灌注樁后注漿技術(shù)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析

武學(xué)文 王玉梅 郭曉品

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066000）

0 引言

隨著我國(guó)土木工程技術(shù)的不斷發(fā)展，高層建筑、大體型建筑以及各類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)條件下的建筑不斷涌現(xiàn)。樁基礎(chǔ)成為這些建筑物基礎(chǔ)的有效解決方案之一。鉆孔灌注樁又是各類(lèi)樁基礎(chǔ)中應(yīng)用相對(duì)廣泛的一種。鉆孔灌注樁在成樁過(guò)程中由于自身的工藝缺陷，導(dǎo)致其存在一定量的樁側(cè)泥皮和樁底沉渣。樁側(cè)泥皮和樁底沉渣的存在限制了灌注樁承載力的有效發(fā)揮。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)單樁承載力的要求越來(lái)越高，單一的鉆孔灌注樁技術(shù)已難以滿(mǎn)足建設(shè)需求?；A(chǔ)工程部分的造價(jià)占整個(gè)建筑物造價(jià)的25%～30%。簡(jiǎn)單的通過(guò)加大樁徑、增加樁長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)建設(shè)成本的非線性增加，其經(jīng)濟(jì)性遭到了投資者的質(zhì)疑。灌注樁后注漿技術(shù)的出現(xiàn)成功解決了上述難題。近些年，灌注樁后注漿技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

1 后注漿技術(shù)原理

灌注樁后注漿技術(shù)首次應(yīng)用于1958年設(shè)計(jì)的委內(nèi)瑞拉Maracaibo（馬拉開(kāi)波湖）大橋樁基礎(chǔ)，隨后陸續(xù)在其他國(guó)家的橋梁工程中應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，北京市建筑工程研究所1983年首創(chuàng)樁端壓力注漿樁。后注漿技術(shù)通過(guò)改善灌注樁樁側(cè)、樁端位置樁土界面薄弱部位的工作性能來(lái)提高承載能力。基本原理為利用預(yù)留的壓力管道向樁端、樁側(cè)界面注入水泥漿液固化劑。漿液在不同樁端和樁側(cè)土層中的擴(kuò)散與加固機(jī)理不盡相同。注入漿液在粗粒土中以滲透固結(jié)為主，在細(xì)粒土中以劈裂注漿為主，起到置換、充填、膠結(jié)、加筋、壓密等一種或多種形式組合的作用。

后注漿的固結(jié)與劈裂加固工作原理示意見(jiàn)圖1［1］。

圖1 后注漿的固結(jié)與劈裂加固工作原理示意圖

2 承載力分析

2.1 樁基方案及有關(guān)參數(shù)

秦皇島地區(qū)某5層倉(cāng)庫(kù)建筑，柱網(wǎng)9.0 m×9.0 m，使用活荷載較大，30～40 kN/m2不等。因臨近建筑物一側(cè)有20 m高擋土墻，天然地基持力層深，基坑開(kāi)挖與支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較大。初步設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁，由于單柱荷載較大，局部甚至出現(xiàn)了以最小樁距布樁仍不能滿(mǎn)足受力要求的情況。同時(shí)，建設(shè)單位與施工單位在成本控制的壓力下，尋求將普通鉆孔灌注樁方案修改為后注漿灌注樁方案。

后注漿灌注樁樁徑D＝800 mm，估算樁長(zhǎng)8.5 m，沿樁周對(duì)稱(chēng)布置2根壓力注漿管。因樁長(zhǎng)較短，注漿方式采用單一樁端注漿。樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，樁端進(jìn)入持力層2.50 m，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值3000 kPa。依勘察報(bào)告，樁側(cè)土層由上至下對(duì)應(yīng)的土層、土層厚度和極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值依次為素填土（2.65 m、20 kPa）、粉質(zhì)黏土（0.60 m、65 kPa）、中粗砂（1.70 m、70 kPa）、砂質(zhì)黏性土（1.00 m、75 kPa）、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（2.50 m、120 kPa）。

2.2 承載力分析與試驗(yàn)結(jié)果

后注漿灌注樁的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［2］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《樁基規(guī)范》）中的公式計(jì)算：

