建筑工程樁端旋噴擴(kuò)大截面法補(bǔ)強(qiáng)提高單樁承載力

瞿楊，王彥文，徐鋒，強(qiáng)洪慶

（1.江蘇建研建筑技術(shù)有限公司，江蘇 溧陽213300；2.中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京210000；3.溧陽市現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 溧陽213300；4.山東濟(jì)鐵設(shè)計(jì)咨詢有限公司，濟(jì)南250000）

1 既有建筑樁基承載力不足的原因分析

本場(chǎng)地工程地質(zhì)條件特點(diǎn)，（4-1）層以下土層均為Q3年代，工程地質(zhì)條件一般，（5-1）層以上部分土層受古河道影響，存在新近沉積Q4土層（淤泥質(zhì)土和粉土），該工程地下水變化大，工程地質(zhì)條件差，分布不穩(wěn)定。另外，由于在勘察、設(shè)計(jì)、施工過程中存在的數(shù)據(jù)誤差、評(píng)估缺陷與不當(dāng)措施，造成了一些項(xiàng)目的樁體承載力在檢測(cè)過程中不達(dá)標(biāo)。就本案例，淺部淤泥質(zhì)土和黏土并不是造成承載力不足的主要原因，反而在土體可塑—硬塑狀態(tài)下，由于沉樁過程中，樁體的晃動(dòng)會(huì)造成樁孔比樁體外徑稍大一些，這樣影響了側(cè)壁摩阻力的有效發(fā)揮，且土質(zhì)越硬，孔洞恢復(fù)的休止時(shí)間相對(duì)越長，這種現(xiàn)象越明顯。相反，淤泥質(zhì)土雖然側(cè)壁摩阻力相對(duì)低，但休止恢復(fù)相對(duì)快，反而能夠正常發(fā)揮摩阻力，試樁數(shù)值結(jié)果會(huì)得出相反主因，從而試樁結(jié)果反映了設(shè)計(jì)預(yù)制樁正常的承載力特性。

2 推薦優(yōu)選方案

采取措施提高原樁單樁承載力，是行業(yè)人員的共同意見。對(duì)于原樁承載力差異較大（不足超過15%～20%以上），單純后壓漿處理仍然不能達(dá)到承載力要求時(shí)，采用原樁端下面旋噴處理，旋噴形成樁端擴(kuò)大頭，直接處理至持力層，處理深度3m。樁端下旋噴采用三重管工藝，旋噴壓力不小于30MPa。旋噴效果要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，主要測(cè)量擴(kuò)大頭直徑。處理完成后15d 進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)處理效果，達(dá)到理想承載力要求。

3 工藝原理

三重管法注漿管為三重管，分別送水、氣和漿液3 種介質(zhì)。在以逸20MPa 的高壓水噴射流周圍，伴隨著一股約0.7MPa的圓筒狀氣流，同軸噴射沖切土體，使之形成較大的空隙，再由泥漿泵以2～5MPa 壓力從內(nèi)管輸送噴射出漿液填充，通過漿管及噴射的旋轉(zhuǎn)和提升運(yùn)動(dòng)，最后在土中凝固為直徑較大的圓柱狀固結(jié)體。

3.1 施工工藝參數(shù)

施工工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)參考表

旋噴樁施工前進(jìn)行試樁，根據(jù)實(shí)際情況以確定預(yù)定的漿液配比、噴射壓力、噴漿量等技術(shù)參數(shù)。試樁數(shù)量不少于3 根[1]，具體位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與監(jiān)理一同確定。

漿量計(jì)算：以單位時(shí)間噴射的漿量及噴射持續(xù)時(shí)間，計(jì)算出漿量，計(jì)算公式為：

式中，Q為漿量，m3；H為噴射長度，m；q為單位時(shí)間噴漿量，m3/min；茁為損失系數(shù)，通常0.1耀0.2；v為提升速度，m/min。

根據(jù)試樁參數(shù)計(jì)算所需的噴漿量，以確定水泥使用數(shù)量。

3.2 施工工法

樁端旋噴擴(kuò)大截面提高單樁承載力。通過原樁孔內(nèi)鉆孔，深入樁端以下逸2m，然后旋噴擴(kuò)大樁端，形成樁端擴(kuò)大頭，從而提高單樁承載力。

