桩端后压浆技术在钻孔灌注桩桩基工程中分析应用

'桩端后压浆技术在钻孔灌注桩桩基工程中分析应用摘要：本文结合工程实例，并根据工程地质情况，详细分析阐述了钻孔灌注桩承载力和桩端桩侧后压浆施工技术及质量控制措施。试验检测结果表明，在一般施工的钻孔灌注桩承载力达不到设计要求时，可对桩基进行后压浆处理，处理后单桩竖向承载力有大幅度提高，且经济性能较好。关键词：钻孔灌注桩；后压浆；单桩竖向承载力；静载荷试验O前言桩端后压浆技术是建设部近年来正在推广的十项新技术之一，其技术原理是在灌注桩成桩、桩身混凝土达到预定强度后，采用高压注浆泵通过预埋注浆管注入水泥浆液或水泥与其它材料的混合浆液，浆液渗透到疏松的桩端虚尖中，结合形成强度较高的混凝土；随着注浆量的增加，水泥浆液不断向因泥浆浸泡而松软的桩端持力层中渗透，在桩端形成“梨形体”，增加了桩端的承压面积，相当于对钻孔桩进行扩底。当“梨形体”10 不断增大时，渗透能力受到周围致密土层的限制，使压力不断升高，对桩端土层进行挤压、密实、充填、固集，将使桩底沉渣、桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密，使桩土间界面的几何和力学条件得以改善，提高了桩端土体的承载力，从而大幅度提高了单桩承载力。因此，对其在实践中的应用及效果进行科学基础上的分析研究有极强的现实意义。1工程概况浙江某高层住宅楼工程，总建筑面积20679M2，建筑物为地上17层，局部地下1层，基础为钻孔灌注桩基础。该工程的钻孔灌注桩直径为700mm和900mm两种，设计桩长10m～15m，极限承载力分别为2300kN和5600kN，桩身混凝土强度等级为C30，共设计钢筋混凝土钻孔灌注桩117根，其中700mm桩62根，900mm桩55根。本项目采用了对桩基进行后压浆处理的施工工艺，取得了良好的效益。本工程场地范围内地层由第四纪杂填土，粘性土，粗砂，卵石层和强风化泥质粉砂岩组成，各土层的物理力学指标见表1。表1各土层的物理力学参数2钻孔灌注桩试桩承载力分析10 按照先施工试桩再确定大面积桩基方案的原则，第一次做了2根试桩，选取有代表性的两种直径的桩两条，桩长分别为10．3m和12．6m。竖向静载试验采用反力系统为锚桩与配重联合法，加载方式采用慢速维持荷载法。对2根桩进行了竖向静载试验，具体标准按《建筑桩基技术规范》(JGLJ94―94)及《建筑桩基检测技术标准》(JGJ106―2003)进行，具体分析如下：(1)S1号桩端作用于卵石层上，入卵石层1m，桩长10．3m。静载荷试验第一级荷载为700kN，加载级差为700kN；Q―s曲线为陡变型，历时24h，桩顶累积沉降已达78．89mm，超过60mm，已破坏，最大加载量为2800kN，取极限荷载为2100kN，见图1。(2)S2号桩端作用于强风化泥岩上，入强风化泥岩1m，桩长12．6m。试验第一级荷载为1200kN，加载级差为600kN，Q―s曲线为缓变型，历时36h，桩顶累积沉降已达69．95mm，超过60mm，已破坏，最大加载量6000kN，取极限荷载为5400kN，见图2。图1S1桩Q―s曲线分析图图2S2桩Q―S曲线分析图试桩结果发现单桩竖向极限承载力均不满足设计要求2300kN和5600kN，究其原因，主要是因为沉降量过大，桩端阻力未得到充分发挥。经研究，决定采用钻孔灌注桩后压浆技术来提高桩基的承载力，减小沉降量，通过第二次试桩加以验证。3灌注桩基承载力原理10 在混凝土浇注达到一定龄期(一般3～7d)后向管内压注一定水灰比的水泥浆以达到加固桩底及桩周土体，从而提高承载力的一种技术。桩端后压浆灌注桩与不压浆桩受力状态。