Quk＝uSqsjklj+uS bsiqsiklgi+bpqpkAp

式中：u——樁身周長(zhǎng)，m；

lj——后注漿非豎向增強(qiáng)段第j層土厚度，m；

lgi——后注漿豎向增強(qiáng)段內(nèi)第i層土厚度，m；qsik、qsjk、qspk——分別為后注漿豎向增強(qiáng)段第i層土初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、非豎向增強(qiáng)段第j層土初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、初始極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

bsi、 bp——分別為后注漿側(cè)阻力、端阻力增強(qiáng)系數(shù)。

單一樁端后注漿時(shí)，豎向增強(qiáng)段為樁端以上12 m，不考慮填土層的增強(qiáng)作用，該樁其余土層均位于增強(qiáng)段內(nèi)。后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)除中粗砂取1.7外其余取1.4，后注漿端阻力增強(qiáng)系數(shù)取2.0。據(jù)此可以計(jì)算出后注漿灌注樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為5400 kN。

工程樁正式施工前進(jìn)行了試樁，遺憾的是由于試驗(yàn)費(fèi)用限制和施工進(jìn)度要求，靜載試驗(yàn)時(shí)未能加載至極限破壞狀態(tài)。試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 后注漿灌注樁Q—s曲線

圖3 試樁1的s—lgt曲線

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，荷載—沉降（Q—s）曲線無(wú)陡降，沉降—時(shí)間對(duì)數(shù)（s—lgt）曲線尾部未出現(xiàn)明顯向下彎曲，無(wú)“樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定”的情況，表明各試驗(yàn)樁均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求?？梢?jiàn)后注漿技術(shù)能有效提高灌注樁的承載力，且沉降較小，可以滿(mǎn)足建筑物使用功能要求。試樁沉降及承載力分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試樁沉降及承載力分析數(shù)據(jù)

3 注漿參數(shù)分析

注漿效果的好壞直接影響樁基的承載力，而合理的注漿參數(shù)是取得良好注漿效果的基礎(chǔ)。最優(yōu)注漿量應(yīng)根據(jù)樁長(zhǎng)、樁徑、加固土體特性、承載力增幅等因素綜合取定，不能簡(jiǎn)單的依據(jù)規(guī)范公式計(jì)算得出。最終的注漿參數(shù)仍應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)試樁工藝試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。

3.1 注漿量

注漿量的初步估算可依據(jù)《樁基規(guī)范》公式確定，注漿量計(jì)算公式：

Gc＝ apd＋asnd

式中：ap、 as——分別為樁端、樁側(cè)注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，ap＝ 1.5～1.8， as＝0.5～0.7；

n——樁側(cè)注漿斷面數(shù)；

d——基樁設(shè)計(jì)直徑，m；

Gc——注漿量，以水泥質(zhì)量計(jì)，t。

樁端、樁側(cè)注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)由加固土層性質(zhì)確定，對(duì)獨(dú)立單樁和群樁初始注漿的數(shù)根基樁注漿量按上述估算值乘以1.2的系數(shù)。本例中僅單一樁端注漿，按土層性質(zhì)ap取1.65，計(jì)算得注漿量為1.32～1.58 t。

對(duì)比3種長(zhǎng)徑比的單樁，其承載力隨注漿量的增加而提高，但是注漿量對(duì)基樁承載力的影響曲線逐漸趨于平緩［3］。該研究表明樁端后注漿對(duì)承載力的提高幅度是有極值的，注漿量對(duì)承載力的貢獻(xiàn)僅在一定范圍內(nèi)有效。

3.2 注漿壓力、流量與終止注漿條件

終止注漿壓力應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)及注漿點(diǎn)深度確定，對(duì)風(fēng)化巖宜為3～10 MPa，并按此終止注漿壓力維持不小于3 min。注漿流量不宜超過(guò)75 L/min。終止注漿條件滿(mǎn)足下列之一即可：①注漿總量和注漿壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求；②注漿總量已達(dá)設(shè)計(jì)值的75%，且注漿壓力超過(guò)最大設(shè)計(jì)值。規(guī)定終止注漿的條件是為了保證后注漿的預(yù)期效果及避免無(wú)效過(guò)量注漿。

