沖鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)及應(yīng)用

王文生

(福建省地質(zhì)工程勘察院，福州，350002)

1 沖鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用

沖鉆孔灌注樁的特點(diǎn)在于樁長易于選取，樁徑選擇范圍大，能適用于各種地層條件，廣泛應(yīng)用于各種基礎(chǔ)工程中。但在具體的施工和應(yīng)用中也會(huì)出現(xiàn)問題，如易出現(xiàn)斷樁、夾泥、縮徑、樁側(cè)泥皮、樁側(cè)地層應(yīng)力松弛、樁端沉渣太厚及持力層擾動(dòng)[1]等。由于成孔工藝的固有缺陷，造成沖鉆孔灌注樁樁側(cè)摩阻力與樁端端阻力作用難以正常發(fā)揮，因此在提供的樁基參數(shù)中[2]，同預(yù)制樁相比，同一地層的側(cè)摩阻力極限值降低了10%～30%，端阻力極限值僅為預(yù)制樁的1/3～1/4。為了解決這一問題，在20世紀(jì)90年代初，后注漿技術(shù)開始在沖鉆孔灌注樁施工中得到運(yùn)用，使沖鉆孔灌注樁承載力得到提升，后注漿技術(shù)也成為一種成熟的新型施工技術(shù)[3]。筆者通過分析總結(jié)沖鉆孔灌注樁后注漿工作機(jī)理，并結(jié)合實(shí)例應(yīng)用，探討沖鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)的工作內(nèi)容設(shè)計(jì)和關(guān)鍵問題解決。

2 沖鉆孔灌注樁后注漿作用形式及效果

沖鉆孔灌注樁后注漿是指沖鉆孔灌注樁澆筑成樁，經(jīng)過一定時(shí)間且混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定要求后，通過事先埋置在沖鉆孔灌注樁內(nèi)的注漿導(dǎo)管向樁側(cè)或樁端注入水泥漿。根據(jù)處理地層的埋深、顆粒粗細(xì)、強(qiáng)度、滲透性，樁長、樁徑、單樁承載力提高幅度及樁的使用功能等，將沖鉆孔灌注樁后注漿分為樁底注漿、樁側(cè)注漿、樁底樁側(cè)復(fù)式注漿等3種形式，其中樁底注漿早期比較常用。后注漿對(duì)樁端、樁側(cè)承載力增強(qiáng)效應(yīng)主要有4種(圖1)。

圖1 后注漿對(duì)樁端、樁側(cè)增強(qiáng)機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of reinforcement mechanism of post grouting to pile end and pile side

(1)泥皮和沉渣的固化效應(yīng)。通過水泥漿與樁底沉渣、樁側(cè)泥皮相互作用，起到固化樁底沉渣、樁側(cè)泥皮的作用，從而增強(qiáng)樁側(cè)阻力和樁端阻力，提高單樁承載力。

(2)滲入膠結(jié)效應(yīng)。通過高壓使水泥漿滲入砂、礫卵石等粗粒土，使其相互作用，固化樁側(cè)和樁端地層，提高單樁承載力。

(3)劈裂加筋效應(yīng)。通過高壓使細(xì)粒土(黏土、淤泥等)產(chǎn)生劈裂，水泥漿填充后形成類似加筋土的效果，從而改善細(xì)粒土的力學(xué)性質(zhì)，提高單樁承載力。

(4)擴(kuò)底擴(kuò)徑效應(yīng)。通過注漿使水泥漿與樁側(cè)、樁端土體相互作用，形成以樁為中心，以水泥漿有效處理范圍為半徑的相對(duì)擴(kuò)大的樁土復(fù)合體，極大提高了單樁承載力[4]。

3 沖鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)工作的主要內(nèi)容

3.1 工程調(diào)查

調(diào)查主要內(nèi)容是：①處理場(chǎng)地位置的地形及各巖土層的地質(zhì)特征；②處理地層的強(qiáng)度、飽和度、滲透性、腐蝕性等，必要時(shí)還需了解處理地層地下水的流速、流向等水文地質(zhì)參數(shù)；③注漿對(duì)周邊已有的(建)構(gòu)筑物及其基礎(chǔ)是否存在影響；④廢漿排放對(duì)周邊環(huán)境的影響，監(jiān)測(cè)地下水位、水質(zhì)在注漿前后的變化及對(duì)附近居民水源地的影響[5]。

