高壓循環(huán)注漿結(jié)合鋼管托換在樁基補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用探討

牛建東，曠景心，譚旭亮

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.長(zhǎng)沙恒德巖土工程技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

灌注樁作為基礎(chǔ)處理的主要方式，在地基處理中得到了廣泛的應(yīng)用，但灌注樁施工過(guò)程中，經(jīng)常遇到不良地層，導(dǎo)致在灌注混凝土的過(guò)程中，孔壁局部坍塌，使得土體進(jìn)入混凝土中，造成灌注樁斷樁、樁身混凝土存在缺陷和樁端承載力不足等情況。一般的處理方法有加樁或補(bǔ)樁等，但這些方法均會(huì)造成基礎(chǔ)工程造價(jià)的大幅提高和工期延長(zhǎng)，影響工程正常的竣工時(shí)間。高壓循環(huán)注漿結(jié)合鋼管托換補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是以高壓循環(huán)注漿提高樁身膠結(jié)較差部位的強(qiáng)度，以鋼管樁托換樁基部分承載力為原理對(duì)缺陷樁進(jìn)行加固的補(bǔ)強(qiáng)方法。本文以高壓循環(huán)注漿結(jié)合鋼管托換補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)為研究對(duì)象，結(jié)合樁基補(bǔ)強(qiáng)工程實(shí)例，對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行探討，并結(jié)合抽心檢測(cè)技術(shù)，對(duì)其加固效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況及地層巖性

1.1 工程概況

湖南湘潭某商住樓樁基礎(chǔ)，樁型為人工挖孔灌注樁，樁端持力層為紫紅色中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，樁端極限承載力為1700 kPa。設(shè)計(jì)樁徑1500～2400 mm，樁身砼強(qiáng)度等級(jí)為C30。樁基施工完成后，經(jīng)檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)，部分樁心樣單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，為不合格樁。必須對(duì)其進(jìn)行加固處理。

1.2 地層巖性

各土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)勘察報(bào)告，勘察范圍及勘探深度內(nèi)，場(chǎng)地主要為潛水，潛水主要賦存于圓礫④中，受同層地下水補(bǔ)給，場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均不具腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 樁基補(bǔ)強(qiáng)加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)抽心情況，混凝土樁身底部膠結(jié)不好，其強(qiáng)度無(wú)法確定。如采用加樁或補(bǔ)樁等補(bǔ)強(qiáng)方法，則會(huì)造成基礎(chǔ)工程造價(jià)的大幅提高和工期延長(zhǎng)，影響工程正常的竣工時(shí)間。為避免上述情況的發(fā)生并根據(jù)樁身砼質(zhì)量、樁徑和單樁承載力，決定對(duì)該樁采用高壓循環(huán)注漿和鋼管托換技術(shù)進(jìn)行處理，具體方案如下。

(1)利用樁頂抽心孔，適當(dāng)增加2～3個(gè)鉆孔，并用地質(zhì)鉆機(jī)加深成孔，孔深穿過(guò)樁底1.0～2.0 m，成孔后經(jīng)高壓風(fēng)、水清孔后，投入骨料，采用425普通硅酸鹽水泥通過(guò)高壓注漿補(bǔ)強(qiáng)。微型樁樁徑130 mm，微型樁的樁長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際樁長(zhǎng)確定，在實(shí)際樁長(zhǎng)的基礎(chǔ)上增加1.0～2.0 m。

(2)對(duì)于樁承載力要求較大，樁身砼離析較嚴(yán)重的部分樁，采用鋼管樁補(bǔ)強(qiáng)方案。單根樁中鋼管樁數(shù)量應(yīng)根據(jù)樁基具體情況確定，一般采用4個(gè)。鋼管樁方案是在130 mm鉆孔內(nèi)放置1根6～8 m114 mm×8.0 mm鋼管樁托換該樁的部分承載力。

(3)采用1～3 MPa高壓水清洗各孔，將孔內(nèi)沖洗干凈，并將鋼管放入孔內(nèi)。再往孔內(nèi)注入水泥漿。

(4)局部樁基在樁基外側(cè)鉆孔穿透圓礫層，采用高壓循環(huán)注漿，使樁外側(cè)地層特別是圓礫層的側(cè)摩阻力大大提高，使樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮。

