帕德瑪大橋引橋粉細(xì)砂地層鉆孔樁化學(xué)漿護(hù)壁成孔及樁端樁側(cè)壓漿技術(shù)

潘軍

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430050； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康及安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

1 前言

孟加拉國(guó)帕德瑪大橋位于首都達(dá)卡偏西南約40 km處，橫跨帕德瑪河(恒河)，距印度洋入?？谥本€距離約150 km，是連接Mawa與Janjira的主要交通要道。大橋Mawa側(cè)引橋基礎(chǔ)為φ1.2 m，長(zhǎng)51～84 m的鉆孔樁，樁頂標(biāo)高為：-0.1～+4.85 m，樁底標(biāo)高為-51.0～-84.0 m。單樁最大最不利荷載組合約19 MN。橋址區(qū)域是典型的粉細(xì)砂地質(zhì)(地質(zhì)勘探顯示樁周極限摩阻力為31～65 kPa不等)，且在-27 m以上的區(qū)域存在地震液化帶。這種地質(zhì)條件下，如果采用傳統(tǒng)的膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁成孔工藝進(jìn)行鉆孔樁施工，會(huì)因樁周存在泥皮、樁周地層受泥漿浸泡軟化、樁底沉渣難以清除、以及樁底土層和樁周土層在樁基施工過(guò)程中的應(yīng)力釋放等原因，導(dǎo)致樁端阻力和樁側(cè)摩阻力偏低，出現(xiàn)鉆孔樁承載力無(wú)法充分發(fā)揮，難以滿足設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題。

為解決帕德瑪大橋Mawa側(cè)引橋22個(gè)墩位的96根鉆孔樁在不改變樁徑的前提下，提高樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，減少樁基沉降問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究并通過(guò)荷載試樁驗(yàn)證，施工中采用化學(xué)漿護(hù)壁成孔、成樁后樁底壓漿和樁側(cè)壓漿的技術(shù)。

2 施工技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

(1) 化學(xué)漿護(hù)壁成孔技術(shù)

將高分子量化學(xué)聚合物、水和外加劑按照一定比例配制成較為黏稠的化學(xué)漿液，在鉆孔樁施工時(shí)注入孔內(nèi)，依靠化學(xué)漿液極長(zhǎng)的分子鏈產(chǎn)生的吸附作用和橋接作用穩(wěn)定和保護(hù)孔壁，防止孔壁坍塌。因化學(xué)漿不會(huì)黏附在孔壁上形成泥皮，可使樁身混凝土與孔壁很好地結(jié)合，達(dá)到提高樁側(cè)摩阻力的目的。

(2) 樁底和樁側(cè)壓漿技術(shù)

安裝鋼筋籠時(shí)，在樁底和樁側(cè)分別預(yù)置壓漿管路和壓漿裝置。待樁身混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度之后，利用高壓注漿機(jī)注入以水泥為主的漿液。注入的漿液對(duì)樁端和樁周土體起到填充、滲透、壓密及固結(jié)等作用，改變樁端和樁周土體的力學(xué)性能及樁土間邊界條件，消除傳統(tǒng)膨潤(rùn)土泥漿成孔工藝所固有的缺陷，達(dá)到提高鉆孔樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力、減少沉降量的目的。

2.2 化學(xué)漿護(hù)壁成孔技術(shù)

2.2.1 化學(xué)漿液的配合比和性能指標(biāo)

化學(xué)漿液的配合比和性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1、2。

表1 化學(xué)漿液的配合比

表2 化學(xué)漿液的性能指標(biāo)

2.2.2 化學(xué)漿液的拌制

化學(xué)漿液拌制方法為：自拌式漿液攪拌機(jī)內(nèi)加入8 m3水，啟動(dòng)攪拌裝置，加入8 kg純堿，然后緩慢加入12 kg化學(xué)漿液增強(qiáng)劑，攪拌15～20 min后，再緩慢加入12 kg的化學(xué)聚合物，攪拌15～20 min，使其充分水化分散。