后壓漿提高單樁承載力。為了有效發(fā)揮硬土層的側(cè)壁摩阻力，采取樁端后壓漿技術(shù)，提高樁端與側(cè)壁摩阻力的有效發(fā)揮。旋噴擴(kuò)大頭處理后埋設(shè)注漿管后后壓漿。

3.3 計(jì)算書

層黏土為預(yù)制空心方樁持力層，勘察報(bào)告表明，該土層孔隙比e=0.65～0.75，塑性指數(shù)Ip=16.2～16.8，液性指數(shù)Il=0.06～0.15，雙橋靜力觸探端阻力qc=3.75MPa，預(yù)制樁的樁側(cè)壁摩阻力qsik=92kPa，樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=5500kPa，鉆孔樁的樁側(cè)壁摩阻力qsik=90kPa，樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=1400kPa。（5-3）層粉質(zhì)黏土預(yù)制樁的樁側(cè)壁摩阻力qsik=72kPa，以J5 勘探點(diǎn)計(jì)算。

3.4 后臺(tái)準(zhǔn)備

后臺(tái)拌漿系統(tǒng)主要包括散裝水泥罐、漿液攪拌桶、漿液儲(chǔ)藏桶、高壓注漿泵、空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)組等，占地長度約12.0～15.0m，寬度約4.0m。

1）水泥罐容量50t，每個(gè)后臺(tái)設(shè)置1 個(gè)水泥罐，單機(jī)每天水泥用量40～50t，早晚運(yùn)送1 次水泥。

2）采用1 臺(tái)超高壓注漿泵，注漿管有效長度約150m，對(duì)于長距離，可以采用注漿接力方式。移動(dòng)一次高壓注漿泵，水泥罐位置盡量不動(dòng)。采用低壓泵倒運(yùn)水泥漿液。

3）采用螺旋管輸送水泥至攪拌桶，攪拌桶水泥漿液自流至儲(chǔ)灰桶內(nèi)，用注漿泵泵至攪拌頭。

4）后臺(tái)需要搭設(shè)防曬防雨、防塵棚。

5）水泥罐車充水泥時(shí)，應(yīng)將通氣管深入到攪拌桶中，防止水泥塵外泄，污染環(huán)境。

3.5 旋噴施工

旋噴樁機(jī)下墊鋼枕木，保證設(shè)備底盤水平，機(jī)架垂直；樁位對(duì)中誤差小于5cm，導(dǎo)向機(jī)架垂直度小于1%；帶水旋噴成孔，成孔鉆進(jìn)速度1.2～1.5m/min；旋噴樁進(jìn)途中遇到硬層或障礙物，則增加附加壓力并慢速慢進(jìn)；特殊情況下另行處理；進(jìn)入設(shè)計(jì)深度時(shí)原地旋噴15s，開始噴漿和噴氣；嚴(yán)格控制漿液配比：水灰比W/C=1.0，漿液比重1.25，以C=100kg 水泥為基準(zhǔn)，需要水W=100kg，漿液量V100=160L；根據(jù)攪拌桶容積確定每次攪拌以300kg 水泥為基準(zhǔn)，漿液量V300=480L；旋噴提升速度v=15cm/min，旋轉(zhuǎn)速度10r/min，噴漿速度45kg 水泥/min，折合漿液量23L/min，選擇BW50 型注漿泵（額定注漿量50L/min）合理；噴漿應(yīng)均勻、穩(wěn)壓；每排橫隔樁3 根，間距2.8m。每完成一排則移動(dòng)一次，然后將鉆機(jī)移位。

4 后壓漿標(biāo)準(zhǔn)工藝

4.1 工程調(diào)查

工程調(diào)查解決3 個(gè)問題：（1）地層是否據(jù)有可注性；（2）地層注漿時(shí)，需要何種漿液材料，采用多大壓力，注多少漿液，一般通過試注來確定；（3）預(yù)計(jì)注漿后的強(qiáng)度增加效果。

