技术论文--冲孔灌注桩桩底后注浆技术及预应力管桩后注浆灌芯补强技术在桩基工程中的应用

'附件5技术论文（或技术报告）姓名：现从事专业：施工管理现任专业技术职务：工程师拟报专业技术职务：高级工程师 冲孔灌注桩桩底后注浆技术及预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术在桩基工程中的应用[[摘要]通过福建某城市广场桩基工程实例，介绍冲孔灌注桩桩底及预应力砼管桩灌芯补强两种后注浆技术的工作机理、施工工艺和控制要点，探讨上述两种技术在沿海复杂地质条件下桩基工程中应用的实际效果和意义。[关键词]冲孔灌注桩桩底后注浆预应力砼管桩后注浆灌芯补强工作机理施工工艺流程质量、经济及工期效益分析前言近年来作为国家建筑业新技术之一的灌注桩桩底后注浆技术开始逐渐在桩基工程中全面应用并显现优势，特别是福建沿海以圆砾层为持力层的冲孔灌注桩，通过后注浆技术的应用对提高其承载力、减小其沉降量、降低成本和缩短工期均有着明显的效果。同样，作为新兴技术的预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术对处理福建沿海复杂地质条件下因桩位偏差明显和桩身完整性存在缺陷而导致单桩抗拔承载力不足的预应力管桩，质量、经济和工期效益也十分显著。本文通过福建某城市广场桩基工程实例对上述两种后注浆技术的工作机理、施工工艺和控制要点进行阐述和介绍，对所取得的工程效果进行对比和总结。1工程概况1.1建筑概况福建某城市广场工程位于该市核心区，总用地面积26666.7m2。工程共含1#、2#（含裙楼）、3#、4#主楼及地下室，其中主楼及裙楼的地上建筑面积为m2，地下室建筑面积为57525.2m2。针对本工程施工部位的不同及基坑实际情况，将其划分为东区（3#、4#楼及其周边地下室）和西区（1#、2#及裙楼及其周边地下室），两区以23轴为分界线，如下图所示： 东、西区主楼区域工程桩设计为冲孔灌注桩，桩尖采用后注浆技术进行土体加固，以减少桩基沉降，提高单桩承载力。除各栋主楼区域外的裙楼及地下室部分，桩基采用PHC500-125-AB型预应力砼抗拔管桩，桩深约40-46米；因基底以下淤泥及淤泥质土深达20余米，且地质情况复杂，施工过程中部分管桩出现了桩位偏差较大和桩身不完整等缺陷，导致单桩抗拔承载力不足；经采用预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术对出现问题的管桩进行补强，保证了桩身的完整性，并达到了设计要求的抗拔承载力。1.2地质情况该工程地貌类型属于滨海冲积平原地貌单元，场地内地层由上而下分9层（见表1）。表1工程地质物理力学特性表编号土层名称厚度/m状态含水量%重度(kn/·m³)孔隙比e0压缩模量E/Mpa桩周土侧阻力标准/kPa桩底底阻力标准/kPa1杂填土1.5-2.3可塑17.52粉质粘土0.8-2.0可塑36.817.81.034.04303淤泥1.7-5.7流塑58.515.71.5812.13124淤泥质粉土2.4-5.6软塑29.818.50.8353.92155淤泥12.4-19.3流塑57.615.61.5962.04126卵石2.4-11.5中密19.515757砾砂6.2-17.9稍密19.556515008圆砾29.8-33.4中密19.5127030009最大6.1碎块状20.015120 强风化花岗岩2冲孔灌注桩桩底后注浆施工技术的应用2．1桩底后注浆的工作机理钻孔灌注桩桩底后注浆技术是指在钻孔灌注桩成桩后，通过预留在桩身的注浆管，将水泥浆通过压力均匀地注入桩底土层对桩底沉渣进行加固，同时对桩底及桩身一定范围内的土体通过渗入、劈裂和压密注浆进行加固，从而改善持力层受力状态和荷载的传递性能。通过桩底球形体扩张作用、桩底沉渣固结作用和桩底产生群桩加强作用大幅提高单桩承载能力，减少桩基沉降量。2.1．