樁基補(bǔ)強(qiáng)鋼管樁及注漿孔布置具體見(jiàn)圖1。

圖1 樁基補(bǔ)強(qiáng)鋼管樁及注漿孔布置圖

3 樁基補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算分析

上述補(bǔ)強(qiáng)方案的計(jì)算原則為:鋼管砼與樁中鋼管承載力標(biāo)準(zhǔn)值等于樁膠結(jié)不良段所承受荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，原樁注漿處理后的砼強(qiáng)度，考慮到混凝土的缺陷，取C30混凝土強(qiáng)度的1/2，其余強(qiáng)度當(dāng)安全儲(chǔ)備。

3.1 驗(yàn)算承載力

(1)灌注樁混凝土承載力N1。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94 － 2008)[1]計(jì)算:

式中:γc—— 混凝土安全系數(shù)，l.25;γb—— 構(gòu)件工作條件系數(shù)，0.95;Ra——混凝土的強(qiáng)度，考慮到混凝土的缺陷，取C30混凝土強(qiáng)度的1/2;A——混凝土的面積。

不同樁徑樁身混凝土承載力見(jiàn)表2。

表2 不同樁徑樁身混凝土承載力

(2)原樁鋼筋承載力。原樁基礎(chǔ)中的鋼筋抗壓強(qiáng)度作為安全儲(chǔ)備。

(3)鋼管砼承載力標(biāo)準(zhǔn)N3。按《鋼管砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CESZ8:90)計(jì)算［2］，114 mm ×8 mm鋼管:

式中:fa——縱筋抗拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fc——鋼管中砼強(qiáng)度值，考慮到混凝土的缺陷，取C30混凝土強(qiáng)度的 1/2，按 C30取 15 MPa;Aa——鋼管截面積，2.512 × 103mm2;Ac——鋼管中的砼面積，6．64 ×103mm2;θ——鋼管混凝土套箍系數(shù)，θ=7．94。

(4)樁側(cè)摩阻力N4［3］。經(jīng)高壓注漿后，應(yīng)考慮樁側(cè)摩阻力:

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(GB 50007－2011)和地勘報(bào)告綜合取值，計(jì)算得到不同樁徑的樁側(cè)摩阻力計(jì)算值(見(jiàn)表3)。

表3 不同樁徑的樁側(cè)摩阻力計(jì)算值

(5)處理后的樁基承載力見(jiàn)表4。

表4 不同樁徑樁基處理后總承載力

3.2 嵌巖阻力增大原因分析

原設(shè)計(jì)中樁基的承載力全部來(lái)自于嵌巖部位的摩阻力和樁端的端阻力。經(jīng)本方案處理后，其摩阻力和端阻力明顯增加，原因如下。

(1)注漿漿液充填樁側(cè)與嵌巖段的孔隙，嵌巖段巖土體經(jīng)高壓擠密后，會(huì)大幅提高樁側(cè)嵌巖段的摩阻力及端阻力增加明顯。

(2)鋼管樁嵌巖部分可以提高樁端的摩阻力和樁端承載力，進(jìn)而提高樁承載力。

4 樁身補(bǔ)強(qiáng)工藝

4.1 樁身補(bǔ)強(qiáng)工藝流程

放線→鉆孔→高壓洗孔→放置鋼管→全孔段高壓循環(huán)注漿→封孔→樁基外側(cè)注漿。

4.2 主要施工工藝

(1)按設(shè)計(jì)要求均勻布置注漿孔，每個(gè)孔分擔(dān)的面積應(yīng)盡量相等。

(2)采用XY－100型地質(zhì)鉆機(jī)成孔，單動(dòng)雙管金剛石鉆進(jìn)取心，采用清水高壓循環(huán)給水，鉆機(jī)用低壓高速鉆進(jìn)，垂直度控制在0.3%以?xún)?nèi)。