工程調(diào)查的主要內(nèi)容：（1）注漿區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及漿液可能流失的通道和空穴；（2）地質(zhì)分層及需要注漿處理地層的土質(zhì)或巖性特征；（3）調(diào)查需要處理地層的強(qiáng)度或滲透程度；（4）調(diào)查構(gòu)筑物的損害程度和注漿會(huì)對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響；（5）調(diào)查注漿過程中，廢漿排放對(duì)環(huán)境的影響、注漿后地下水位的變化對(duì)鄰近居民飲水及灌溉的影響。

4.2 注漿材料的性能和選擇

決定因素：（1）土質(zhì)條件；（2）環(huán)境條件；（3）注漿目的與預(yù)期效果。

理想的注漿材料要求：（1）漿液黏性低，流動(dòng)性與可注性好，容易滲透孔隙和粉細(xì)砂礫層；（2）漿液凝固時(shí)間能夠準(zhǔn)確控制；（3）漿液的穩(wěn)定好；（4）漿液無毒、無臭、不污染環(huán)境；（5）漿液對(duì)注漿設(shè)備、管路損傷小，并且容易清洗；（6）漿液固化時(shí)收縮小，并能牢固與巖土黏結(jié)；（7）漿液結(jié)石率高，易于形成結(jié)合體；（8）結(jié)合體耐態(tài)化性能好；（9）注漿材料的粒度較細(xì)，易于擴(kuò)散流動(dòng)；（10）漿液配置方便，操作容易掌握，原材料來源豐富，且價(jià)格便宜。

注漿漿液要求：通常樁底注漿采用水灰比0.4耀0.6 的純水泥漿，對(duì)滲透性好的地層可摻入膨脹劑或注水泥砂漿。

4.3 施工參數(shù)與施工設(shè)備

施工參數(shù)：（1）注漿量：（2）注入率：（3）注漿壓力：（4）注漿速度。注漿壓力是施工效果好壞的關(guān)鍵因素之一，注漿壓力的確定要考慮下列3 方面：（1）最終注漿壓力要小于樁上抬的摩阻力，即注漿時(shí)不能使樁向上嚴(yán)重位移；（2）最終注漿壓力要盡可能使樁端、樁身混凝土少破壞；（3）最終注漿壓力要使注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，形成擴(kuò)大頭，使樁端加固明顯。

施工設(shè)備包括：（1）注漿泵：電動(dòng)往復(fù)式泥漿泵，最大壓力達(dá)10MPa 以上，排漿量大（5m3/h 以上)；（2）拌漿裝置：（3）輸漿管。

4.4 后注漿工藝技術(shù)

4.4.1 注漿管設(shè)置與制作

注漿管設(shè)置與制作應(yīng)注意：（1）注漿管采用直徑為25～50mm 的鋼管；（2）用榔頭將鋼管底端砸成尖形開口；（3）距底端約30mm 鉆若干小孔，并在小孔放圖釘（單向閥作用），再用絕緣膠布加膠帶包裹；（4）鋼管可作為鋼筋籠的1 根主筋，用絲扣連接或者外加短套管電焊。

4.4.2 樁端后注漿工藝技術(shù)

樁開始注漿時(shí)間與壓水試驗(yàn)(開塞)應(yīng)注意：（1）注漿時(shí)間宜在混凝土初凝（7～15d）后進(jìn)行。過早，會(huì)破壞樁體本身；過晚，不容易打開注漿通道；（2）成樁后至灌漿前，應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，以疏通注漿通道，即進(jìn)行開塞，提高樁底可灌性；（3）壓水開塞一般用清水，按2～3 級(jí)壓力逐級(jí)進(jìn)行，壓水量一般控制在0.6m3，開塞壓力一般小于8MPa。

漿液濃度應(yīng)注意以下幾方面：（1）稀漿（水灰比逸0.8），滲透力強(qiáng)，便于加固預(yù)定范圍周邊地帶；（2）中等濃度漿液（水灰比0.5～0.8），加固預(yù)定范圍的核心部分，起充填、壓實(shí)、擠密作用；（3）濃漿（水灰比0.3～0.5），對(duì)已注漿體起脫水作用，最后注入濃漿可摻加減水劑（木鈣）、固化膨脹劑（UEA）和早強(qiáng)劑（石膏）；（4）一般是先稀后濃，即水灰比從0.6 開始，漸變?yōu)?.4。

