樁端后壓漿在渦河大橋樁基中的試驗研究

徐炬平， 田雪飛， 閆景俠， 盧海筠， 儲誠富， 趙佳佳， 董滿生

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.亳州市公路管理局，安徽 亳州 236800）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，路橋等交通基礎(chǔ)設(shè)施的投入不斷增大，大量的跨河、跨海大橋不斷涌現(xiàn)，而在橋梁樁基施工中，作為改善橋梁樁基技術(shù)工藝的后壓漿技術(shù)的應(yīng)用前景也越來越廣闊。樁底壓漿施工工藝可以加固樁底沉渣，通過置換、劈裂、滲透、膠結(jié)作用形成結(jié)合體，大幅度提高樁的承載力，同時由于樁底壓漿會沿樁側(cè)泥皮返漿至10m左右高度，改善下部樁側(cè)土質(zhì)，能在一定程度上提高樁側(cè)摩阻力［1］。我國應(yīng)用后壓漿技術(shù)最早在20世紀70年代。1987年沈保漢和曾鳴研制開發(fā)了帶活動鋼板的預(yù)留注漿空腔方式的樁端壓力注漿裝置，結(jié)合樁端壓力注漿樁的基本原理，分析了樁端壓力注漿效果，提出了樁端壓力注漿效果的評價標準［1］。1992年，張忠苗等研制出軟土地基長樁單管管端打孔注漿技術(shù)，并用分層位移迭代法對不同樁基持力層注漿前后的Q－s曲線進行了理論分析，發(fā)現(xiàn)持力層從黏土—粉砂—礫石層，顆粒越粗，樁底后注漿的效果越好［2］。文獻［3］對黃土地區(qū)運用壓密灌漿技術(shù)提高挖孔灌注樁承載力進行了研究，對樁底灌漿挖孔灌注樁的承載特性進行了分析，為該地區(qū)灌漿試驗積累了經(jīng)驗。對于鉆孔灌注樁后壓漿在高層建筑基礎(chǔ)中的應(yīng)用情況，文獻［4］分析了影響承載力的因素以及提高承載力的機理，提出其設(shè)計計算原則。文獻［5－6］采用三維非線性有限元方法對長125m、直徑2.5m的樁進行了數(shù)值實驗，結(jié)果表明，樁端擴大頭直徑和樁長能明顯影響樁端極限承載力。文獻［7］就首都機場改建項目橋梁工程中的鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)的施工工藝及施工中的常見問題進行研究和探討，進一步明確了后壓漿技術(shù)的施工工藝及工藝參數(shù)的確定方法。隨著后壓漿技術(shù)在我國得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，理論研究也日益深入［8－10］。但在后壓漿具體施工中往往會出現(xiàn)很多未考慮到的現(xiàn)場因素，例如環(huán)境影響、現(xiàn)場施工操作、壓漿材料配比、機械設(shè)備及壓漿工藝等，使得具體施工受阻，導(dǎo)致壓漿效果受到影響。

在皖北地區(qū)，地貌屬于河流沖積地貌單元，表層廣泛分布著黃河近代沖（淤）積粉質(zhì)土及粉細砂，硬質(zhì)巖層埋藏深，在到達硬質(zhì)巖持力層之前，樁要穿過很厚的粉質(zhì)黏土層、粉土層及細砂層。在這種土層中成樁，即使在確保泥漿相對密度較大的情況下，樁身質(zhì)量也難以保證，且成樁后樁側(cè)泥皮過厚，大大消弱了鉆孔灌注樁承載力。本文依托亳州渦河大橋新建項目工程，研究了粉質(zhì)黏土地質(zhì)灌注樁后壓漿施工工藝與關(guān)鍵質(zhì)量控制要素，采用荷載箱法測試樁基的極限承載力，并采用理論方法進行計算，與實驗結(jié)果進行對比分析。