拌制好的化學(xué)漿液在樁基開(kāi)鉆時(shí)，緩慢注入孔內(nèi)。

2.2.3 鉆孔過(guò)程中化學(xué)漿液指標(biāo)的控制

在鉆進(jìn)過(guò)程中每隔1～2 h檢測(cè)一次化學(xué)漿液的性能指標(biāo)，若檢測(cè)結(jié)果不滿足表2要求，則向孔內(nèi)注入新鮮化學(xué)漿液或者向儲(chǔ)漿池內(nèi)添加適當(dāng)化學(xué)聚合物粉末，調(diào)整漿液的各項(xiàng)性能參數(shù)，使之滿足表2中的性能指標(biāo)要求，確?？妆诎踩?。

2.2.4 化學(xué)漿液的凈化

由于化學(xué)漿液中聚合物具有將漿液中懸浮的泥砂迅速凝聚成較大團(tuán)塊后沉淀的能力，因而，鉆孔過(guò)程中化學(xué)漿液的凈化采用自身凈化方法，具體為：將從孔內(nèi)循環(huán)出來(lái)的攜帶泥砂的化學(xué)漿液排入沉淀池和二級(jí)沉淀池中，依靠其泥砂凝聚成團(tuán)塊后自行沉淀的性能，達(dá)到化學(xué)漿液凈化的目的?；瘜W(xué)漿液凈化系統(tǒng)包括儲(chǔ)漿池、沉淀池、二級(jí)沉淀池、沉淀池與護(hù)筒之間的連通槽等。

2.3 樁底壓漿技術(shù)

鋼筋籠安裝時(shí)，在樁內(nèi)預(yù)置“U”形壓漿管，壓漿管底部設(shè)注漿孔。待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度之后，通過(guò)壓漿管，分3階段對(duì)樁端進(jìn)行壓力注漿。

2.3.1 壓漿管布置

樁底“U”形壓漿管為內(nèi)徑25 mm、壁厚3 mm的無(wú)縫鋼管。每個(gè)φ1.2 m的樁基中布置兩組“U”形回路(1#回路和2#回路)，每組“U”形回路底部設(shè)3個(gè)朝下的φ8 mm的注漿孔。為防止注漿孔在灌注樁身混凝土?xí)r被堵塞，壓漿管安裝前，將注漿孔臨時(shí)密封起來(lái)，密封方法為：用橡膠軟管包裹注漿孔，然后用細(xì)鐵絲綁牢兩端，最后用透明膠帶纏繞。樁底壓漿管布置見(jiàn)圖1，注漿孔臨時(shí)密封圖見(jiàn)圖2。

2.3.2 壓漿設(shè)備

壓漿機(jī)性能要求為：排漿量小，壓力高且穩(wěn)定。帕德瑪橋采用的是美國(guó)產(chǎn)壓漿機(jī)(注漿流量控制為0～80 L/min,最大壓力為12 MPa)。

圖1 樁底壓漿管布置(單位：mm)

圖2 注漿孔臨時(shí)密封圖(單位：mm)

2.3.3 水泥漿液的配合比

壓漿液的性能直接影響注漿的質(zhì)量。壓漿液由水、普通硅酸鹽水泥、膨潤(rùn)土、附加劑組成，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終采用的配合比見(jiàn)表3。

表3 水泥漿液配合比

水泥漿拌制完成后應(yīng)立即測(cè)試初始溫度，水泥漿初始溫度不能超過(guò)32 ℃。

2.3.4 注漿孔的初裂和劈裂

為確保樁底壓漿管路的暢通，在第1車混凝土初凝且強(qiáng)度達(dá)到3 MPa前，對(duì)注漿孔進(jìn)行初裂，以便沖開(kāi)注漿孔的臨時(shí)密封及包裹在注漿孔周圍的混凝土覆蓋層。具體方法為：將壓漿機(jī)的出漿口連接到某組“U”形壓漿管，并在“U”形管的另一端(出口端)安裝球閥，然后打開(kāi)球閥開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)壓漿機(jī)向該組壓漿管內(nèi)注水，將壓漿管內(nèi)的銹粉和灰塵排出，待出水水質(zhì)變清后，關(guān)閉出水口球閥開(kāi)關(guān)，壓漿機(jī)繼續(xù)向壓漿管內(nèi)注水，當(dāng)壓力表讀數(shù)上升到一定峰值后，表針?biāo)查g向下回落，說(shuō)明此時(shí)底部注漿孔已經(jīng)裂開(kāi)，此時(shí)最大的表針讀數(shù)即為初裂壓力值。