1桩底球形体扩张作用钻孔灌注桩一般用半球形或锥形钻头，所以桩底呈圆球状。注浆孔在桩底形成扩散点，在压力作用下浆液从扩散点在土层空隙中向外扩散，浆液扩散量等于半球形孔穴体积的变化量。桩底注浆通过渗透、劈裂、挤密和胶结作用形成桩底球形体，增大了桩底受力面积，球形体由桩中间向四周密实程度逐渐减小（见图1、2）。图1中R2注浆密实区凝结的碎（卵）石相当于桩头半径R1的扩大，R3注浆加强区相当于对桩底持力层的改善。2.1.2桩周增加摩擦作用钻孔灌注桩施工过程中的泥浆护壁降低了桩体与桩周土体的摩阻力，桩底注浆在压力作用下，浆液从桩底沿桩侧向上，通过渗透、劈裂、充填、挤密和胶结作用，对桩周（特别是碎、卵石层）泥皮进行置换和空隙充填，在桩底以上部分桩周形成脉状结石体（见图2），从而使桩侧摩阻力大幅度提高。2.1.3桩底沉渣固结作用以圆砾(卵石) 层作为持力层的灌注桩，清孔过程很难将桩底沉渣清理干净，沉渣影响桩底承载力的发挥和对沉降量的控制。桩底注浆通过浆液对沉渣的置换、挤密和固结作用改善或消除桩底沉渣的不良影响，大大减小了桩承重后的沉降量。2.1.4桩底产生群桩加强作用在桩底，原本单独起作用的桩通过注浆使原来分散的桩底持力点通过水泥浆的固结作用趋于形成整体，产生群桩加强效应（见图3），提高了整个建筑基础的承载能力。2.2桩型的选择和设计2．2.1桩形的选择该工程主楼部分冲孔灌注桩桩径为Φ1100，单桩承载力特征值要求不小于7000KN，荷载要求高；由于是高层建筑，对沉降变形敏感；以8层圆砾层作为持力层，有效桩长约为45m（进入持力层不小于1.5m）。设计经过对普通钻孔灌注桩和钻孔灌注桩桩底后注浆二种方案进行对比，考虑到8层圆砾土厚度最薄达29.8m，为含粘性土圆砾石，最终选择了桩底后注浆方案，但需要对注浆孔、注浆量和注浆压力慎重设计并进行试桩验证。2.2.2注浆参数的确定2.2.2.1注浆孔的设计根据桩直径大小和桩底持力层空隙率大小沿着灌注桩钢筋笼周边一般均匀布置2-4个注浆管；桩径大、持力层空隙率小的桩，注浆管数量宜适当增加。考虑到本工程桩直径不是很大，桩底圆砾层中含有粘性土，为了保证注浆能够包裹桩底，沿钢筋笼圆周均匀设置2根ф32注浆管。2.2.2.2注浆量计算注浆量Gc=apd+asnd式中：ap、as---分别为桩底、桩侧经验系数，ap=1.5～1.8，as=0.5～0.7； 对于卵、砾石、中粗砂取较高值；n---桩侧注浆断面数；取2d---桩直径(m)；d=1.1mGc---注浆量，以水泥重量计(t)。本工程中单桩注浆量理论估算值为Gc=2.97t。对于独立单桩和柱距大于6d的群桩和群桩初始注浆的部分桩基的注浆量，应按上述估算值乘以1.2的系数。2.2.2.3注浆压力注浆压力是桩底注浆效果好坏的关键，是由桩长和持力层特性决定的。要保证最终注浆压力小于桩上抬的摩阻力，防止注浆时桩身上移而破坏桩身及桩底，同时又要确保注浆量达到设计要求，形成设计要求的桩底效果。由于本工程持力的圆砾层中含有大量粘性土，影响浆液在桩底的扩散，所以在注浆过程的不同阶段注浆压力也不相同。开始阶段要克服粘性土的阻力，需要较大压力；平稳注浆阶段，所需压力较小；注浆结束阶段，由于浆液已充满桩底持力层及附近土体，所需压力也较大。根据试注浆和实践经验结合本工程桩长及地质情况，设置开始阶段注浆压力为4Mpa，平稳阶段为2Mpa，结束阶段为3Mpa。最终经试注浆实验并报设计确认，注浆压力值不小于2Mpa，单桩水泥用量不小于2.7t，注浆流量不超过75L/min；2.2.2.4水泥浆的配比注浆原材料为P.O32.5R早强水泥，水灰比根据注浆情况先稀后浓，浓浆为主。稀浆（水灰比0.65）渗透力强，便于加固预定范围周边地带。中等浓度浆液（水灰比0.5）加固预定范围的核心部分，起充填、压实、挤密作用。