1 亳州渦河大橋樁端后壓漿實驗

1.1 壓漿管路的設(shè)置

根據(jù)設(shè)計要求，本工程采用4根聲測管（φ50mm）組成2個回路進行樁底壓漿施工，為了提高壓漿產(chǎn)生的效果，將每個回路在樁底部分加工成“U”型。但為了保護樁底部分的壓漿管路，同時又不降低壓漿效果，將“U”型回路中樁底部分水平方向的管路由圓弧形變成直線形，具體設(shè)計如圖1所示。

圖1 樁端壓漿管布置圖

注漿孔在“U”型管的水平管路上距兩端各10cm處設(shè)置1個φ6mm的注漿孔，中間位置設(shè)置1個φ6mm注漿孔，孔口朝樁底；在孔中釘1枚圖釘，再套上厚1.5mm、長10cm的橡膠管，外纏4層黏膠帶，防止泥漿侵入。

1.2 傳感器布設(shè)

本次壓漿選擇7＃墩的7－4＃樁及7－5＃樁進行試驗，原樁對比試驗選擇7－7＃樁。為了測定樁側(cè)土的摩阻力與樁端土阻力及檢驗樁端壓漿后效果，每根樁布置8個監(jiān)測斷面，監(jiān)測點位置的選擇遵循對稱原則，沿樁身按土層界面布置鋼筋計和應(yīng)變計，每個截面上鋼筋計布置的標高，如圖2a所示，每個截面分別對稱布置3套鋼筋計，具體位置如圖2b所示。

圖2 主筋傳感器布設(shè)圖

1.3 壓漿前的施工準備

1.3.1 安設(shè)壓漿設(shè)備

壓漿設(shè)備（每班組）：注漿泵采用3SNS型往復(fù)式三柱塞泵，漿液攪拌機，貯漿桶，壓漿12MPa壓力表，球閥，溢流閥，16目紗網(wǎng)，漿液測試儀器。

1.3.2 水泥漿液的配合比設(shè)計及漿液制備

根據(jù)樁底壓漿的技術(shù)要求進行水泥漿液的配合比設(shè)計，正式壓漿前以試驗室的配合比作為指導(dǎo)，在現(xiàn)場進行配合比的驗證試驗，根據(jù)實測的技術(shù)指標進行配合比調(diào)整。

1.4 壓漿施工

由于皖北地區(qū)地表粉質(zhì)黏土較厚，有些地方甚至達到100m以上，設(shè)計橋梁樁基難以穿透粉質(zhì)黏土底層。如果采用一次壓漿，漿液將會無止境向周圍土體擴散，漿液不會沿樁周向上返，改善樁基效果并不十分理想。故實驗中采用3次循環(huán)壓漿方法壓漿，第1次循環(huán)壓漿初步封堵樁周土層孔隙，等混凝土終凝后（6h）再進行第2次循環(huán)壓漿，進一步封堵土層中的孔隙，第2次壓漿水泥漿終凝后進行第3次循環(huán)壓漿，其目的是向外圍孔隙已經(jīng)封閉的土層中繼續(xù)壓漿，向下擴散受阻而使?jié){液沿樁周向上走，并達到一定高度，以提高樁側(cè)摩擦系數(shù)。具體壓漿施工過程如下。

（1）開塞。采用20MPa以上的高壓清水對壓漿管進行開塞，現(xiàn)場開塞如圖3所示。開塞工作的目的是使壓漿管路暢通，開啟壓漿孔，劈裂樁底混凝土，為壓漿工作提供前提條件。開塞工作是樁底壓漿成敗的關(guān)鍵，采用逐步升壓法，當(dāng)壓力驟降，流量突增時，表明通道已經(jīng)開通，立即停機，防止大量水涌入地下。

