樁端后注漿上返高度及樁頂冒漿處理

張忠苗,鄒 健

（浙江大學(xué) a.巖土工程研究所;b.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室,杭州 310027）

樁端后注漿用于鉆孔灌注樁,不僅能提高灌注樁的端承力,還能減小發(fā)揮端承力所需的位移[1-3],故廣泛地應(yīng)用于高層建筑、橋梁工程、高速鐵路、大型地下基礎(chǔ)的抗拔樁、基礎(chǔ)托換、既有樁基礎(chǔ)的補(bǔ)強(qiáng)及既有樁基礎(chǔ)的糾偏等[4]。在樁端后注漿過程中,樁底高壓漿液可能沿著樁土交界面向上爬升,從而提高了爬升高度以內(nèi)的樁側(cè)阻力[5]。若高壓漿液爬升至樁頂,則造成樁頂冒漿。樁頂冒漿表現(xiàn)為樁頂周圍向上冒氣泡、稀漿或濃漿,嚴(yán)重時呈沸騰狀?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）[6]規(guī)定樁端后注漿以注漿量作為主控因素,而樁頂冒漿將使設(shè)計注漿量無法達(dá)到。關(guān)于樁頂冒漿的成因及處理措施,目前國內(nèi)外都未見報道,同時樁頂冒漿與樁承載力的關(guān)系也還有待研究。

該文在冪律型漿液平板窄縫流動模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了樁端后注漿時漿液上返高度的計算公式。在此基礎(chǔ)上,對樁頂冒漿的成因及其影響因素進(jìn)行分析,并以實際工程為依托,對樁頂冒漿的處理措施及其效果進(jìn)行研究。

1 樁端后注漿漿液上返高度計算分析

鉆孔灌注樁樁土間的泥皮層比樁周土更軟弱[7],漿液在壓力作用下有沿樁側(cè)軟弱面向上運動的趨勢,此處軟弱面有2個,即樁-泥皮接觸面和泥皮-樁周土接觸面。漿液在壓力作用下,首先克服任一軟弱面的阻力,順此軟弱面向上爬升,并對泥皮層和樁側(cè)土體進(jìn)行擠密,甚至破壞泥皮結(jié)構(gòu),沿樁側(cè)形成流動通道,如圖1所示。

圖1 漿液沿樁側(cè)泥皮向上爬升

1.1 基本假定

目前對樁端后注漿漿液爬升高度的理論研究還很少,中國僅有張曉煒等[8]對其進(jìn)行過研究,但他們?yōu)榱朔治龇奖?將其簡化為2個階段,即假定漿液在軟弱層中的運動是先流動上升,再產(chǎn)生擠壓作用。這與實際情況有所出入,因為漿液流動孔隙的寬度直接影響到漿液流動的阻力,即影響到漿液的上返高度。該文從實際情況出發(fā),對漿液沿樁側(cè)薄弱層的流動做出以下假定：

2）漿液的運動粘度為常量,且在擴(kuò)散過程中流型不變[9];

3）假設(shè)樁側(cè)泥皮厚度均勻不變（對于干作業(yè)螺旋鉆孔灌注樁,其泥皮厚度為零,故極少發(fā)生冒漿）,且樁身為光滑圓柱面。此時樁側(cè)裂隙寬度為δ+u,其中δ為泥皮厚度,u為樁側(cè)土體及泥皮的壓縮量,如圖2所示。

圖2 漿液擴(kuò)散模型

4）樁端后注漿過程中,漿液沿樁側(cè)的流動實際上是漿液劈裂破壞樁側(cè)土,漿液沿樁側(cè)軟弱層向上流動,漿液擠壓樁側(cè)土體3個狀態(tài)的耦合。若考慮時間因素的影響,將使得求解變得極為復(fù)雜。因此文中不考慮時間因素的影響,僅對最終的平衡狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.2 理論分析

1.2.1 樁側(cè)土體的位移 對于線彈性土層,漿液對樁側(cè)土的壓縮可由柱擴(kuò)張理論計算得到[10-11]。

1.2.2 漿液流動基本方程 非時變性粘性流體的本構(gòu)方程為[12]：

式中：γ為剪切速率;τ為剪切應(yīng)力;v為漿液流速;y為裂隙邊與裂隙中心距離,為1/2裂隙寬度。

由于裂隙寬度的變化不大,可以將每一小高差段看成平板窄縫,則均勻流動方程：

1.2.3 漿液上返高度及樁頂冒漿條件 根據(jù)工程斷裂力學(xué),僅當(dāng)壓力大于起裂壓力時,裂縫才會擴(kuò)張,而由于樁側(cè)泥皮土（樁土交界面）的粘聚力極?。▋H為幾千帕到十幾千帕）[7],所以只要高度h處的漿液壓力大于土體的水平向靜止土壓力p0（h）,裂隙就能繼續(xù)擴(kuò)張,且當(dāng)漿液壓力等于土體的水平向靜止土壓力時,即當(dāng)p（h）=p0（h）時,裂隙擴(kuò)展到最高處,此時的高度h即為漿液的上返高度hmax。

