鉆孔灌注樁樁端后壓漿技術(shù)及工程應(yīng)用

于志華,劉炎炎,宋 建,榮曉洋,崔文艷

(東北大學(xué) 資源與土木學(xué)院,遼寧沈陽110004)

近年來,隨著城市建設(shè)的發(fā)展,高層建筑層次的增加,建筑物荷載越來越大,對鉆孔灌注樁承載力的要求也越來越高,出現(xiàn)了砂礫碎石層、卵石層等作為持力層而承載力滿足不了設(shè)計要求的現(xiàn)象,采用加大樁直徑或增加樁根數(shù)的辦法提高承載力,雖能達到有關(guān)要求,但對工期進度、工程造價等均有影響。因此,采用樁端和樁側(cè)后壓漿技術(shù)來提高灌注樁的承載力正成為工程實踐中廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是在成樁過程中,在樁底或樁側(cè)預(yù)置壓漿管路,待樁身混凝土初凝后、終凝前用高壓注漿泵對樁底或樁側(cè)注入特殊配方的漿液水泥或其他漿液,漿液滲透到地層或沉碴的孔隙、裂隙中,與樁底沉碴或地層介質(zhì)的顆?；旌瞎探Y(jié),在樁底擠密樁周土,在樁側(cè)充填樁身與樁周土體間的間隙,像樹根一樣伸入土中,達到清除泥皮對摩阻力影響的效果。樁體后壓漿,根據(jù)壓漿部位設(shè)置不同,可分為樁端壓力壓漿、樁側(cè)壓力壓漿和樁端樁側(cè)聯(lián)合壓漿[1-4]。樁端后壓漿技術(shù)由于施工簡便、適應(yīng)于各種地質(zhì)條件、經(jīng)濟效益顯著,在國內(nèi)得到蓬勃發(fā)展。樁端后壓樁是指鉆孔灌注樁的樁身預(yù)埋壓漿管,成樁后,將能固化的漿液(如純水泥漿、水泥砂漿等)通過樁端的預(yù)留壓漿裝置均勻地注入樁端地層或密閉腔室中,使得樁底的沉渣得到固化,相當(dāng)于人為制造了一個堅硬的持力層,使得注漿樁沉降值較小。

1 鉆孔灌注樁后壓漿增強機理

1.1 樁端壓漿的增強機理

樁端壓漿,漿液首先充填或滲透到最疏松的樁端的殘碴間隙中,與殘碴膠結(jié)固化,形成了強度較高的膠結(jié)體,從而消除了樁底沉碴的影響。隨著樁端壓漿壓力的增加,水泥漿液充滿殘碴間隙后,繼續(xù)充填由于在灌注樁身混凝土?xí)r因混凝土離析而形成的“虛尖”、“干碴石”等,增加了樁端混凝土的強度。隨著壓漿量的增加及注漿壓力的提高,水泥漿液不斷地向由于受泥漿浸泡而松軟的樁端持力層中滲透,水泥漿與持力層土體相膠結(jié),在樁端形成膠結(jié)楔形體,從而增加了樁端的承壓面積,提高了鉆孔灌注樁的樁端承載力。注漿壓力對樁端持力層起壓密的作用,提高了樁端土體的承載力,特別是由于樁端土層受到擠密預(yù)壓,樁端阻力得以提前發(fā)揮出來,對應(yīng)的單樁沉降量大大減小。當(dāng)樁底注漿量不斷增加、注漿壓力不斷升高時,漿液會沿樁側(cè)壁向上滲透,充填樁側(cè)與樁周土體間的間隙,同時向松散的土層、孔隙較大的礫砂層、卵石層和裂隙巖層滲透粘結(jié)。對粘土及粉土層,漿液的劈裂路線呈縱橫交叉的脈狀網(wǎng)絡(luò),增大了土體之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角,從而提高了土體的強度。

