后注漿灌注樁在港口工程中的應(yīng)用

李淑龍

(山東港通工程管理咨詢有限公司青島分公司，山東 青島 266000)

傳統(tǒng)的水運(yùn)工程中，灌注樁是一類常見(jiàn)的、應(yīng)用廣泛、工藝比較成熟的樁型。隨著我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的深化發(fā)展，對(duì)于新建碼頭的承載能力的要求也在逐步的提高。后注漿技術(shù)作為傳統(tǒng)樁基施工過(guò)程中的一類輔助工藝，對(duì)于減緩樁基沉降、提高樁基承載能力有良好促進(jìn)作用，因而廣泛應(yīng)用于采用鉆孔灌注樁的碼頭建筑的施工過(guò)程中。由于后注漿灌注樁運(yùn)用時(shí)間不長(zhǎng)，相關(guān)的理論研究數(shù)據(jù)還不全面，因此綜合研究分析其在各類碼頭工程中的實(shí)際作用效果，對(duì)于其在具體碼頭建設(shè)工程中的應(yīng)用和施工具有重要意義。

1 后注漿灌注樁的性能分析

樁基的承載力直接決定了碼頭的負(fù)荷能力，尤其是對(duì)于地質(zhì)條件較為特殊的碼頭工程，樁基的可靠性是考量碼頭結(jié)構(gòu)合理性的重要內(nèi)容。鉆孔灌注樁由于適用于持力層為黏土層的環(huán)境，因此在軟土地質(zhì)環(huán)境中得到了持續(xù)性推廣。

1.1 承載力分析

傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁很難適應(yīng)更為復(fù)雜施工條件，以泥漿護(hù)壁法為例，鉆孔技術(shù)的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致孔底出現(xiàn)沉渣，樁側(cè)會(huì)因?yàn)槟酀{護(hù)壁的建設(shè)形成而生成泥膜，這兩種現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致樁側(cè)的摩擦阻力和端阻力下降，影響了樁本身的承載力。

根據(jù)地基建造標(biāo)準(zhǔn)，灌注樁的垂直負(fù)荷能力一般按照下式估算：

其中：R- 豎向上的單樁負(fù)荷特征值；

qsia，qpa- 側(cè)向阻力、端向阻力特征值；

Up，Ap- 周長(zhǎng)、截面積；

Li- 灌注樁所處的第i 層的土層厚度。

而針對(duì)后灌注樁，根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出的豎向經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷能力估算公式為：

其中：Quk- 修正后的灌注樁單樁極限負(fù)荷；

Qsk1，Qsk2- 未注漿部分樁側(cè)阻力和樁端上返回阻力

QPK- 采用壓力注漿后的樁端阻力；

通過(guò)分析大量的灌注樁應(yīng)用工程的實(shí)際負(fù)荷測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，得到的針對(duì)不同類型的地基相關(guān)系數(shù)如表1 所示。

表1 后灌注樁不同土質(zhì)條件下的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)

由此可見(jiàn)，針對(duì)地質(zhì)環(huán)境各不相同的建筑工程，樁側(cè)阻和樁端阻修正系數(shù)在正常情況下都是大于1.5 的，足以抵消小于1的注漿量擬合系數(shù)對(duì)于最終計(jì)算結(jié)果的影響。這代表了在工程項(xiàng)目中，樁端和樁側(cè)阻力對(duì)于樁負(fù)荷能力的影響切實(shí)被此技術(shù)的應(yīng)用削減了。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于采用后灌注漿技術(shù)提高了傳統(tǒng)鉆孔灌注樁的負(fù)荷支撐層的強(qiáng)度，增大了灌注樁端側(cè)的受力面積，在同樣負(fù)荷條件下降低了樁的負(fù)荷壓強(qiáng)，因此提升了樁本身的負(fù)荷能力。[2]

1.2 沉降性對(duì)比

后注漿技術(shù)有利于防止樁側(cè)“泥膜”現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)對(duì)于樁底沉渣的出現(xiàn)也有抑制作用，這既能優(yōu)化灌注樁的承載性能，又能提升灌注樁底部的土層承載模量，從而緩解整體沉降。