3.2 注漿材料的選用

地層的粒徑、強(qiáng)度、飽和度、滲透性、腐蝕性等條件是決定注漿材料的主要因素，其次是場(chǎng)地周邊的環(huán)境條件，單樁承載力預(yù)期提高幅度以及注漿的整體效果等因素[6]。

注漿材料應(yīng)滿足4個(gè)條件：①漿液稠度低、黏性小、流動(dòng)性好、可注性強(qiáng)，能夠進(jìn)入細(xì)小孔隙；②漿液與地層間的黏結(jié)、凝固時(shí)間易于控制；③配置的漿液穩(wěn)定性好，不污染環(huán)境；④漿液固化時(shí)收縮小，能牢固與巖土黏結(jié)，易于形成結(jié)合體。

3.3 注漿參數(shù)的選擇

3.3.1 注漿壓力

實(shí)際工作中采用的注漿壓力不是一個(gè)不變的固定值，一般根據(jù)地層粒徑、級(jí)配、強(qiáng)度、飽和度、滲透性、注漿的部位等因素，并結(jié)合壓水試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整，由現(xiàn)場(chǎng)試注漿試驗(yàn)最終確定注漿壓力。通常以壓水試驗(yàn)壓力作為注漿的起始?jí)毫ΓK壓力常為初壓力的2～3倍。當(dāng)正常注漿壓力下注漿速度緩慢時(shí)，應(yīng)提高注漿壓力，避免細(xì)小裂隙提前被封堵而影響注漿效果，也可增加注漿量，即為“一次升壓法”。 但提高注漿壓力也會(huì)使?jié){液在較寬的裂隙中集中流竄而造成浪費(fèi)。分級(jí)分壓法是指當(dāng)?shù)貙游鼭{量大，在正常注漿壓力下很容易把漿液注入時(shí)，可降低一級(jí)注漿壓力進(jìn)行注漿；當(dāng)注漿量逐漸減少時(shí)，再提高一級(jí)注漿壓力，如此反復(fù)升高注漿壓力，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿壓力值，即為分級(jí)分壓法，分級(jí)分壓法一般分2～3級(jí)注漿壓力進(jìn)行施工。

3.3.2 水灰比

水灰比0.6∶1為中等濃度漿液，其加固范圍為樁周邊的核心部分，起充填膠結(jié)固化作用，對(duì)松散地層還起壓實(shí)、擠密作用。水灰比0.4∶1為濃漿，滲透力趨弱，可注性變差，濃漿對(duì)已注漿體起脫水作用，施工中可根據(jù)設(shè)計(jì)需要添加減水劑、固化膨脹劑或早強(qiáng)劑。

漿液的水灰比主要根據(jù)土的粒徑大小、級(jí)配、充填物、飽和度、滲透性等確定，一般情況下使用順序是先稀后濃。對(duì)于飽合細(xì)粒土漿液水灰比宜采用0.5～0.7，對(duì)于非飽和細(xì)粒土漿液水灰比宜采用0.7～0.9，而對(duì)于松散碎石類土、砂類土宜采用0.5～0.6。施工中具體值應(yīng)參考現(xiàn)場(chǎng)試注漿試驗(yàn)采用。

3.3.3 注漿量

估算單樁注漿水泥量公式：Gc=ap*D+as*n*D式中樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ap=1.5～1.8,樁側(cè)注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)as=0.5～0.7(對(duì)于卵、礫石、中粗砂取高值)；n 為樁側(cè)注漿斷面數(shù)，D為樁徑(m)。獨(dú)立單樁和樁距大于6 D的疏樁，注漿量應(yīng)按上式估算量乘以1.2系數(shù)。施工中實(shí)際采用的注漿參數(shù)與地層的密實(shí)度、滲透性、飽水性及注漿預(yù)期達(dá)到的效果等密切相關(guān)，因此注漿參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試注漿試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合地層特點(diǎn)、地方施工經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行優(yōu)化并最終確定。

4 注漿施工技術(shù)要點(diǎn)探討

4.1 開塞

開塞是開始注漿前的準(zhǔn)備工作，宜在成樁2 d后，當(dāng)澆注混凝土的強(qiáng)度達(dá)到C10～C15時(shí)進(jìn)行。開塞宜使用少量清水，壓力可采用設(shè)計(jì)注漿壓力的一半，不宜過大，以免影響樁身混凝土強(qiáng)度。

