灌注樁后注漿技術(shù)在城市高架橋工程中的應(yīng)用

詹俊華，李選棟

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南鄭州　450052）

灌注樁后注漿技術(shù)在城市高架橋工程中的應(yīng)用

詹俊華，李選棟

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南鄭州450052）

通過對鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)作用機(jī)理研究分析，介紹一種可靠的后注漿裝置、工藝參數(shù)和工藝流程在工程實(shí)例中的應(yīng)用。以鄭州市三環(huán)快速化工程為實(shí)例，分析探討了應(yīng)用該技術(shù)所取得的效益。

鉆孔灌注樁；后注漿；樁端承載力；樁側(cè)摩阻力

0　引言

近年來我國城市高架橋發(fā)展迅速，基礎(chǔ)形式一般采取灌注樁基礎(chǔ)，單樁承載力要求較高，為了滿足設(shè)計要求，大都采用群樁基礎(chǔ)，且樁長、樁徑尺寸都比較大，使得基礎(chǔ)部分在整個工程總造價中所占比重較大，同時由于樁長很長，給施工造成很大的困難。如何提高鉆孔灌注樁的承載力，降低施工難度，提高經(jīng)濟(jì)效益是工程中迫切需要解決的課題。

1　灌注樁后注漿技術(shù)作用機(jī)理

灌注樁后注漿技術(shù)主要是針對解決鉆孔灌注樁施工中存在因孔底沉渣難以處理干凈而降低端阻及因泥漿護(hù)壁而降低側(cè)摩阻的缺點(diǎn)。灌注樁后注漿技術(shù)提高樁承載力，減少樁沉降量的作用機(jī)理如下：

（1）充填膠結(jié)效應(yīng)。在樁底為卵、礫、砂等粗粒土實(shí)現(xiàn)滲入注漿條件下，土體孔隙被高壓漿液充填、散粒被膠結(jié)，土體強(qiáng)度和變形模量大幅度提高。

（2）加筋效應(yīng)。在樁底為黏性土、粉土、粉細(xì)砂等細(xì)粒土實(shí)現(xiàn)劈裂注漿條件下，細(xì)粒土體被網(wǎng)狀結(jié)石分割加筋成復(fù)合土體，復(fù)合土體的強(qiáng)度變形形狀由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的制約和強(qiáng)化作用而大為改善，從而提高總側(cè)阻力和總端阻力。

（3）固化效應(yīng)。樁底沉渣和樁側(cè)泥皮與注入的漿液發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而固化，使單位端阻力和側(cè)阻力顯著提高。

（4）擴(kuò)底（徑）效應(yīng)。當(dāng)被加固體位于樁底時，總樁端阻力因擴(kuò)底效應(yīng)而提高；當(dāng)被加固體位于樁側(cè)時，總側(cè)阻力因樁身擴(kuò)徑效應(yīng)而顯著增大［1］。

（5）樁身上抬效應(yīng)。在樁端進(jìn)行壓力注漿時，當(dāng)樁端的滲透能力受到限制，形成的梨形體內(nèi)的漿液壓力不斷升高，在高壓液體的作用下，將給樁端面施加向上的反向預(yù)應(yīng)力，能使樁身微微上抬，產(chǎn)生上抬效應(yīng)。當(dāng)鉆孔灌注樁承受向下的豎向荷載時，此反向應(yīng)力將承擔(dān)部分荷載，且樁底注漿可以使樁上抬而產(chǎn)生反向摩阻力，相似于“預(yù)應(yīng)力”原理，提高側(cè)阻力，減少沉降量［2］。

總之，樁基后注漿作用機(jī)理可概括為填充膠結(jié)效應(yīng)、加筋效應(yīng)、固化效應(yīng)、擴(kuò)底效應(yīng)和樁身上抬效應(yīng)。

2　影響后注漿灌注樁承載力的因素

影響后壓漿灌注樁承載力的因素十分復(fù)雜，這是由鉆孔灌注后壓漿樁的特點(diǎn)所決定的。這些因素大體可分為兩個方面：一是注漿施工因素，包括漿液的類型、注漿量、注漿壓力等；二是樁身的因素，包括樁端土性、樁長、樁徑和樁身質(zhì)量等。