對式（20）進(jìn)行疊代求解可得漿液上返高度,若漿液上返高度大于樁長,則發(fā)生樁頂冒漿。

2 漿液上返高度的計算分析

2.1 計算參數(shù)的選取

為了分析各因素對樁頂冒漿的影響,利用Matlab對式（20）進(jìn)行計算分析,并討論各因素對漿液上返高度的影響。假設(shè)土體為單層均質(zhì)土,泊松比ν=0.35,土體重度γ=27 kN/m3,水泥漿重度γ′=17 kN/m3,靜止土壓力系數(shù)K0及土體變形模量E[13]的取值如表1所示。

表1 靜止土壓力系數(shù)K0及土體變形模量E

2.2 樁底漿液壓力對上返高度的影響

當(dāng)樁長H=40 m,樁徑D=1m,注漿速率q=0.1 L/s（這里的注漿速度并非實際注漿速率,而是僅僅考慮沿樁側(cè)泥皮上返的那部分漿液）,泥皮厚度 δ=1 cm,稠度系數(shù)k=1 kPa?s,流變參數(shù)n=0.1時,不同樁底漿液壓力pc下漿液上返高度hmax的值如圖3。

圖3 注漿壓力對上返高度的影響

從圖3中可以看出,隨著樁底漿液壓力的增大,漿液上返高度迅速增大,即越容易發(fā)生樁頂冒漿。

2.3 樁長（埋深）對上返高度的影響

在樁徑D=1m,樁底漿液壓力pc=2 MPa,注漿速率q=0.1 L/s,泥皮厚度δ=1 cm,稠度系數(shù)k=1 kPa?s,流變參數(shù)n=0.1的情況下,不同樁長H下漿液上返高度hmax的值如圖4。

從圖4中可以看出,樁埋深（樁長）的越深,樁底注漿的上返高度越小,即越不容易發(fā)生冒漿。

2.4 樁徑對上返高度的影響

圖4 樁埋深對上返高度的影響

當(dāng)樁底漿液壓力pc=2M Pa,樁長H=40m,注漿速率q=0.1 L/s,泥皮厚度δ=1 cm,稠度系數(shù)k=1 kPa?s,流變參數(shù)n=0.1時,樁徑D對上返高度hmax的影響如圖5。

圖5 樁徑對上返高度的影響

從圖5中可以看出,隨著樁徑的增大,樁端后注漿上返高度也相應(yīng)增大,但增大幅度很小,這說明樁徑變化對上返高度的也略有影響。

2.5 泥皮厚度對上返高度的影響

當(dāng)樁底漿液壓力pc=2M Pa,樁長H=40m,樁徑D=1m,注漿速率q=0.1 L/s,稠度系數(shù)k=1 kPa?s,流變參數(shù)n=0.1時,樁側(cè)泥皮厚度對上返高度的影響見圖6。

圖6 泥皮厚度對上返高度的影響

從圖6中可以看出,隨著泥皮土厚度的增加,樁底注漿的上返高度迅速增加,即樁側(cè)泥皮越厚,越容易發(fā)生樁頂冒漿。

總的來說,樁底漿液壓力越大、樁側(cè)泥皮越厚、樁長越短,越容易發(fā)生樁頂冒漿。在實際施工中,樁側(cè)泥皮的強(qiáng)度也對樁頂冒漿有一定影響,樁側(cè)泥皮強(qiáng)度越低,則漿液越容易沿樁側(cè)泥皮向上爬升。

3 樁頂冒漿工程實例

3.1 工程概況及試樁概況

杭州市奧體博覽中心項目一標(biāo)段——主體育場位于錢塘江南岸慶春路過江隧道南側(cè),西北方緊鄰錢塘江,東南方為七甲河。場地土性質(zhì)較差,其場地土層情況如表2所示。