4.2 注漿順序

對(duì)于飽和土中的復(fù)式注漿順序宜先樁側(cè)，后樁底，可更好地保證樁底的注漿量及注漿效果；對(duì)于非飽和土宜先樁底，后樁側(cè)，是在保證樁底注漿量的同時(shí)讓樁側(cè)盡可能的多注漿。多斷面樁側(cè)注漿宜先上后下，防止出現(xiàn)冒漿。樁側(cè)、樁底注漿的時(shí)間間隔不宜小于2 h；對(duì)于群樁注漿宜先外圍，后內(nèi)部，才能增強(qiáng)群樁的整體性；對(duì)于同一承臺(tái)樁，盡可能同時(shí)注漿。當(dāng)注漿總量已達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%，注漿壓力超過設(shè)計(jì)值時(shí)，可終止注漿。

4.3 注漿異常時(shí)采取的措施

注漿異常時(shí)可采取措施如下：①注漿壓力降低一級(jí)，減少漿液流量，降低漿液在裂隙中的流動(dòng)速度，使?jié){液盡快與土體作用沉積；②采用濃度更高的漿液；③可根據(jù)需要添加減水劑、早強(qiáng)劑等外加劑，減少漿液的凝結(jié)時(shí)間；④控制注漿節(jié)奏，采用間歇注漿，間歇時(shí)間宜為30～60 sim。若有地下水的流動(dòng)，宜反復(fù)間歇注漿。

5 工程實(shí)例分析

福州王莊擬建一幢45層，高140 m的住宅樓，設(shè)計(jì)要求樁徑1.00 m的沖鉆孔灌注樁單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)18 000 kN。根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地處代表性地層：0～10 m為淤泥，流塑；10～13 m為粉土，中密；13～15 m為中砂，中密；15～20 m為淤泥質(zhì)土，流塑；20～22 m為中砂，中密；22～25 m為粉質(zhì)黏土，可塑；25～27 m為淤泥質(zhì)土，軟塑；27～32 m為圓礫，中密-密實(shí)，大于2 mm顆粒占60%～70%，粉黏粒占5%～10%，其他為中粗砂粒，級(jí)配較好；32～42 m為卵石，密實(shí)，大于20 mm顆粒占65%～80%，粉黏粒含量小于5%，其它為中粗砂粒，級(jí)配不良；42～52 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，碎裂狀；52 m以下為中-微風(fēng)化花崗巖。根據(jù)場(chǎng)地附近的勘察資料，施工場(chǎng)地下部的圓礫、卵石層的滲透系數(shù)為50～60 m/d。

根據(jù)場(chǎng)地附近的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[7]，按1.00 m樁徑的沖鉆孔灌注樁進(jìn)行單樁承載力估算。若選擇卵石層作為樁端持力層，樁長35 m(樁端入層3 m)，估算的單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值為9 661.1 kN，約為設(shè)計(jì)極限值的53.6%，不符合設(shè)計(jì)要求。若選擇中-微風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，樁長53 m(樁端入層1 m)，估算的單樁承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值為24 019.1 kN(理論值，未考慮樁身混凝土強(qiáng)度)，符合設(shè)計(jì)要求，但施工難度較大，穿越厚約10 m密實(shí)卵石層，且工期較長，基礎(chǔ)造價(jià)較高。

按照經(jīng)驗(yàn)，后注漿對(duì)圓礫、卵石層增強(qiáng)效果明顯，根據(jù)前述灌注樁徑、樁長及參數(shù)估算，樁下部的圓礫及卵石層的側(cè)阻力值與端阻力值之和為5 467.4 kN，約占單根樁承載力值的56.6%，而樁中和上部地層以低-中側(cè)阻的淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、砂等為主，估算的總側(cè)阻力值為4 193.7 kN，約占單根樁估算承載力值的43.4%。按照規(guī)范[8]，樁中、上部地層(淤泥、粉質(zhì)黏土、粉土、砂等)后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)值較小，βsi=1.2～2.1；樁下部圓礫及卵石層的側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βsi=2.4～3.0，端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp=3.2～4.0，增強(qiáng)系數(shù)值較大。因此可以考慮僅對(duì)樁下部圓礫及卵石層進(jìn)行復(fù)式后注漿時(shí)單樁承載力能否滿足設(shè)計(jì)要求，β=(18 000～4 193.7)÷5 467.4=2.52。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)樁下部的圓礫及卵石層的側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)與端阻力增強(qiáng)系數(shù)均達(dá)2.52以上，或綜合增強(qiáng)系數(shù)(β)達(dá)2.52以上時(shí)，單樁承載力值將滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)理論估算，采用后注漿工藝可以解決單樁承載力不足問題，注漿目標(biāo)層選擇灌注樁下部的圓礫及卵石層，采用沖鉆孔灌注樁側(cè)、樁端復(fù)式注漿。