注漿量控制應(yīng)考慮：（1）注漿量是主控因素；（2）應(yīng)由樁端、樁側(cè)土層類別、滲透性能、樁徑、樁長、承載力增幅要求、沉渣量、施工工藝等因素控制；（3）一般砂礫石層注漿水泥量經(jīng)驗(yàn)參數(shù)表。

注漿壓力控制從以下幾方面進(jìn)行：（1）將水泥漿通過高壓泵（要求最大壓力達(dá)10MPa 以上）壓入地下被注土層中；（2）初注壓力較小，漿液由稀到稠；（3）關(guān)注注漿壓力、注漿量和注漿皮管變化，并控制注漿節(jié)奏；（4）用百分表監(jiān)測(cè)樁的上抬量；（5）容許注漿壓力與地層密度、滲透性、初始應(yīng)力、鉆孔深度和位置；（6）土層滲透性好，注漿壓力較低，一般在4MPa 以下；（7）土層滲透性差，注漿壓力較高，可達(dá)4～10MPa 注漿節(jié)奏與終止條件。

注漿時(shí)應(yīng)注意：（1）為使有限漿液盡可能充填并滯留在樁底有效空間范圍內(nèi)，應(yīng)實(shí)行間歇；（2）間歇時(shí)間長短可依據(jù)壓水試驗(yàn)確定；（3）短樁，樁底注漿會(huì)出現(xiàn)上冒，應(yīng)在冒漿后停止幾個(gè)小時(shí)，待樁周漿液；（4）單管注漿量全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求可以終止注漿；（5）第1 根管未達(dá)到注漿量設(shè)計(jì)要求，第2 根達(dá)到也可終止注漿；（6）2 根均未達(dá)到，但注漿壓力達(dá)10MPa，且穩(wěn)定5min 以上，可以終止；（7）樁體發(fā)生上抬，終止注漿。

4.4.3 注漿效果檢測(cè)

注漿效果檢測(cè)應(yīng)注意：（1）由于樁端后注漿屬于地下隱蔽工程，對(duì)其進(jìn)行完整的注漿效果檢測(cè)難度較大；（2）除了在注漿過程中嚴(yán)格遵守注漿規(guī)程外，對(duì)其注漿效果檢測(cè)一般是對(duì)注漿樁抽樣進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，并與未注漿樁進(jìn)行對(duì)比；（3）對(duì)深度不大的樁，也可以采取鉆芯取樣的方法。

5 旋噴擴(kuò)大頭+后注漿

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》后壓漿灌注樁理念，預(yù)制樁側(cè)壁相當(dāng)于干作業(yè)樁，樁側(cè)增強(qiáng)段長度6.0m，黏性土側(cè)壁增強(qiáng)系數(shù)茁si=1.4～1.8，擴(kuò)大頭樁端相當(dāng)于是鉆孔樁底，增強(qiáng)系數(shù)茁p=2.0～2.5，按照地質(zhì)報(bào)告的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算：

原樁樁端以上6.0m 范圍內(nèi)的側(cè)壁極限摩阻力為：

原樁樁端極限端阻力為：

處理后樁端以上6.0m 范圍內(nèi)的側(cè)壁極限摩阻力為：

處理后樁端極限端阻力為：

處理前6.0m 范圍內(nèi)的側(cè)壁極限摩阻力與極限端阻力=2250kN；

處理后6.0m 范圍內(nèi)的側(cè)壁極限摩阻力與極限端阻力=3463kN；

處理后極限承載力提高幅度=3463-2250=1213kN。

6 結(jié)語

本次施工采用了樁端旋噴擴(kuò)大截面法以提高單樁的承載力來完成對(duì)基礎(chǔ)的補(bǔ)強(qiáng)并以此來滿足對(duì)建筑物所需要的地基承載力，從而避免了基礎(chǔ)承載力不夠而進(jìn)行返工所造成的一系列損失以及工期延誤和建筑不安全所帶來的不良社會(huì)影響及不必要的損失，從而對(duì)施工方進(jìn)一步幫助其完善施工并節(jié)約施工工期帶來了巨大的影響，因而幫助其取得了良好的社會(huì)效益。