钻孔灌注桩桩端后压浆时，浆液首先进入桩底沉渣中并与之相结合，顺着空隙，裂隙向周围劈裂，形成树根状网，随着压力增加，浆液向四周渗透，同时桩底形成梨形扩大头，浆液顺桩身上行，和桩周泥皮作用，这时桩身缺陷部位也得到了一定的补强，整个过程主要有以下几个作用。3．1胶结固化沉渣作用向桩底压注水泥浆时，浆液是由下而上渗透的，浆液与桩底沉渣相结合，形成了强度较高的结石。从而消除了桩底沉渣对单桩承载力的不利影响，提高了桩端承载力并减小了桩的沉降。3．2挤密加固桩周土体的作用通过水泥浆液的劈裂渗透：①桩底土体被挤压密实，土体强度得以增强，桩端承载力提高。②随着压浆力逐渐提高，水泥浆液的扩散距离和可灌性逐渐增大，可在桩周围受影响范围内形成2～20mm厚的水泥结石套，桩侧泥皮被固化，摩擦系数提高，侧压力增大，从而侧阻力得到提高。3．3预应力作用压浆桩在桩端压力作用下，对桩由下而上施加一个预应力，能使桩身微微上抬，当桩承受竖向荷载时，此反向预应力承担部分荷载，从而提高单桩承载力。4灌注桩桩端桩侧后压浆施工技术10 4．1后压浆施工技术工艺流程：方案设计--->(注浆参数)钻孔--->下钢筋笼--->埋设注浆管--->(清孔)浇注混凝土--->(经过7h--24h)清水劈裂注浆--->(经过7d～25d龄期)初注浆--->(监测上抬及泛浆)观测注浆压力、注浆量--->记录最大压力最终注浆量--->成桩。后压浆主要施工技术措施如下：4．1．1压浆管的制作在制作钢筋笼的同时制作压浆管。压浆管采用直径为25mm的黑铁管制作，接头采用丝扣连接，两端采用丝堵封严。压浆管长度比钢筋笼长度多出55cm，在桩底部长出钢筋笼5cm，上部高出桩顶混凝土面50cm但不得露出地面以便于保护。压浆管在最下部20cm制作成压浆喷头(俗称花管)，在该部分采用钻头均匀钻出4排(每排4个)、间距3cm、直径3mm的压浆孔作为压浆喷头；用图钉将压浆孔堵严，外面套上同直径的自行车内胎并在两端用胶带封严，这样压浆喷头就形成了一个简易的单向装置：当注浆时压浆管中压力将车胎进裂、图钉弹出，水泥浆通过注浆孔和图钉的孔隙压入卵石层中，而混凝土灌注时该装置又保证混凝土浆不会将压浆管堵塞。4．1．2压浆管的布置10 将2根压浆管对称绑在钢筋笼外侧。成孔后清孔、提钻、下钢筋笼，在钢筋笼吊装安放过程中要注意对压浆管的保护，钢筋笼不得扭曲，以免造成压浆管在丝扣连接处松动，喷头部分应加混凝土垫块保护，不得摩擦孔壁以免车胎破裂造成压浆孔的堵塞。按照规范要求灌注混凝土。4．1．3压浆桩位的选择根据以往工程实践，在卵石层中，水泥浆在工作压力作用下影响面积较大。为防止压浆时水泥浆液从临近薄弱地点冒出，压浆的桩应在混凝土灌注完成3d--7d后，并且该桩周围至少8m范围内没有钻机钻孔作业，该范围内的桩混凝土灌注完成也应在3d以上。4．2注浆参数(见表2)表2注浆参数终止注浆标准：①单桩水泥注入量已达到2000kg；②单桩注浆总量已达到设计量的70％，且注浆压力达到设计注浆压力的150％，并维持5min以上；③注浆总量已达到7O％，且桩顶或地面出现明显上抬。4．3施工中的注意事项4．3．1及时进行注浆管的“劈裂”桩体混凝土浇筑后，在7h一24h内应用清水对注浆管进行“劈裂”10 和清洗，这样可以将注浆管头部周围的混凝土与土体的混合物及时劈通，保证注浆通畅。本次40试桩的一根注浆管埋深不够，导致注浆头部被混凝土覆盖，无法劈通。不得不在事后改用桩侧注浆进行补救。4．3．2控制好浆液的浓度在注浆过程中，浆液受到注浆压力与灌浆阻力的共同作用，悬浮在浆液中的水泥颗粒不断沉积在管壁上，导致管道系统的摩擦力不断加大，流通截面逐渐缩小，直到完全堵塞。浓度过大是导致堵塞的主要原因。