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

試樁采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁,其中樁徑700 mm的18根,樁端進(jìn)入持力層6-2卵石層,施工樁長約40m;樁徑800mm的40根,樁端進(jìn)入持力層6-2卵石層,施工樁長約40m;樁徑1 000 mm的8根,樁端進(jìn)入持力層6-3卵石層,施工樁長約48m。采用GP-25型鉆機(jī)成孔和大泵量4PN泵正循環(huán)清孔施工工藝成孔。

3.2 注漿設(shè)計參數(shù)及注漿過程中冒漿情況

由于主體育場荷載大,對差異沉降敏感,考慮到樁底沉渣的影響,必須對樁底進(jìn)行后注漿,以確保成樁質(zhì)量。樁底后注漿于成樁7 d后進(jìn)行,樁徑700 mm的樁,設(shè)計注漿量為的2.5 t,樁徑800 mm樁為3.0 t,樁徑1 000 mm的樁為4.0 t,采用水灰比為0.5的純水泥漿。

在原定的注漿設(shè)計中,成樁7 d后采用清水開塞,開塞清水量為100 kg,緊接著進(jìn)行樁端后注漿。前13根樁僅有7根樁達(dá)到設(shè)計注漿量,其余6根樁均因樁頂冒漿而無法達(dá)到設(shè)計注漿量,詳見表3。其中部分樁注漿壓力及注漿量隨時間變化曲線如圖7-10所示。

表3 試樁注漿記錄

續(xù)表3

圖7 試樁S5注漿壓力和注漿量隨時間變化曲線

圖8 試樁S7注漿壓力和注漿量隨時間變化曲線

比較非冒漿樁（圖10）和冒漿樁（圖7-9）的注漿壓力隨時間變化曲線,可以發(fā)現(xiàn)樁頂冒漿發(fā)生時,注漿壓力顯著下降并維持在較低值（1 MPa以下）。這是由于高壓漿液在打開樁側(cè)通道后,沿著樁土交界面向上爬升,在樁側(cè)通道較薄弱的情況下,漿液沿樁土交界面流動所需壓力小于漿液在樁底流動所需壓力。正常的樁端后注漿,其壓力將波動上漲（圖10）。

3.3 樁頂冒漿原因分析

根據(jù)對現(xiàn)場施工情況、工程地質(zhì)條件進(jìn)行考察研究,現(xiàn)將樁頂冒漿原因分析總結(jié)如下：

圖9 試樁S9注漿壓力和注漿量隨時間變化曲線

圖10 試樁S12注漿壓力和注漿量隨時間變化曲線

1）樁側(cè)泥皮厚。試樁采用泥漿護(hù)壁成孔,而7～15 m深度處為砂質(zhì)粉土層,該層土在施工中容易塌孔,如圖11所示,為了防止塌孔,將泥漿比重提高至1.35。塌孔和較濃的泥漿造成了較厚的樁側(cè)泥皮及樁底沉渣?，F(xiàn)場部分樁的開挖發(fā)現(xiàn),冒漿樁樁側(cè)泥皮厚度高達(dá)5～10 cm。樁側(cè)泥皮越厚,漿液上返高度約高,越容易發(fā)生樁頂冒漿。

2）試樁齡期短。大部分試樁于成樁7 d后就進(jìn)行樁端后注漿,此時樁側(cè)泥皮強(qiáng)度還比較低,高壓漿液容易打開樁側(cè)流動通道。

3）持力層可注性差。持力層中細(xì)顆粒含量較高,如表4所示。若開塞清水量不足,細(xì)顆粒將堵塞漿液在樁底的流動通道,并導(dǎo)致較高的注漿壓力。而漿液壓力越大,漿液上返高度越高,越容易發(fā)生樁頂冒漿。

圖11 試樁S9（樁徑700 mm）孔徑檢測曲線

4）樁底沉渣厚。7～15m深度處的砂質(zhì)粉土層的塌孔,造成樁底沉渣較厚。無法清理掉的樁底沉渣在注漿時被水泥漿沖開并帶入孔隙中,可能堵塞樁底漿液的流動通道,并導(dǎo)致較高的注漿壓力。

3.4 樁頂冒漿處理措施

根據(jù)上述分析可知,注漿壓力越大、樁側(cè)泥皮及樁底沉渣越厚、樁側(cè)泥皮強(qiáng)度越低,越容易發(fā)生樁頂冒漿。故針對該工程實際情況,采取3個方面的措施來防止冒漿的發(fā)生：