3.3 漿液水灰比及其他

漿液的水灰比應(yīng)根據(jù)土的飽和度、滲透性確定，對(duì)于飽和土和非飽和土分別宜為0.45～0.65、0.7～0.9，低水灰比漿液宜摻入減水劑。施工時(shí)注意選擇施工工藝，是一次注漿還是二次注漿。注漿開(kāi)始時(shí)間不宜早于成樁后2天，也不宜遲于成樁后30天，過(guò)早注漿有可能影響樁身強(qiáng)度。注漿作業(yè)與成孔作業(yè)應(yīng)間隔10 m以上。樁端注漿應(yīng)對(duì)同一根樁的注漿導(dǎo)管依次實(shí)施等量注漿。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性需要從不同層面進(jìn)行分析，同一層面也有不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可以考量。在此，分別從個(gè)體的單樁經(jīng)濟(jì)性和總體的基礎(chǔ)造價(jià)兩個(gè)層面進(jìn)行對(duì)比分析。為方便計(jì)算和排除不必要的干擾因素，需要作部分假定。假定所有樁長(zhǎng)均為8.5 m，注漿量以中值1.40 t計(jì)。工程實(shí)踐表明，承臺(tái)部分的造價(jià)約占基礎(chǔ)造價(jià)的20%，單樁承載力越低，承臺(tái)造價(jià)越高?？傮w比較時(shí)未考慮承臺(tái)因素對(duì)造價(jià)的影響。

設(shè)計(jì)時(shí)按普通灌注樁單樁承載力特征值1500 kN方案布樁需375根；按后注漿灌注樁單樁承載力特征值2700 kN布樁需234根。梁金永等［4］從樁基優(yōu)化角度提出承載效率指標(biāo)，即樁體單位體積混凝土提供的承載力特征值，同樣適用于經(jīng)濟(jì)性比較。另外，單位承載力特征值基樁造價(jià)指標(biāo)、增量承載力特征值基樁造價(jià)指標(biāo)均能較好地揭示經(jīng)濟(jì)性。單樁經(jīng)濟(jì)性分析見(jiàn)表2?；A(chǔ)工程造價(jià)分析見(jiàn)表3。

表2 單樁經(jīng)濟(jì)性分析

表3 基礎(chǔ)工程造價(jià)分析

由于后注漿技術(shù)較大幅度提高了單樁承載力，其經(jīng)濟(jì)效果明顯。當(dāng)然，影響基礎(chǔ)工程造價(jià)的因素眾多，設(shè)計(jì)過(guò)程中還需結(jié)合上部結(jié)構(gòu)布置形式、荷載分布情況、巖土體特性等因素，合理應(yīng)用灌注樁后注漿技術(shù)，方可得出最佳方案。

5 結(jié)語(yǔ)

灌注樁后注漿技術(shù)具有適應(yīng)性廣，施工方法簡(jiǎn)便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)過(guò)工程樁不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求承載力的情況，故設(shè)計(jì)與施工人員仍須加強(qiáng)質(zhì)量控制。

（1）按照《樁基規(guī)范》公式計(jì)算的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值僅適用于初步設(shè)計(jì)。后注漿灌注樁的單樁極限承載力，應(yīng)通過(guò)靜載試驗(yàn)確定。正式施工前應(yīng)進(jìn)行試樁，靜載試驗(yàn)宜加載至破壞狀態(tài)，避免后期工程樁出現(xiàn)大面積不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求承載力的質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于后注漿樁承載力的提高幅度，端阻的增幅高于側(cè)阻，粗粒土的增幅高于細(xì)粒土，樁端樁側(cè)復(fù)式注漿高于樁端、樁側(cè)單一注漿。

（2）設(shè)計(jì)確定注漿量時(shí)應(yīng)綜合考慮樁長(zhǎng)、土層性質(zhì)等因素。注漿壓力、終止注漿條件等注漿參數(shù)仍宜以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為準(zhǔn)。除設(shè)計(jì)因素外，施工也是決定后注漿效果的關(guān)鍵因素之一。后注漿樁由于承載力提高幅度大，應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。要求施工單位應(yīng)有較高的注漿工藝水平，因地制宜地制定注漿操作規(guī)程和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）后注漿灌注樁具有的顯著經(jīng)濟(jì)效益是毋庸置疑的。不同的地質(zhì)條件、不同的注漿方式對(duì)承載力提高的影響各不相同。如何根據(jù)不同工程的特點(diǎn)調(diào)整設(shè)計(jì)以求達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果仍是一大難題。