因此要控制好浆液的浓度，宜先压稀浆后压浓浆。水泥浆应搅拌均匀，在抽入高压泵之前必须进行过滤。压浆时先慢速压浆逐步达到设计要求，并尽可能保持压力稳定。5施工效果分析对比5．1注浆桩的承栽力分析(1)S3桩端作用于卵石层上，人卵石1m，桩长10．68m，压浆量为1．25t，平均压浆力为0．8MPa。试验第一级荷载为1400kN，加载级差为700kN，Q―s曲线为缓变型，历时65h，桩顶累积沉降已达6O．15mm，超过60mm，已破坏，最大加载量为6300kN，取极限荷载为5600kN，见图3。(2)S4桩端作用于强风化泥岩上，人强风化泥岩1m，桩长11．35m，压浆量为1．75t，平均压浆力为0．6MPa。10 试验第一级荷载为1400kN，加载级差为700kN，Q―s曲线为缓变型，历时44h，桩顶累积沉降已达62．57mm，超过60mm，已破坏，最大加载量为7700kN，取极限荷载为7000kN，见图4。5．2试验结果对比各试桩参数见表3，同一持力层上注浆桩与未注浆桩的承载力对比，卵石层上注浆桩的极限承载力为5600kN，未注浆桩的极限承载力为2100kN，5600／2100=2．57，注浆后承载力提高了157％，而且破坏时间大幅度提升，前者是后者的2．83倍，后压浆对提高桩基承载力效果相当明显。强风化泥岩上注浆桩的极限承载力为7000kN，未注浆桩的极限承载力为5400kN，7000／5400=1．30，注浆后承载力提高了30％，破坏时间前者是后者的1．2倍，注浆效果比较明显。5．3注浆前后桩基承载力对比10 由图1一图4可以看出，试验曲线在注浆后变得比注浆前更为缓和，而破坏阶段曲线还是陡变的，诸多的文献中大多数静载试验曲线由陡变型变为缓变型，基本上没有做到破坏，曲线的末端未出现陡变。在相同荷载，相同时间内，注浆桩比未注浆桩的沉降要小，说明浆液改善了桩的承载性能。不同持力层上注浆桩与未注浆桩的承载力对比，两种地层上的后压浆桩承载力都有大幅提高。卵石层上注浆桩的极限承载力提高了157％，强风化泥岩上注浆桩的极限承载力提高了30％，尽管风化岩上压浆量比卵石上压浆量大0．5t，但压浆效果远比不上后者。这说明后压浆对于不同持力层的注浆效果是不同的，产生的经济效益也是不同的。5．4经济效益分析采用后压浆技术后，与普通混凝土灌注桩相比，桩基工程量、造价节约幅度可达30％---50％。该次试桩卵石层上压浆桩的承载力增幅达157％，强风化泥岩上桩的承载力增幅为30％，可通过优化设计，相应地桩基工程量可减少25％---65％，本工程采用后压浆的灌注桩比未采用设计前均响应减少桩长0．8m～2．15m，节约了大笔工程资金，而且施工工期大大缩短。6结语综上所述，在卵石层上及强风化岩上进行桩底后压浆，能显著增强桩土的整体性能，改变了相互作用的特性，桩的承载力明显提高，提高幅度为30％～157％10 ，在卵石层上注浆比在强风化岩上压浆效果显著。桩底桩侧后压浆能胶结固化桩底沉渣、桩周土体，消除了降低普通钻孔灌注桩承载力的诸多因素，改善了桩的承载性能。不同的工程地质条件有很大的差异，不可能有相同的压浆参数，预先设定的压浆参数往往参考相似工程的经验，压浆参数的最终确定要依赖于试验桩的结果，而全国可以借鉴的经验并不多，有待进一步的积累，再加上理论的探讨，最终形成一个成熟的技术。所以，在具备条件的工程中推广后压浆施工工艺有着重要的意义和广阔的前景。总之，钻孔灌注桩后压浆是一种经济效益和社会效益都十分显著，实际应用价值高，已在桩基础工程领域内得到愈来愈广泛的应用。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。10'