2.3施工工艺与技术方法钻孔灌注桩桩底后注浆施工工艺流程(见图4)成孔注浆管和钢筋笼制作一次清孔注浆管和钢筋笼下笼二次清孔混凝土灌注注浆管头制作预压开塞注浆封堵养护成桩检测 图4冲孔灌注桩后注浆施工工艺流程2.3.1注浆管的制作与预埋注浆管和钢筋笼、声测管一同制作安装，采用Ф32焊接钢管，用大一号的钢套管满焊联接，用铁丝将其与钢筋笼加劲箍绑扎牢固，沿桩孔全长布置，铁管顶高出钻孔口500mm。在距管底300mm左右区域的管壁上钻取梅花形、间距50mm、直径5㎜的射浆孔，在射浆孔上放图钉并用电工胶布加胶带包裹，形成单向阀（保证混凝土浇筑时水泥浆不会进入注浆管，压浆时水泥浆可以顺利从孔中压出）。注浆管及钢筋笼等共同下放前做好清孔工作，确保注浆管下放至桩底最深处。下放浇灌导管要小心谨慎、轻吊轻放，确保注浆管不受损。浇灌混凝土前将注浆管上口封闭，以免水泥砂浆等异物进入而堵塞管路。浇灌水下混凝土时，必须随时观察注浆管的上浮情况，发现上浮应立即处理，以免影响注浆效果。2.3.2注浆主要工序包括预压开塞、水泥浆压注和封闭注浆孔。施工设备主要有注浆泵、拌浆装置、输浆管和压力表，注浆泵采用最大压力为10MPa、排浆量为5m3/h的大型电动式泥浆泵（见图5） 图5注浆施工工艺实照2.3.2.1预压开塞桩体混凝土强度达到50%--60%左右时进行注浆管的预压开塞，以劈裂及清除射浆孔单向阀周围混凝土保护层，防止封堵射浆孔，确保注浆能顺利进行。本工程在成桩后第3d进行预压开塞，初始压力约2Mpa左右，按2～3级逐级加压，最大压控制在8Mpa以内，压水量控制在0.6m3，出现压力表突然下降时，表明整个注浆管道和射浆孔已通。2.3.2.2水泥浆压注通过混凝土试块确定桩身强度达到设计强度的75％时，具备注浆条件。注浆时，先向桩底注入稀浆液置换出桩底及注浆管道中的沉水，压力由小到大，浆液由稀到稠。通过观察注浆压力、注浆量和注浆皮管的变化控制注浆节奏。本工程注浆压力开始阶段由2Mpa逐渐增加至4Mpa左右，平稳阶段逐步降至2Mpa左右，结束阶段控制在3Mpa左右；单桩总注浆量水泥浆液分数次注入，第一次注入0.5m3稀浆（水灰比0.65）；第二、三次注入中浓度浆（水灰比0.5）；每次注浆的间歇时间30分钟。中浓度浆液注完2小时后注入浓浆（水灰比0.45），浓浆注入时加大注浆压力，注浆结束后保持管内压力10分钟后拆管。同一根桩的各个注浆管要依次、及时的实施注浆，禁止长时间间隔。 2.3.2.3封闭养护注浆完成后，卸下注浆接头，采用螺丝扣封堵注浆管；注浆后养护15d以上，以保证桩底注入的浆液与圆砾凝结加固。2.3.3桩基础注浆顺序由于注入水泥浆流向的相对不确定性，在进行大量群桩施工中，要采用先周边、后中间的顺序进行注浆。对多桩承台采取外围桩先注、中间桩后注的顺序,达到封闭浆液外流的效果。进行中间桩的注浆时可以适当加大注浆量，以便最大限度的提高注浆效果。同时，注浆作业点与成孔作业点的距离不小于20m，以免出现穿孔现象。2.3.4注浆中常见问题及应对措施2.3.4.1冒浆。在使用冲孔灌注桩后注浆技术进行压浆的过程中，通常会发生水泥浆沿桩周或桩侧冒浆的现象。如果水泥浆是在地面或者是其他桩上冒出，则说明本桩桩底的水泥浆已经饱和，施工人员可以停止压浆。如果冒浆是在本桩的侧壁而且冒浆量较小，则可以将压浆管用压力水或者是清水洗净，等到水泥浆凝结固化以后再重新压浆，减轻冒浆对于施工质量的影响。2.3.4.2单桩的压浆量不足及注浆管堵塞。施工人员在压浆的过程中最好进行一次性的压浆，压浆之前先对周围的桩进行注浆以形成封闭圈，在封闭圈的中间施工，保证桩位压浆的质量。此外，在施工的过程中偶尔会出现喷头堵塞打不开的问题，如果压力在10Mpa以上仍然难以打开喷头，那么不能再强行的增加压力，可以增大剩余可用注浆管的压浆量，以达到单桩的总注浆量；如果单桩所有注浆管均出现堵塞，报设计同意后可以根据实际情况加大周围桩的压浆量以满足整体设计承载力的要求。