(3)鉆孔達(dá)設(shè)計(jì)深度后，采用高壓風(fēng)、水洗孔，主要針對(duì)膠結(jié)差的地段，采用封孔裝置，分段高壓清洗。

(4)放置鋼管。鋼管應(yīng)通長(zhǎng)布置，鋼管駁接采用坡口對(duì)接焊，且4個(gè)孔鋼管駁接面盡量錯(cuò)開(kāi)。鋼管底部3 m在同一截面的鋼管上開(kāi)12@500孔，制作好的鋼管由現(xiàn)場(chǎng)的塔吊吊起，垂直放人孔內(nèi)，保證鋼管下至設(shè)計(jì)深度(在鋼管上焊212鋼筋進(jìn)行檢測(cè))，允許誤差5 cm。

(5)預(yù)埋注漿管及封孔。吊放鋼管后，在孔口預(yù)埋長(zhǎng)1 m的注漿管和排氣管。注漿管和排氣管均采用2 in(50.8 mm)的鍍鋅管，排氣管下端以超出孔口固結(jié)段5～10 cm為宜。

(6)全孔段高壓循環(huán)注漿[6]。

注漿材料:普通硅酸鹽水泥(P.O.52.5)及膨脹材料。

水泥漿配合比:采用分段灌注，漿液由稀至濃進(jìn)行灌注，水灰比為 2→1→0.8→0.6→0.45。

注漿壓力為1～3 MPa，開(kāi)始應(yīng)盡量將壓力控制在1 MPa左右。

注漿過(guò)程應(yīng)根據(jù)吃漿量和壓力變化來(lái)改變水灰比，這是保證注漿質(zhì)量的關(guān)鍵。

注漿要持續(xù)進(jìn)行，不能中斷。如特殊原因中斷，應(yīng)在水泥初凝前半小時(shí)恢復(fù)注漿;若不能恢復(fù)，則應(yīng)用低壓水進(jìn)行清洗，正常后再重新注漿。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):漿液濃度為0.45、壓力為3 MPa時(shí)，穩(wěn)壓持續(xù)時(shí)間為30 min，樁身停止吸漿或吸漿量≯0.2 L/min時(shí)，可結(jié)束注漿。

(7)封孔。注漿完畢檢查合格后，采用1∶1水泥砂漿封孔。

(8)樁基外側(cè)注漿方案。為提高樁基的樁側(cè)摩阻力，尤其是圓礫層的樁側(cè)摩阻力，在樁基護(hù)壁外側(cè)均勻布置4～6個(gè)鉆孔，穿透圓礫層，采用高壓注漿，使樁外側(cè)地層特別是圓礫層的側(cè)摩阻力大大提高，使樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮。

5 檢測(cè)方法

樁基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理后，采用鉆心法檢測(cè)樁身混凝土中骨料的分布情況、膠結(jié)效果，樁底沉渣情況和樁身的完整性。取出來(lái)的心樣試件進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測(cè)樁身混凝土強(qiáng)度，判定樁基經(jīng)過(guò)加固后滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析不同樁徑缺陷樁的承載力，對(duì)不合格樁基采用高壓循環(huán)注漿提高樁身膠結(jié)較差部位的強(qiáng)度，并以鋼管樁托換樁基部分端承力，使經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)加固處理后的缺陷樁承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，通過(guò)抽心檢測(cè)驗(yàn)證，補(bǔ)強(qiáng)后的缺陷樁在承載力方面確實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明高壓循環(huán)注漿結(jié)合鋼管托換技術(shù)應(yīng)用至樁基補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域在經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可靠性和施工可行性等方面都是可行的。

[1] JGJ 94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 俞振全.鋼管樁的設(shè)計(jì)與施工[M].北京:地震出版社，1993.

[3] GB 50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 張忠苗.樁基工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 李學(xué)明，伍軍，李國(guó)亮.開(kāi)口鋼管樁豎向承載力計(jì)算探討[J].路基工程，2005，(4).

[6] 陳亮晶，牛建東.低滲透性情況下注漿方法研究[J].施工技術(shù)，2013，42(7):68 －70.

[7] 張旭東.微型鋼管灌注樁基礎(chǔ)托換技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(1):73 －75.