為防止已經(jīng)劈裂成功的注漿孔被重新堵塞，需在初裂后4～6 h內(nèi)，對(duì)注漿孔按初裂方法進(jìn)行第2次劈裂。另外，在每階段樁底壓漿結(jié)束后，均需對(duì)注漿孔再進(jìn)行3次劈裂，以確保下階段壓漿的順利進(jìn)行。

2.3.5 第1階段樁底壓漿

在樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到20 MPa，溫度穩(wěn)定并低于32 ℃后，即可進(jìn)行第1階段樁底壓漿。壓漿分兩步進(jìn)行：第1步進(jìn)行單回路壓漿，第2步進(jìn)行1#、2#回路聯(lián)合壓漿。第1階段各步壓漿參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 第1階段樁底壓漿參數(shù)

(1) 單回路壓漿：當(dāng)實(shí)際壓漿量達(dá)到145 L或?qū)嶋H壓力達(dá)3 MPa時(shí)，終止單回路壓漿。

若單回路壓漿期間單回路注入的漿液量少于設(shè)計(jì)壓漿量145 L，則在1#和2#回路聯(lián)合壓漿期間，將單回路剩余的漿液補(bǔ)充注入樁端附近的地層中。

(2) 1#和2#回路聯(lián)合壓漿：若1#和2#回路聯(lián)合壓漿的實(shí)際壓漿量達(dá)到50 L且各單回路壓漿期間剩余的壓漿量全部壓完，或?qū)嶋H壓漿壓力達(dá)到3 MPa，則第1階段壓漿結(jié)束。

為了確保壓漿通道在第2階段壓漿前不被堵塞，當(dāng)?shù)?階段壓漿結(jié)束后，及時(shí)用清水對(duì)每個(gè)壓漿管路進(jìn)行清洗，并對(duì)注漿孔進(jìn)行劈裂，劈裂的時(shí)間點(diǎn)如下：① 所有的壓漿管路清洗完成后，立即用少量的水進(jìn)行第1次劈裂；② 第1盤水泥漿漿液試塊達(dá)到初凝條件后，立即進(jìn)行第2次劈裂；③ 第2次劈裂完成后8～10 h，選擇合適時(shí)間進(jìn)行第3次劈裂。

2.3.6 第2階段樁底壓漿

第2階段樁底壓漿應(yīng)在第1階段完成24 h后進(jìn)行，且第1階段水泥漿液試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa后方可進(jìn)行。第2階段樁底壓漿分兩步進(jìn)行，第1步進(jìn)行單回路壓漿，第2步進(jìn)行1#、2#回路聯(lián)合壓漿和持壓。第2階段各步壓漿參數(shù)見(jiàn)表5。

(1) 單回路壓漿

當(dāng)實(shí)際壓漿量達(dá)到100 L或?qū)嶋H壓力達(dá)到3～6 MPa時(shí)，終止單回路壓漿。

若單回路壓漿期間，單回路注入的漿液量少于設(shè)計(jì)壓漿量100 L，則在1#和2#回路聯(lián)合壓漿期間，將單回路剩余的漿液補(bǔ)充注入樁端附近的地層中。

表5 第2階段樁底壓漿參數(shù)表

(2) 1#和2#回路聯(lián)合壓漿和持壓

① 若1#和2#回路聯(lián)合壓漿的實(shí)際壓漿量未達(dá)到105 L，但實(shí)際壓漿壓力達(dá)到3～6 MPa，則進(jìn)行1#和2#回路聯(lián)合持壓，持壓2 h結(jié)束，至此第2階段樁底壓漿結(jié)束，封閉所有的樁底壓漿管路，無(wú)需再進(jìn)行第3階段樁底壓漿，樁底壓漿工作全部結(jié)束；② 若1#和2#回路聯(lián)合壓漿的實(shí)際壓漿量達(dá)到105 L，且各單回路壓漿期間剩余的壓漿量全部壓完，但實(shí)際壓漿壓力未達(dá)到3～6 MPa，則按照第1階段壓漿后的清洗、劈裂程序，對(duì)注漿孔進(jìn)行劈裂，然后進(jìn)行第3階段樁底壓漿。