（2）3次循環(huán)壓漿。當(dāng)混凝土強度達到設(shè)計強度（30MPa）并進行超聲波無損檢測后便可進行循環(huán)壓漿。前2次循環(huán)壓漿以壓漿量控制，每個回路的壓漿量為600L，2個回路共1200L。前2次循環(huán)壓漿的目的是封堵土層中的孔隙。第3次循環(huán)壓漿采用注漿量和注漿壓力2項指標雙控，以注漿量為主，當(dāng)注漿量達到設(shè)計值后，可停止壓漿。每次注漿時間間隔6h，水泥混凝土終凝。當(dāng)壓漿量達到設(shè)計值80%以上，且壓力達到4.0MPa以上，亦可停止注漿。第3次循環(huán)壓漿的目的是向外圍孔隙已經(jīng)封閉的土層中繼續(xù)壓漿，同時使?jié){液沿樁周向上走，并達到一定高度。

（3）管路內(nèi)注漿封孔。當(dāng)?shù)?次循環(huán)壓漿的注漿量和注漿壓力同時達到設(shè)計要求，并經(jīng)監(jiān)理工程師確認后，對壓漿管進行壓漿封孔。

圖3 壓漿管路開塞現(xiàn)場

2 試驗過程中的技術(shù)措施

樁基后壓漿試驗影響因素眾多，漿液在土中擴散非常復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場試驗總結(jié)樁端后壓漿質(zhì)量控制關(guān)鍵要點，具體如下：

（1）壓漿管埋設(shè)。壓漿管應(yīng)埋設(shè)于鋼筋籠下15～30cm，保證注漿孔位于樁底沉渣內(nèi)。

（2）鋼筋計導(dǎo)線長度。鋼筋計導(dǎo)線長度應(yīng)比實際情況長4～5m，以便導(dǎo)線能夠?qū)С鰳额^方便后續(xù)長期監(jiān)測。

（3）鋼筋計導(dǎo)線繞法。下鋼筋籠時，鋼筋計導(dǎo)線應(yīng)從鋼筋籠內(nèi)側(cè)順主筋繞，保證導(dǎo)線不會因鋼筋籠與孔壁摩擦使得導(dǎo)線斷裂。

（4）壓漿漿液水灰比。漿液的水灰比取0.5～0.6，漿液太稠不易壓漿，可能導(dǎo)致聲測管堵塞，漿液太稀壓漿效果不明顯。

（5）鋼筋計導(dǎo)線保護。為防止鋼筋計導(dǎo)線在破樁頭時因挖機、焊接等操作原因斷裂，應(yīng)對其上端2m左右導(dǎo)線用PVC管進行保護。

（6）防聲測管堵塞。試驗樁混凝土灌注后應(yīng)及時向聲測管中通水，防止因聲測管破裂導(dǎo)致水泥漿進入聲測管中凝結(jié)，從而使得聲測管堵塞。

（7）壓漿管道接縫連接。壓漿管上部安裝三相閥門，保證壓漿機壓漿管道與壓漿管接頭無縫連接。

（8）后注漿現(xiàn)場試驗中，壓漿管路和鋼筋籠一起同時預(yù)制，每節(jié)之間采用承插式接頭，注漿工作在混凝土強度達到設(shè)計強度（30MPa）、樁的聲測工作結(jié)束后進行，單樁壓漿量4.5t。每管3次循環(huán)壓漿完畢后，閥門封閉不小于40min，再卸閥門。

3 渦河大橋后壓漿樁基荷載實驗

樁基極限承載力載荷試驗采用自平衡載荷箱靜載實驗法，由油壓千斤頂分級施加荷載，每級荷載下的樁頂沉降由對稱布置在樁頂?shù)?個位移計測定。

荷載箱法向預(yù)埋在樁底或樁身的荷載箱的內(nèi)腔千斤頂施加壓力，通過在地面測試和分析載荷箱上下承壓板的位移－壓力曲線，給出樁端阻力、樁側(cè)阻力及單樁的極限承載力等參數(shù)，試驗荷載箱安裝如圖4所示。

圖4 荷載箱安裝情形

根據(jù)現(xiàn)場載荷箱實驗數(shù)據(jù)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換方法，得出未壓漿樁擬合單樁極限承載力值為14811kN，后壓漿樁擬合單樁極限承載力值為20993kN。通過對比未壓漿樁和樁端壓漿樁實驗數(shù)據(jù)可得，渦河大橋采用后壓漿技術(shù)使該橋樁基礎(chǔ)承載力提高了41.7%。