為了保證樁基的可靠性、安全性，以及工程的順利進(jìn)行，各方?jīng)Q定在場(chǎng)地內(nèi)選擇2個(gè)不同的位置各施工一根樁(試驗(yàn)1#樁和試驗(yàn)2#樁)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證后注漿的效果，確定后注漿增強(qiáng)系數(shù)值及注漿參數(shù)，為灌注樁后注漿的設(shè)計(jì)及施工提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。為了使?jié){液盡可能注入到圓礫及卵石層中，保證注漿效果，在樁端的卵石層中埋置2根注漿管，在樁側(cè)設(shè)置2根注漿管，其端部埋置于圓礫層底部(卵石層的頂部)，進(jìn)行試注漿，注漿情況(表1)。

表1 復(fù)式注漿施工記錄

為檢驗(yàn)注漿效果，注漿結(jié)束20 d后進(jìn)行單樁承載力靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)加荷方式為慢速維持荷載法，每級(jí)荷載增量均為2 000 kN，最大試驗(yàn)荷載要求加至20 000 kN，試驗(yàn)進(jìn)展順利，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，各試樁在最大荷載作用下樁頂累計(jì)沉降小于0.05D(mm)，各試樁均未達(dá)到極限承載狀態(tài)，后注漿試驗(yàn)樁單樁承載力試驗(yàn)結(jié)果(表2)。

表2 后注漿試驗(yàn)樁單樁承載力

根據(jù)單樁豎向抗壓靜荷載試驗(yàn)報(bào)告，在試驗(yàn)荷載作用下樁的總沉降量不大，Q-s曲線斜率未出現(xiàn)陡降，呈緩變形狀態(tài)，說明樁未達(dá)到極限承載狀態(tài)，且仍有加大承載的能力，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以確認(rèn)單樁極限承載力不小于20 000 kN。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算的側(cè)阻力值與端阻力值及靜荷載試驗(yàn)成果可近似計(jì)算后注漿綜合增強(qiáng)系數(shù)值如下。

β=(20 000～4 193.7)÷5 467.4=2.89>2.52(滿足設(shè)計(jì)要求)

根據(jù)試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果說明該場(chǎng)地在卵、礫石層中后注漿效果較好，可以達(dá)到預(yù)期的單樁承載力。目前該大樓已經(jīng)竣工驗(yàn)收，根據(jù)竣工驗(yàn)收?qǐng)?bào)告中的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，累計(jì)最大沉降量為16.43 mm，最小沉降量為12.35 mm，總沉降量及沉降差均較小，且已趨于穩(wěn)定，說明后注漿工藝在工程中取得較好的施工效果。

6 結(jié)語

沖鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)的應(yīng)用可使得灌注樁承載力得到提升，但在應(yīng)用過程中要根據(jù)后注漿增強(qiáng)效應(yīng)機(jī)理，結(jié)合不同土層的實(shí)際情況，確定具體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)注重灌注樁后注漿施工技術(shù)要領(lǐng)，才能有效解決承載力不足的問題，提高施工的經(jīng)濟(jì)效益。

選擇的場(chǎng)地試驗(yàn)終壓力并未達(dá)到樁的極限破壞狀態(tài)，樁仍有加大承載的能力。由于未考慮后注漿對(duì)圓礫上部地層的增強(qiáng)效應(yīng)，增強(qiáng)系數(shù)實(shí)際值應(yīng)略小于計(jì)算值。項(xiàng)目未進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，即沒有對(duì)未注漿的樁、僅樁側(cè)注漿的樁和僅樁底注漿的樁的單樁豎向抗壓靜荷載對(duì)比試驗(yàn)[9]，因此項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果還不能完全客觀反應(yīng)卵、礫石層注漿后的實(shí)際狀態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用中可提供借鑒和參考。

1 張忠苗.灌注樁后注漿技術(shù)及工程應(yīng)用.中國建筑工業(yè)出版社，2009，9.

2 JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范.

3 屈妍.后注漿鉆孔灌注樁的工程實(shí)例與探討.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，6(2).

4 劉金礪，祝經(jīng)成.泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)及其應(yīng)用.建筑科學(xué)，1996.

5 Q/JY14-1999 灌注樁后注漿技術(shù)技術(shù)規(guī)程.

6 JGJ79-2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范.

7 JGJ106-2014 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范.

8 DBJ13-07-2006 建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范.

9 高文生.后壓漿灌注樁單群樁承載性狀的研究.北京：中國建筑科學(xué)研究，1997.