2.3.7 第3階段樁底壓漿

第3階段樁底壓漿應(yīng)在第2階段樁底壓漿完成24 h后進(jìn)行，且第2階段壓漿的第1盤水泥漿液試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa后方可進(jìn)行。第3階段樁底壓漿分兩步進(jìn)行，第1步進(jìn)行單回路壓漿，第2步進(jìn)行1#和2#回路聯(lián)合壓漿和持壓。第3階段各步壓漿參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 第3階段樁底壓漿參數(shù)表

(1) 單回路壓漿

當(dāng)實(shí)際壓漿量達(dá)到100 L或?qū)嶋H壓力達(dá)到3～6 MPa時(shí)，終止單回路壓漿。

若單回路壓漿期間單回路注入的漿液量少于設(shè)計(jì)壓漿量100 L，則在1#和2#回路聯(lián)合壓漿期間，將單回路剩余的漿液補(bǔ)充注入樁端附近的地層中。

(2) 1#和2#回路聯(lián)合壓漿和持壓

當(dāng)1#和2#回路聯(lián)合壓漿的實(shí)際壓漿量達(dá)到100 L時(shí)，該階段聯(lián)合壓漿結(jié)束。然后封閉所有樁底壓漿管路，樁底壓漿工作全部結(jié)束；若1#和2#回路聯(lián)合壓漿的實(shí)際壓漿量未達(dá)到100 L，但實(shí)際壓漿壓力已達(dá)到3～6 MPa，則進(jìn)行 1#和2#回路聯(lián)合持壓，持壓2 h后結(jié)束。然后封閉所有樁底壓漿管路，樁底壓漿工作全部結(jié)束。

2.4 樁側(cè)壓漿技術(shù)

鋼筋籠安裝時(shí)，在樁側(cè)預(yù)置壓漿管路。樁身混凝土灌注后，利用雙分隔器對(duì)注漿孔進(jìn)行劈裂。待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，用高壓注漿機(jī)通過(guò)壓漿管路對(duì)鉆孔樁樁側(cè)進(jìn)行整體“簾幕法”滲透壓漿。

2.4.1 樁側(cè)壓漿管的布置

沿樁身圓周對(duì)稱布置4根樁側(cè)壓漿管(編號(hào)1#、2#、3#和4#，見(jiàn)圖3)。壓漿管為內(nèi)徑55 mm 、壁厚3 mm的無(wú)縫鋼管。為換漿方便，相鄰的兩根樁側(cè)壓漿管底部連通，形成一組壓漿管路(每根樁的4根樁側(cè)壓漿管共形成兩組壓漿管路)。在地震液化層底標(biāo)高至距樁底0.95 m的范圍內(nèi)，壓漿管每隔1 m設(shè)置一個(gè)8 mm的注漿孔。為防止注漿孔在灌注混凝土?xí)r被堵塞，壓漿管下放前，將注漿孔臨時(shí)密封起來(lái)，密封方法同樁底壓漿管注漿孔的密封。

圖3 樁側(cè)壓漿管布置平面圖(單位：mm)

2.4.2 樁側(cè)壓漿設(shè)備

樁側(cè)壓漿設(shè)備有：樁側(cè)壓漿機(jī)、注漿孔劈裂所需的手動(dòng)泵(型號(hào)VHP100)、雙封隔器及分隔器配套的軟管。樁側(cè)壓漿機(jī)要求排漿量小且壓力穩(wěn)定，帕德瑪大橋采用的是與樁底壓漿同型號(hào)的美國(guó)產(chǎn)壓漿機(jī)。

2.4.3 壓漿液的選用

樁側(cè)壓漿采用超細(xì)水泥拌制的漿液。采用新加坡產(chǎn)Pre-fine 80超細(xì)水泥(平均粒徑為4.503 μm,最大粒徑為10.097 μm)、Basf Master Reheobuild1000高效減水劑。通過(guò)試配和比選，選用的配合比為0.8∶1∶0.01(水∶超細(xì)水泥∶高效減水劑)。超細(xì)水泥漿液的性能指標(biāo)為：初始溫度不超過(guò)30 ℃；初始黏度不超過(guò)10 s,4 h的黏度為20 s； 28 d抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa。