3　灌注樁后注漿施工工藝介紹

3.1工程概況

鄭州市三環(huán)線全長44 km，其中高架橋段長約32.5 km。三環(huán)線高架采用的基礎(chǔ)形式為大直徑灌注樁（樁徑有1.0 m、1.2 m、1.5 m和1.8 m四種形式），估算樁基工程造價約18億元。

地質(zhì)條件：上部為第四紀(jì)粉土、粉質(zhì)黏土層，下部為第三紀(jì)粉土、粉質(zhì)黏土層，地下40～50 m有不均勻的膠結(jié)層。

3.2施工流程

成孔→注漿管閥制作安裝→預(yù)埋注漿管下鋼筋籠→清孔→樁身混凝土澆注→注漿管開塞→拌制水泥漿→注漿設(shè)備安裝，注入漿液→觀測注漿壓力和注漿量穩(wěn)定注漿→設(shè)備拆除［3］。圖1為施工流程圖。

圖1　施工流程圖

3.3灌注樁清孔要求

灌注樁清孔應(yīng)根據(jù)單樁承載力設(shè)計時樁側(cè)阻力、樁端阻力的增強(qiáng)系數(shù)取值，樁長、長徑比、土層情況等因素確定沉渣厚度，當(dāng)增強(qiáng)系數(shù)取值較大時，沉渣厚度應(yīng)取小值。

試樁應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行二次清孔，二次清孔在下完導(dǎo)管后進(jìn)行，二次清孔采用氣舉反循環(huán)或泵吸反循環(huán)，二次清孔后的孔底沉渣厚度小于100 mm，二次清孔完成后，立即灌注水下混凝土。

3.4注漿裝置制作及安裝

注漿裝置的制作與安裝應(yīng)根據(jù)是否共用聲測管、樁側(cè)注漿位置、鋼筋籠制作工藝、注漿開塞時間等情況，選擇合適的注漿裝置、制作和安裝工藝。

對樁端注漿，應(yīng)利用聲測管作底注漿管，聲測管布置3根，呈等邊三角形，聲測管為Φ50鋼管，頂端高出地面500 mm，并用堵頭封嚴(yán)，防止泥漿等雜物進(jìn)入。超聲波檢測后進(jìn)行樁端注漿。3根Φ50鋼管綁扎布置在鋼筋籠內(nèi)側(cè)，隨鋼筋籠一起下入孔底。選取兩根聲測管做注漿管，2根注漿管下部分別用三通聯(lián)接1根內(nèi)徑φ25帶鋼絲的柔性高壓塑料管，注漿噴頭管繞樁身環(huán)形布置，注漿噴頭管的外側(cè)打孔后纏防水塑料帶密封。2根中1根作為備用管，主注漿管出現(xiàn)意外注漿失敗時啟用。圖2為樁端注漿管端頭構(gòu)造圖。

圖2　樁端注漿管端頭構(gòu)造圖

對樁側(cè)注漿樁長45 m及以上的設(shè)置3道側(cè)注漿閥，樁長45 m以下的設(shè)置2道，按照以下原則布設(shè)側(cè)注漿閥：最下面一道距離樁底12～18 m，最上面一道距離樁頂8～15 m，每道側(cè)注漿閥豎向間距為12 m。每道注漿閥對應(yīng)一根注漿鋼管，注漿管采用DN25鋼管，鋼管綁扎布置在鋼筋籠外側(cè)，隨鋼筋籠一起下孔，注漿管端部用三通聯(lián)接注漿噴管，注漿噴管為1根內(nèi)徑φ25帶鋼絲的柔性高壓塑料管，繞樁身環(huán)形布置，沿鋼筋籠外側(cè)布置，在噴頭管的外側(cè)打孔后纏塑料帶密封。圖3為樁側(cè)注漿管端頭構(gòu)造圖。