1.2 樁側(cè)壓槳的增強機理

樁側(cè)壓漿是在鉆孔灌注樁樁身(或樁側(cè)土中)通過預(yù)先埋置的壓漿管將水泥漿壓人樁側(cè)土體中,漿液充填樁側(cè)混凝土與樁周土體間的間隙,提高了樁側(cè)混凝土與樁周土體間的粘結(jié)力,從而提高了樁側(cè)摩阻力。樁側(cè)壓漿可以消除孔壁泥皮對樁側(cè)摩阻力的影響。由于壓漿是在基樁完工后3 d～10 d內(nèi)進行的,此時泥皮性能不穩(wěn)定,在壓力的攏動下,不穩(wěn)定的泥皮被破壞,和漿液一起形成水泥粘土漿,而后重新膠結(jié)成形,形成了抗剪強度較高、與樁身牢靠粘結(jié)的環(huán)形固體。樁側(cè)壓漿,漿液充填了樁周土層中的孔隙,擠壓密實了由于成孔時受泥漿浸泡而松軟的樁周土,提高了土的抗剪強度。漿液和樁周土混合形成了一層復(fù)合型樁身,模糊了原樁身與樁周土的界線,相當(dāng)于增大了樁徑增大了樁側(cè)摩阻力的作用面,從而提高了總側(cè)摩阻力。隨著注漿壓力的增大,漿液橫向向較弱的樁周土體中滲透,起滲透劈裂作用,漿脈則像樹根一樣橫向伸入土中,從而改善了樁土的受力狀態(tài)。樁側(cè)壓漿起擠密樁側(cè)土體作用,使樁周土側(cè)壓力增大,這對于摩擦角較大的砂類土,抗剪強度會增大。高壓注漿可以對質(zhì)量事故樁進行補強加固,漿液以充填滲透和擠密的方式取代事故段或缺陷部位孔隙內(nèi)的水分和空氣,使原來松散的部位被水泥漿膠結(jié)固結(jié),并與完好樁身膠結(jié)形成一個整體,起到惰性充填作用和化學(xué)膠結(jié)作用。樁端樁側(cè)聯(lián)合壓漿的增強機理等同于將前面兩種增強機理相結(jié)合[5-8]。

2 鉆孔灌注樁樁端后壓漿施工工藝流程

鉆孔灌注樁端后壓漿施工工藝是在鉆孔灌注樁成孔后,經(jīng)清孔,在下放的鋼筋籠上預(yù)置壓漿孔道(留無縫鋼管),待樁基混凝土灌注且達到一定強度后,即先疏通預(yù)留壓漿管,然后將先拌制好的水泥(水灰比有具體規(guī)定)通過壓漿機械(壓漿泵)經(jīng)預(yù)留孔壓至樁端持力層并滲入持力層孔隙間,達到一要求后停止壓漿,注入的水泥漿凝結(jié)后與持力層形成一個整體,從而提高樁基的承載能力。鉆孔灌注樁端后壓漿工藝流程見圖1。

圖1 鉆孔灌注樁端后壓漿工藝流程圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

沈陽盛世長安項目擬建成集甲級寫字樓、高檔公寓式酒店、住宅樓及旗艦型商業(yè)為一體的大型商住綜合體,總建筑面積約為223 652 m2,建筑高度100 m～210 m。本工程擬建建筑物主要包括:6層商業(yè)裙樓建筑2棟,35～37層住宅樓3棟,建筑高度118 m～135 m;40層公寓式酒店1棟,建筑高度160 m;38層甲級寫字樓1棟,建筑高度210 m;本工程設(shè)3層地下室(基底埋深按17 m考慮)基底持力層為⑥礫砂(局部為⑤圓礫層),場地地層為:①雜填土:主要由碎磚、碎石、碎水泥塊、粘性土、爐渣組成。層厚0.90 m～6.20 m;②素填土:由淤泥質(zhì)土、粉土和少量中粗砂組成。層厚:0.80 m～5.20 m;③粉質(zhì)粘土:可塑,飽和,干強度中等,局部分布。層厚:0.50 m～3.20 m;④中砂:以長石、石英為主,局部為粗砂層。層厚0.60 m～5.70 m;⑤圓礫:以火成巖為主,亞圓形,顆粒大小不均勻。層厚0.6m～7.6 m;⑥礫砂:黃褐色,以長石、石英為主,級配較好,最大粒徑10 cm,中密,濕度很濕。局部為粗砂、圓礫層。層厚0.60 m～13.20 m不等;⑦圓礫:以火成巖為主。該層最大揭露厚度為21.60 m。

本工程樁長約為29 m,樁徑?800 mm,樁身采用C40混凝土。由于樁基持力層為礫砂層,樁端注漿對于其承載力和沉降的控制應(yīng)該有較好的效果。為了對樁端注漿樁和非注漿樁單樁豎向極限承載力進行比較,分析本工程礫砂層注漿效果,設(shè)計要求對1號、2號樓做6組靜載試驗樁(總樁數(shù)為734根),其中4根為樁端注漿樁,注漿量為1.8 t,注漿壓力為4.5 MPa,2根為未注漿樁。

3.2 靜載試驗

靜載試驗[9-10]采用錨樁-反力架裝置,即每根測試樁的豎向反力由鄰近的錨樁提供,采用慢速維持荷載法進行靜載試驗,在實驗之前先對試樁樁頭進行局部加強,并用厚度為5 mm的鋼套筒圍護樁頭。加載系統(tǒng)由4臺6 300 kN的千斤頂、油泵及相應(yīng)的油壓表、連接管等組成。為了保證加載過程中各千斤頂負荷相同和行程同步,將4臺千斤頂以并聯(lián)的方式均勻布置在試驗樁頭的樁帽鋼板上。由4根錨樁、2根主梁組成的錨樁-反力梁為反力裝置(現(xiàn)場試驗見圖2)。試樁沉降變形由4個量程50 mm(可調(diào))的數(shù)顯示位移計測讀,位移計按正交直徑方向?qū)ΨQ安裝在樁頂下500mm處,為直接測定樁周各土層的極限側(cè)摩阻力,在各相鄰?fù)翆拥慕唤缑嬖O(shè)置測試斷面,當(dāng)土層厚度較大時,在土層中部增設(shè)幾個測試斷面,在樁頂下0.5 m處設(shè)一應(yīng)變測試斷面,作為傳感器標定斷面,在樁端埋設(shè)2個振弦式單模土壓力盒測試樁端阻力,為監(jiān)控錨樁上拔位移,在4個錨樁的樁頭各設(shè)一塊百分表。