3预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术的应用3.1施工工艺原理在桩内腔放入钢绞线或钢筋笼并充填碎石，然后采用充填、渗透的后注浆方法将具有一定凝胶时间、高粘滞性且低收缩的浆液注入桩内腔和桩壁裂缝里，浆液凝结后形成的固结体把桩身凝固成一个强化的整体，以恢复和增强管桩力学性能。详见下图6: 3.2施工工艺流程及操作要点3.2.1施工工艺流程图7预应力砼管桩后注浆灌芯补强工艺流程3.2.2操作要点 3.2.2.1根据小应变动测试验结果确认桩身缺陷位置深度，或经设计验算确认为达到单桩抗拔承载力要求所需的灌芯深度。3.2.2.2桩芯内腔洗孔桩芯内腔洗孔是一道重要的施工工序，桩芯洗孔采用压缩空气、高压水对桩的内腔进行清洗。图8桩芯洗孔清洗方法为：1）桩芯内腔充填砂土时，一般用压缩空气、高压水进行清孔，直至洗到要求清孔深度为止。桩芯内腔是否洗干净以洗孔时孔内泛清水为准。清孔深度为桩顶至灌芯深度以下200mm。2）桩芯内腔被碎石块充填时，先用钻机将钻杆钻入要求清孔深度，然后用高风压、高压水将泥砂土洗出。可能情况下，亦可用钻机将碎石块打入灌芯深度以下。然后按以上1）的步骤再进行清洗。3.2.2.3放入钢绞线笼根据设计计算本工程单桩采用4Ф15.2钢绞线进行补强，钢绞线长度下放至经计算所得灌芯深度且露出桩顶2m以上，以作钢绞下放控制或承载力试验用。钢绞线制作按规范要求加工，为确保钢绞线置中，每隔1.0～2.0m设置一道100mm高同钢绞线笼直径的钢管（壁厚不小于3mm）作支架，钢绞线沿支架断面均匀布设、固定牢固；下放时顺着桩芯送入内腔内，并将上口固定牢靠。 图9钢绞线笼制作图10钢绞线笼下放固定3.2.2.4下注浆管 注浆管采用二根DN15焊接钢管，壁厚2mm以上。一根为下端开口注浆管下至钢绞线底端以下200mm(作一次注浆用)；一根注浆管下至钢绞线底端以上500mm(作二次注浆管)，二次注浆管每隔300mm加工一对出浆孔成梅花状，出浆孔径为6～8mm，且采取防堵措施（如用橡胶等材质进行包扎），以免一次注浆时浆液串到注浆管内，使二次注浆无法进行而影响到了注浆加固效果。注浆管下放前要用卷尺重新校核，避免因操作失误而放错，将一次、二次注浆管区别标记，对称下放并固定在桩顶上，注浆管接头采用螺牙对接。3.2.2.5回填碎石图11桩芯填充碎石碎石材料需挑选粒径Ф10～20mm均一的无粉末的级配碎石，抗压强度大于M30，回填至孔口。3.2.2.6注浆1）注浆前对一次注浆管进行压水洗孔，至返水干净为止。2）一次注浆：采用纯水泥浆注浆，注浆压力1-10Mpa，为增加浆液流动性及可灌性可掺加减水剂。用注浆机灌至孔口冒浓浆并维持5分钟为止，若出现浆液沉析或碎石压实下沉，应继续加填碎石并继续注浆，直至不再下沉为止。为了使灌芯固结体与管桩联接紧密，浆液材料使用P.O42.5R早强水泥，水灰比0.6～0.5，并加UEA膨胀剂10%，防止浆体收缩。3）二次注浆：一次注浆使空腔的管桩成为实桩，也为二次注浆创造施工条件。待一次注浆8～12小时后，进行二次注浆。注浆压力控制在0.1～4Mpa。以免因注浆压力过大挤坏桩身或把周围桩挤歪等。二次注浆的目的是为桩身缺陷或接头的缝隙得到充分修复及提高灌芯固结体的密实性。二次注浆要求注浆压力逐步提高，吸浆量逐步降低并稳定10分钟。 图12注浆图13注浆完成桩头浆液沉淀3.3质量控制3.3.1桩身缺陷位置或抗拔承载力计算所需灌芯深度必须准确；3.3.2桩芯内腔洗孔必须达到灌芯深度以下200mm，洗孔必须彻底（洗孔至泛清水并维持10分钟）； 3.3.3钢绞线笼制作加工必须满足规范要求，钢绞线布置均匀，下放长度必须满足灌芯深度要求，外露长度必须满足下放和抗拔试验作业要求；3.3.4注浆管接头必须连接牢固，深度满足灌芯要求，二次注浆管注浆孔必须采取有效防堵措施，一次和二次注浆管必须标记区分；3.3.5碎石必须严格控制粒径和强度，回填必须均匀密实，深度满足灌芯要求，注浆过程中，遇有下沉时，必须及时补填。