3.5開塞

灌注樁后注漿施工中，采用樁底不填碎石方案、開塞時間提前的措施。開塞在混凝土澆注后12～24 h進(jìn)行，開塞后用清水沖洗注漿管道，直至溢出清水，然后用堵頭重新封閉壓漿管。

圖3　樁側(cè)注漿管端頭構(gòu)造圖

3.6后壓漿施工時間

考慮注漿量和注漿的效果，后注漿施工時間原則上越早越好，但需考慮以下幾個因素：

（1）由于共用聲測管進(jìn)行樁底注漿，注漿時間應(yīng)當(dāng)考慮灌注樁聲測時間，超聲波檢測混凝土質(zhì)量需要混凝土具備一定的強(qiáng)度，時間一般不應(yīng)小于3 d。

（2）混凝土強(qiáng)度應(yīng)能滿足注漿壓力要求，不至于因注漿壓力造成樁身混凝土損壞。根據(jù)目前注漿設(shè)備情況，一般注漿泵工作壓力不大于10 MPa，因此，注漿施工時要求樁身混凝土強(qiáng)度等級不小于15 MPa。

該工程在成樁3～7 d后開始注漿，先側(cè)注漿，后樁底注漿，多斷面樁側(cè)注漿順序?yàn)橄壬虾笙?，先外圍后中間，樁側(cè)注漿和樁底注漿時間間隔3～6 h。

3.7注漿量（水泥用量）及注漿壓力

注漿量按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）第6.7.4條、《公路與橋涵工程地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63—2007）第5.3.6條計算確定，單樁注漿量估算［4］：

對群樁初始注漿的數(shù)根基樁的注漿量應(yīng)按上述估算值乘以1.2的系數(shù)。

該工程注漿壓力：樁側(cè)注漿壓力2～2.5 MPa，樁底注漿壓力2～4 MPa；注漿流量：75 L/min。

當(dāng)滿足下列條件之一時可終止注漿：

（1）注漿總量和注漿壓力均達(dá)到設(shè)計要求；

（2）對每一道注漿來說，注漿量達(dá)到設(shè)計值，但注漿壓力沒有達(dá)到設(shè)計值，此時改為間歇注漿，再注設(shè)計值的30%水泥漿為止；

（3）對每一道注漿來說，注漿壓力達(dá)到設(shè)計值并在持荷5 min后，注漿量少于設(shè)計值，此時保證注漿量不低于設(shè)計值的80%即可。

3.8注漿漿液制備

水泥漿注漿材料應(yīng)根據(jù)土層情況、地下水條件、土的滲透系數(shù)、水泥土強(qiáng)度要求等因素確定。

該工程配制注漿漿液采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥要求新鮮、不結(jié)塊，并按有關(guān)規(guī)定批次送檢，合格后方可使用。漿液水灰比取0.55～0.6，攪拌時間不少于3 min，漿液用3 mm×3 mm的濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，漿液采用純水泥漿。

3.9正常注漿與注漿失敗

（1）正常注漿過程中經(jīng)常出現(xiàn)的情況：

a.壓力逐漸上升，但達(dá)不到設(shè)計要求的壓力，這可能是漿液在黏土中形成脈狀劈裂滲透，或漿液濃度低、凝膠時間長，或部分漿液逸出。

b.壓漿開始后壓力不上升，甚至離開初始壓力值呈下降趨勢，這可能是漿液外逸。

c.壓力上升后突然下降，這可能是漿液從注漿管周圍溢走，或注速過大，擾動土層，或遇到空隙薄弱部位。

d.壓力上升很快，而速度上不去，表明土層密實(shí)或凝膠時間過短。

e.壓力有規(guī)律上升，即使達(dá)到容許壓力，壓漿速度也很正常（變化不大），這表明壓漿是成功的。

f.壓力上升后又下降，而后再度上升，并達(dá)到預(yù)定的要求值，可以認(rèn)為是空隙部位已被漿液填滿，這種情況也是成功的。

（2）注漿失敗

由于施工操作不當(dāng)（如注漿單向閥門反向安裝）或土層本身性質(zhì)導(dǎo)致注漿孔堵塞，引起后注漿施工中預(yù)置的兩根注漿管全部失效，導(dǎo)致設(shè)計的漿液不能注入，或管路雖通但實(shí)際注漿量達(dá)不到50%，且注漿壓力達(dá)不到終止壓力，視為注漿失敗。