2.4.4 壓漿管的初裂和劈裂

樁身混凝土初凝且強(qiáng)度達(dá)到3 MPa之前，采用雙封隔器對(duì)樁側(cè)注漿孔分別進(jìn)行初裂。在樁側(cè)壓漿前12～24 h，選擇合適時(shí)機(jī)對(duì)注漿孔再進(jìn)行1次劈裂。

采用雙封隔器對(duì)單個(gè)注漿孔進(jìn)行劈裂的方法為：將雙封隔器放入壓漿管里，下放至需要劈裂的注漿孔位置，首先用手動(dòng)泵將高壓水通過(guò)注水軟管注入封隔器中，封隔器的上下膨脹元件隨高壓水的注入而膨脹，從而封閉注漿孔上下端；然后由壓漿機(jī)通過(guò)壓漿軟管向壓漿管內(nèi)注入高壓水，將注漿孔處的橡膠管及混凝土沖開(kāi)，最后打開(kāi)手動(dòng)泵的泄水閥，使上下膨脹元件回縮至原位，完成單個(gè)注漿孔的劈裂。按此方法，完成所有注漿孔的劈裂。

2.4.5 樁側(cè)壓漿

每個(gè)注漿孔的設(shè)計(jì)壓漿量為20 L。為了避免漿液壓力過(guò)大對(duì)樁周土造成液壓劈裂，影響樁側(cè)壓漿效果，規(guī)定樁側(cè)壓漿設(shè)計(jì)注漿壓力不超過(guò)3 MPa；為了保證漿液注入的穩(wěn)定性，以及不同滲透系數(shù)地層水泥漿都能有效地滲透擴(kuò)散，注漿速度不超過(guò)10 L/min。

每組樁側(cè)壓漿管注漿終止條件為：若實(shí)際壓漿量達(dá)到20nL(n為每組樁側(cè)壓漿管的注漿孔數(shù)量)，則停止注漿；或?qū)嶋H壓漿量未達(dá)到20nL，但注漿壓力已達(dá)到3 MPa,則維持3 MPa壓力10 min后停止注漿。

壓漿孔劈裂完成、樁身混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行樁側(cè)“簾幕法”壓漿。具體做法為：先將第2組壓漿管的1根壓漿管與壓漿機(jī)連接，打開(kāi)另1根壓漿管頂部的球閥，將壓漿管內(nèi)水置換為新鮮的水泥漿液；然后關(guān)閉另1根壓漿管頂部的球閥，啟動(dòng)壓漿機(jī)對(duì)第1組壓漿管的所有注漿孔一次性進(jìn)行壓漿。當(dāng)樁側(cè)壓漿滿足終止條件時(shí)，停止注漿，封閉第1組壓漿管。按照同樣方法對(duì)第2組樁側(cè)壓漿管進(jìn)行壓漿。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用化學(xué)漿護(hù)壁及樁側(cè)、樁端壓漿技術(shù)，帕德瑪大橋Mawa 側(cè)引橋96根鉆孔樁于2018年6月完成全部施工。經(jīng)對(duì)鉆孔樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)或PDA試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用化學(xué)漿成孔、樁底樁側(cè)壓漿技術(shù)，樁側(cè)承載力比膨潤(rùn)土成孔提高52%，樁端阻力提高63%。實(shí)踐證明該技術(shù)可明顯改善樁端持力層和樁周土邊界條件，提高樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，改善鉆孔樁荷載傳遞性能，大幅度提高鉆孔樁的承載力。該技術(shù)的成功應(yīng)用，達(dá)到了減小鉆孔樁的設(shè)計(jì)樁徑，減少鉆孔樁數(shù)量，降低工程造價(jià)的目的。在具備條件(如地質(zhì)條件差、有效樁長(zhǎng)短但承載力要求高等)的工程中推廣化學(xué)漿護(hù)壁成孔、樁端壓漿和樁側(cè)壓漿施工技術(shù)具有重要的意義和廣闊的前景。