沉降實(shí)測(cè)值。

利用式（1）得到的試樁 Z1～Z4的樁身壓縮量見表3。由表3可知，在未達(dá)到樁的極限承載力之前，對(duì)持力層是中風(fēng)化花崗巖的樁基（樁長(zhǎng)35m左右）而言，單樁沉降的一個(gè)重要組成部分就是樁身壓縮量。即使面對(duì)樁頂荷載低于樁極限承載力的情況，采用樁端后注漿的試樁其樁身壓縮量也能占樁頂沉降的75%以上。因此，對(duì)于持力層是中風(fēng)化花崗巖的樁而言，設(shè)計(jì)其樁端后注漿長(zhǎng)樁時(shí)，樁身壓縮量是必須考慮的因素之一。

5 成果總結(jié)

①未注漿的樁端和樁頂沉降值要遠(yuǎn)高于樁端后注漿的樁端和樁頂沉降值。由此可知，樁端后注漿能夠降低沉降量，固化樁底沉渣，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

②當(dāng)荷載較小時(shí)樁端沉降值為0，這是因?yàn)榇藭r(shí)樁頂即產(chǎn)生沉降，而沉降只有在一定荷載下才會(huì)出現(xiàn)。

③采用后注漿的試樁加載到4800kN時(shí)，樁端剛開始有沉降量出現(xiàn)，但其值都比較小，分別是0.13mm，0.09mm，0.12mm。而未注漿的試樁Z4不同，其在荷載為3500kN的情況下樁端沉降就漸漸出現(xiàn)了，其值約為0.3mm。由此可知，與未注漿的試樁相比，注漿的試樁樁側(cè)摩阻力更高，樁側(cè)土的性狀更強(qiáng)，從而大大提高了樁的承載能力，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

④對(duì)本工程中持力層是中風(fēng)化花崗巖的樁基而言，樁身壓縮量是單樁沉降的主要組成部分。采用樁端后注漿的試樁在樁頂荷載低于樁極限承載力時(shí)，樁身壓縮量占樁頂沉降的75%以上，而未采用樁端后注漿的試樁樁身壓縮量占樁頂沉降的比例遠(yuǎn)小于采用樁端后注漿的。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fleming W G K.The improvement of pile performance by base grouting. Proceedings of the Institution of Civil Engineers . 1993.

[2]鄭愛榮，肖大平，諸葛愛軍，陳舉.樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2011（01）.

[3]張嘉鑫，賀可強(qiáng)，豐占海，李晶，張朋.沿海地區(qū)大孔徑鉆孔灌注樁施工孔壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].工程建設(shè)，2016（05）.