3.3.6注浆时必须按一次、二次注浆管先后顺序注浆，严格保证水泥强度等级、水灰比、UEA掺加量、注浆压力和一次二次注浆间歇时间，注浆必须至泛浓浆并维持一定时间。4工程效果分析4.1冲孔灌注桩桩底后注浆技术工程效果分析4.1.1质量效益本工程桩基础施工完毕后，对207根桩进行小应变检测，I类桩达87％，Ⅱ类桩达13％。选取4根桩进行静载试验，Φ1100的桩的最大荷载14000KN，桩沉降量都在30mm以内（见表2），荷载满足设计要求，沉降量小于规范要求的40mm的沉降控制值。表2静载试验结果桩号有效桩长（m）持力层加荷承载力（kN）沉降（mm）7745.2圆砾层12O00289945.8圆砾层12O00222545.1圆砾层12O00242745.5圆砾层12O00294.1.2经济效益采用后注浆技术后，每根桩可比普通灌注桩（穿越圆砾层8.8m）平均减少桩长6.8m，经项目预算部门测算，单桩桩底注浆增加费用1973元，减少桩长节约费用为4160元，单桩节省直接费用2187元；本工程共节省直接费用约90.6万元，节省投资约108.8万元，约占桩基总造价6％左右。从工程记录分析，钻孔穿越其它土层共用时约48小时，穿越圆砾层速度为3.8h/m，采用后注浆技术平均少穿越圆砾层6.8m，单桩节省钻孔时间约26小时，注浆可以与其他工序平行施工，不另增加施工时间，所以桩底注浆大大减少了整个桩基工程的施工工期。4.2预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术工程效果分析4.2.1质量效益 本工程预应力砼管桩后注浆灌芯补强施工完毕后，对补强过的71根桩进行低应变检测I类桩达82％，Ⅱ类桩达18％，无Ⅲ类桩。对其中9根桩进行单桩竖向抗拔静载试验检测，未出现异常现象，试桩在最大荷载作用下上拔量小于100mm，且没有明显增大现象，试桩未达到极限承载状态。实验结果详见表3。表3静载试验结果桩号最大试验荷载（KN）最大试验荷载下桩顶累计上拔量（mm）残余变形（mm）卸荷回弹（mm）单桩竖向抗拔极限承载力取值（kN）备注182150028.0616.9011.161500最终进入稳定状态未达到极限状态18727.2117.0010.2123124.1516.937.2231126.2317.328.9132424.1816.597.5932828.8717.8311.0447423.4917.296.2067225.1515.169.99177025.6316.998.644.2.2经济情况根据测算，抗拔桩后注浆灌芯施工费用为3370元/根；如重新施打一根抗拔管桩（40m），费用为12174元/根，是后注浆施工工艺费用的3.6倍；如根据设计提议补强方案--每根管桩补打2根截面300*300的锚杆静压桩，其费用为7875*2=15750元，是后注浆施工工艺费用的4.7倍，该方法共为本工程降低成本约600余万元。5结束语冲孔灌注桩桩底后注浆技术施工设备简单、施工方便，对沿海地区以圆砾层为持力层的灌注桩，提高单桩承载力和减小沉降量很有意义。在圆砾层含有粘性土的情况下，通过研究计算，制定周密的施工方案和针对性的技术措施同样能够达到预期的承载力设计效果，具有很高的经济效益，特别是对沉降控制要求较高的高层建筑有着广阔的应用前景。预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术质量控制点明确、易于控制，补强效果好，同时施工材料和机具简单，所需作业人员较少、易于组织，施工作业面小、不影响周边施工作业，操作简单，施工速度快；在质量有保障的情况下成本大幅降低，解决了常规补强方法施工工艺复杂、成本高、 施工条件限制要求多、补强深度范围浅、施工质量难以控制的难题。采取预应力混凝土管桩后注浆灌芯补强技术，有效弥补了桩身不完整、抗拔承载力不足等质量缺陷，保证了整个工程质量；该项技术在实际应用中质量及安全可控、工期短，经济效益显著，为沿海地区类似工程问题的处理具有一定的指导作用。'