1）降低注漿壓力。注漿壓力與注漿節(jié)奏、持力層的含泥量及持力層可注性等因素相關(guān)。為此可以通過放慢注漿節(jié)奏、提高持力層的可注性2方面降低注漿壓力。采用間歇注漿放慢注漿節(jié)奏,每注500 kg水泥,間歇20 min,使樁底注漿引起的應(yīng)力消散。同時將開塞時注入清水量提高至600 kg,利用清水打通樁底通道,并防止樁底沉渣堵塞樁底通道,從而提高樁底持力層的可注性。

表4 持力層顆粒級配

2）減小樁側(cè)泥皮及樁底沉渣厚度。選用優(yōu)質(zhì)粘土造漿,保證孔壁的質(zhì)量。并采用換漿清孔法,進(jìn)行2次清孔：第1次清孔以孔口返漿相對密度在1.2以內(nèi)及孔底沉渣厚度小于100mm為控制標(biāo)準(zhǔn);第2次清孔在吊放鋼筋籠及安裝灌注混凝土導(dǎo)管之后,以復(fù)測沉渣厚度小于100 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。清孔完畢,立即灌注混凝土。

3）提高泥皮強(qiáng)度。除了選用優(yōu)質(zhì)粘土造漿護(hù)壁以外,還可在第2次清孔的換漿階段,加入5%的水泥進(jìn)行循環(huán),以提高泥皮強(qiáng)度。同時,待試樁澆注后15 d再進(jìn)行注漿,使樁側(cè)泥皮達(dá)到一定強(qiáng)度。

對于發(fā)生樁頂冒漿的試樁,參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）,停止注漿4 h后,打開另一根注漿管,并采用間歇注漿,間歇時間為20 min,使其達(dá)到設(shè)計注漿量。

采用了以上措施對已發(fā)生冒漿的6根試樁進(jìn)行復(fù)注,其中4根達(dá)到設(shè)計注漿量,詳見表3。對已打好但未注漿的53根試樁,于成樁15 d后進(jìn)行注漿,采用間歇注漿及提高開塞清水量的措施,大大降低了樁頂冒漿的概率,53根試樁僅有14根發(fā)生冒漿,且復(fù)注后,僅有一根未能達(dá)到設(shè)計注漿量?？梢?以上措施切實可行。

3.5 樁頂冒漿對樁承載性狀的影響

3.5.1 樁頂冒漿對樁極限承載力的影響 通過在樁身埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計,并對注漿樁進(jìn)行靜載試驗,對樁頂冒漿對樁承載性狀的影響進(jìn)行研究。3根700樁徑的后注漿樁的荷載沉降曲線如圖12-13所示。

圖12 試樁靜載試驗Q-s t曲線

從圖13中可以看出,發(fā)生樁頂冒漿并通過復(fù)注達(dá)到設(shè)計注漿量的樁,其承載力略高于不發(fā)生樁頂冒漿的樁。

3.5.2 樁頂冒漿對樁側(cè)摩阻力的影響 樁側(cè)平均摩阻力沿樁身分布曲線如圖14所示。

從圖14中可以看出,發(fā)生樁頂冒漿的樁,其樁側(cè)摩阻力略高于不發(fā)生樁頂冒漿的樁。這是由于沿樁側(cè)泥皮上返的漿液,通過劈裂、置換樁側(cè)泥皮,使樁側(cè)摩阻力略為提高。

圖13 試樁靜載試驗Q-s b曲線

圖14 極限荷載下注漿樁樁側(cè)平均摩阻力沿樁身分布曲線

4 結(jié)論

1）在冪律型漿液平板窄縫流動模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了樁端后注漿時漿液上返高度的計算公式。

2）理論分析表明,樁底漿液壓力越大、樁側(cè)泥皮越厚、樁長越短,則漿液上返高度越大,也越容易發(fā)生樁頂冒漿。

3）工程實例研究表明,樁側(cè)泥皮厚、試樁齡期短、持力層可注性差、樁底沉渣厚為樁頂冒漿的主要原因。

4）樁頂冒漿可以通過降低注漿壓力、減小樁側(cè)泥皮及樁底沉渣厚度、提高泥皮強(qiáng)度3方面加以預(yù)防。對于發(fā)生樁頂冒漿的試樁,可采用間歇注漿,使其達(dá)到設(shè)計注漿量。

5）發(fā)生樁頂冒漿并通過復(fù)注達(dá)到設(shè)計注漿量的樁,其極限承載力略高于不發(fā)生樁頂冒漿的樁。這是由于沿樁側(cè)泥皮上返的漿液,通過劈裂、置換樁側(cè)泥皮,使樁側(cè)摩阻力略為提高。

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（編輯胡英奎）