（3）注漿失敗的處理

a.出現(xiàn)注漿壓力長時間低于正常值，或地面出現(xiàn)冒漿時改為間歇注漿，間歇時間為30～60 min，或調(diào)低水灰比。

b.在樁側(cè)重置注漿孔通過埋設(shè)的注漿管補(bǔ)充注漿，注漿量與注漿壓力宜超出正常注漿設(shè)計值的30%～50%。

c.樁端注漿失敗時，采用抽芯方法埋設(shè)注漿花管補(bǔ)充注漿，注漿花管應(yīng)采用單向閥裝置，注漿壓力宜超出正常注漿設(shè)計值的30%。

3.10質(zhì)量檢驗(yàn)與控制要求

（1）應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告、設(shè)計文件等編制后注漿施工組織設(shè)計方案，注漿施工前應(yīng)對操作工人進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底。

（2）后注漿正式施工前應(yīng)提供水泥材料質(zhì)檢報告、注漿泵壓力表檢定證書、試注漿記錄、設(shè)計工藝參數(shù)、后注漿作業(yè)施工方案、特殊情況處置預(yù)案等。

（3）施工過程中對注漿裝置制作、安裝質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行檢查驗(yàn)收，對開塞、水泥漿制配、注漿過程、注漿失敗的處理過程應(yīng)進(jìn)行旁站監(jiān)理，并對水泥用量、水灰比、注漿壓力等關(guān)鍵參數(shù)及時記錄簽證。

3.11樁基實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該工程試驗(yàn)樁基以樁長45 m，樁徑1.2 m為例，通過后注漿施工后，經(jīng)過靜載試驗(yàn)，單樁豎向極限承載力達(dá)到18 000 kN，相比未注漿樁基承載力提高了約30%。在同等單樁設(shè)計承載力條件下，根據(jù)地質(zhì)條件，樁長、樁徑及持力層選擇均可優(yōu)化［5］。實(shí)踐證明，該工程使用后注漿工藝，樁基礎(chǔ)節(jié)約了20%。

4　結(jié)論

灌注樁后注漿技術(shù)可以大幅度提高樁承載力，減少樁的沉降，在工程應(yīng)用上可獲得很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。特別是在下列條件下應(yīng)優(yōu)先推薦采用灌注樁后注漿技術(shù)：

（1）對變形比較敏感的結(jié)構(gòu)，在同等承載力條件下可到大大減小樁基的沉降量；

（2）地質(zhì)條件不是很好，有較大承載力能力的持力層較深，采用摩擦樁樁長過長，而使基礎(chǔ)工程費(fèi)用在整個工程中所占比例較大；

（3）底層下分布較多不規(guī)則的鈣質(zhì)膠結(jié)層，采用后注漿技術(shù)能減小樁長，避免樁基穿過鈣質(zhì)膠結(jié)層，降低施工難度。

［1］劉金礪，祝經(jīng)成.泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)及應(yīng)用［J］.建筑科學(xué)，1996（2）：13-18.

［2］張忠苗.灌注樁后注漿技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］陳立新，蘇斌，楊宗耀.灌注樁樁基后注漿施工工法［J］.巖土工程技術(shù)，2010（1）:51-54.

［4］JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］周同和，李民生，鄭華民，等.鄭州市三環(huán)快速化工程后注漿灌注樁承載力荷載試驗(yàn)報告［R］.鄭州：化工部（鄭州）基礎(chǔ)工程研究檢測中心，鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司，2014.

U445.55+1

B

1009-7716（2016）01-0121-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.035

2016-09-01

詹俊華（1981-），男，河南商水人，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。