圖2 靜載試驗

試驗分級加載,分級荷載取試驗荷載的1/10,即1 500 kN,第一級取分級荷載的2倍,即3 000 kN。每級荷載施加后,按第 5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測讀樁頂沉降量,以后每30 min測讀一次;當(dāng)每1 h內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1 mm,并連續(xù)出現(xiàn)2次(從分級荷載施加后第30 min開始,按1.5 h連續(xù)3次每30 min的沉降值計算),即視為樁頂沉降速率達到相對穩(wěn)定標準,可施加下一級荷載。達到規(guī)范規(guī)定的終止加載條件即可卸載,每級卸載量取加載值的2倍,即3 000 kN。

單樁豎向極根承載力可以由三種方法確定:

(1)根據(jù)Q-S曲線有明顯陡降段的起點為極限承載力。

(2)根據(jù)沉降確定:當(dāng)Q-S曲線有明顯特征S=40 mm對應(yīng)荷載。

(3)根據(jù)沉降值隨時間變化特征確定,lgt-S曲線尾部出現(xiàn)明顯下彎的前一級荷載。

本工程中1號樓的45號、214號樁和2號樓的63號、326號樁均為樁端注漿樁,其靜載試驗結(jié)果見表1。1號樓的126號樁和2號樓的184號樁均為未注漿,其靜載試驗結(jié)果見表2。

表1 注漿樁靜載試驗結(jié)果

表2 未注漿樁靜載試驗結(jié)果

3.3 試驗分析

本工程的注漿樁與非注漿樁靜載試驗荷載-沉降曲線對比見圖3,實驗結(jié)果表明1號樓注漿樁單樁豎向極限承載力為15 000 kN,非注漿樁單樁豎向極限承載力為10 000 kN,說明注漿樁單樁豎向極限承載力比非注漿單樁豎向極限承載力能提高50%以上。2號樓注漿樁單樁豎向極限承載力為14 500 kN,非注漿單樁豎向極限承載力為9 500 kN,說明注漿樁單樁豎向極限承載力比非注漿單樁豎向極限承載力能提高52.6%以上。當(dāng)荷載較小時,樁頂即產(chǎn)生沉降。當(dāng)未注漿的試樁1～126加載到荷載為9 000 kN時,樁頂沉降約為20.99mm;而采用樁端后注漿的試樁1～45在9 000 kN時樁頂沉降為8.27 mm,說明樁端后注漿的試樁樁頂沉降比未注漿的沉降值小。也就是說,樁端后注漿可以減少沉降量,使得樁底的沉渣及卵石層得到固化。在試驗樁1～45加載至15 000 kN時,樁頂累計總沉降量為17.52 mm,小于40 mm。各試驗樁在每級試驗荷載作用下本級的沉降量與前一級荷載的沉降量的比值在0.58～1.76之間,均小于前一級荷載作用下沉降量的2倍。卸載后,樁頂?shù)臍堄喑两禐?.96 mm。最大回彈量為8.56 mm,回彈率為48.9%。荷載-沉降曲線上尚未出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段,試樁1～45的沉降-時間對數(shù)曲線見圖4,如圖4所示沒有出現(xiàn)明顯的下彎折點。綜上所述,該樁尚未出現(xiàn)破壞的特征,因此可推定試驗荷載尚未達到該樁的破壞荷載。

圖3 各試樁荷載—沉降曲線對比圖

4 結(jié) 語

圖4 試樁S-lgt曲線

本文首先給出鉆孔灌注樁后壓漿增強機理和鉆孔灌注樁樁端后壓漿的施工工藝,并以沈陽盛世長安項目為依托,工程采用慢速維持荷載的靜載試驗方法,研究了鉆孔灌注樁樁基持力層為礫砂層的地質(zhì)條件下的荷載-沉降曲線和沉降-時間對數(shù)曲線,通過試驗得出如下結(jié)論:隨著荷載的增加,樁頂位移逐漸增大,荷載沉降關(guān)系呈一條平滑的曲線,但荷載-沉降曲線上尚未出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段,沉降-時間曲線沒有出現(xiàn)明顯的下彎折點,該樁尚未出現(xiàn)破壞的特征,因此可推定試驗荷載15 000 kN尚未達到該樁的破壞荷載。并通過實驗數(shù)據(jù)測定注漿樁單樁豎向極限承載力比非注漿單樁豎向極限承載力能提高50%以上。

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