基于千斤頂載荷實驗，通過載荷箱加載值和樁身應(yīng)變計的換算，可以得出不同載荷下的沉降擬合曲線如圖5所示。

由圖5可看出，荷載9000kN時未壓漿樁樁頂位移為－10.41mm，載荷箱向下位移為15.13mm，載荷箱向上位移為1.28mm；壓漿樁樁頂沉降5.89mm，載荷箱向下位移為12.21mm，載荷箱向上位移為1.17mm，可見后壓漿較大程度上提高了樁基的抗變形能力。

根據(jù)文獻［11］規(guī)定，后注漿灌注樁的單樁極限承載力應(yīng)通過靜載荷試驗確定。上述實驗符合規(guī)范后注漿技術(shù)實施規(guī)定的條件，則其后注漿單樁極限承載力標準值的計算公式［11］為：

其中，Qsk為后注漿非豎向增強段的總極限側(cè)阻力標準值；Qgsk為后注漿豎向增強段的總極限側(cè)阻力標準值；Qgpk為后注漿總極限端阻力標準值；u為樁身周長；lj為后注漿非豎向增強段第j層土厚度；lgi為后注漿豎向增強段內(nèi)第i層土厚度；qsik、qsjk、qpk分別為后注漿豎向增強段第i土層初始極限側(cè)阻力標準值、非豎向增強段第j土層初始極限側(cè)阻力標準值、初始極限端阻力標準值；βsi、βp分別為后注漿側(cè)阻力、端阻力增強系數(shù)；Ap為樁橫截面面積。

圖5 樁頂荷載沉降擬合曲線

渦河大橋7＃后壓漿灌注樁各層土理論計算值見表1所列。

表1 渦河大橋7＃后壓漿灌注樁各層土理論計算值

根據(jù)表1數(shù)據(jù)及（1）式進行計算，注漿后試樁單樁極限側(cè)阻力值為14435kN，注漿后試樁單樁極限端阻力值為4158kN，由此可得注漿后單樁豎向抗壓極限承載力為18593kN，為實驗值的88.6%，因此，具體設(shè)計時可采用式（1）計算皖北地質(zhì)情況的樁端后壓漿灌注樁極限承載力。實驗值的88.6%，具體設(shè)計時可采用（1）式計算皖北地質(zhì)情況的樁端后壓漿灌注樁極限承載力。

以直徑為φ1500mm和φ1800mm的鉆孔灌注樁為例，長度均為50m，樁身混凝土強度為C30。就渦河大橋地質(zhì)情況，φ1500mm后壓漿樁的極限承載力23500kN與φ1800mm的不壓漿樁的極限承載力23000kN相當(dāng)，則可以用φ1500mm后壓漿樁代替φ1800mm的不壓漿樁，其節(jié)約工程造價、縮短工期是顯而易見的。

4 結(jié)束語

本文基于亳州渦河大橋樁基工程開展灌注樁后壓漿技術(shù)在皖北地區(qū)的應(yīng)用研究，采用荷載實驗和理論方法研究后壓漿樁基極限承載力，理論計算結(jié)果具有實際應(yīng)用價值。研究結(jié)果表明，粉質(zhì)黏土地質(zhì)為主的皖北地區(qū)后壓漿灌注樁單樁極限承載力提高了41.7%，因此，在相同承載力的情況下，后壓漿灌注樁可以在設(shè)計上縮短樁長，減少工作量，節(jié)約成本，降低工程造價，具有重要的經(jīng)濟技術(shù)價值，該項技術(shù)推廣前景良好。本文總結(jié)了現(xiàn)場樁基試驗的經(jīng)驗，給出了灌注樁后壓漿質(zhì)量控制要點，可供后壓漿應(yīng)用于皖北地區(qū)橋梁基礎(chǔ)施工參考。

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