以總長(zhǎng)度為30 米，直徑為1 米的傳統(tǒng)灌注樁為基礎(chǔ)，建立簡(jiǎn)化的承載模型，對(duì)于不同工藝的樁基在不同負(fù)荷條件有效服務(wù)期內(nèi)的穩(wěn)定的沉降數(shù)值的模擬結(jié)果如圖1。

圖1 沉降模擬結(jié)果數(shù)據(jù)分析圖

可見(jiàn)，在同等的負(fù)荷要求時(shí)，增加灌注半徑可以使得樁基沉降高度逐漸降低，而在負(fù)荷逐步增加時(shí)，后灌注樁的沉降高度增幅卻逐漸放緩。這說(shuō)明了后灌注漿技術(shù)能提高樁基抗沉降的性能，承載的壓力轉(zhuǎn)移到樁端的時(shí)候，樁基的應(yīng)力會(huì)因?yàn)椴捎霉嘧{技術(shù)增大了承載面而逐漸衰減，從而減弱了樁基受負(fù)荷作用而產(chǎn)生的沉降。

2 后注漿灌注樁的應(yīng)用分析

隨著我國(guó)碼頭結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了許多承載力要求高、樁基受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)綜合性強(qiáng)的現(xiàn)代化大型碼頭。這類碼頭施工工藝復(fù)雜，對(duì)于施工效果要求較高，豎向的受力對(duì)于碼頭縱向負(fù)荷能力尤其是樁基負(fù)載力提出了更高的要求。同時(shí)，為了避免碼頭樁基運(yùn)作過(guò)程中由于負(fù)荷超載而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷，還需要樁基有較好的抗彎性能和水平承載力，對(duì)于沉降量也有明確的控制要求，以保證碼頭在服務(wù)期內(nèi)的正常運(yùn)行。因此，在碼頭工程中，后注漿技術(shù)由于能夠提高碼頭結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力、保證碼頭在復(fù)雜受力環(huán)境中的穩(wěn)定性而得到了推廣應(yīng)用。

2.1 作用原理與適用范圍

在碼頭工程中，后灌注漿技術(shù)主要是在灌注樁形成后，于壓力條件下在樁段和樁側(cè)面通過(guò)設(shè)定好的注漿導(dǎo)管導(dǎo)入灌注漿液，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于樁端和樁側(cè)土層基礎(chǔ)的加固。目前常見(jiàn)的注漿方式包括滲透注漿、劈裂注漿和壓密注漿，這三種方式對(duì)于地基的作用機(jī)理各不相同，但是在實(shí)際工程中，可以聯(lián)合采用，以提高加固效果。碼頭建筑工程中最常用的方式為第二種。這是由于在這種注漿工藝的實(shí)施過(guò)程中，漿體壓力高于土體耐壓而產(chǎn)生劈裂效果。具體體現(xiàn)為土層中出現(xiàn)裂縫，對(duì)于漿液的需求量快速增大，由于超過(guò)土體的初始應(yīng)力和抗延展性能而出現(xiàn)網(wǎng)狀的注漿脈絡(luò)并從注漿點(diǎn)不斷向四周拓展。通過(guò)擠壓土層和漿液自身形成的支撐性骨架而實(shí)現(xiàn)對(duì)土體產(chǎn)生加筋強(qiáng)化與整體固化。雖然這類技術(shù)適用廣泛，能應(yīng)用于大多數(shù)的地質(zhì)環(huán)境和基礎(chǔ)建設(shè)中，但是由于碼頭工程的樁基施工大多是水下施工，因此主要應(yīng)用于成孔樁的成樁過(guò)程中，也適用于采用循環(huán)鉆、潛水鉆或者沖擊鉆成孔的各類灌注樁的施工過(guò)程中。一般來(lái)說(shuō)，在相同的環(huán)境中，短樁相較于長(zhǎng)樁的實(shí)用性要更好一些，但是在某些特殊工程中為了滿足特定的受力需求也會(huì)采用大直徑的長(zhǎng)樁。[4]

2.2 具體施工流程與要點(diǎn)

在施工過(guò)程中，影響工藝作用效果的設(shè)計(jì)因素主要是漿液灌注量、灌注壓力與速度。究其根本是由于鉆孔樁后注漿工藝的決定性環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)漿液抵達(dá)樁端面和周圍土層，從而加固基體和泥皮。

樁端和樁側(cè)的后注漿技術(shù)的施工過(guò)程與技術(shù)特征區(qū)別不大，以下以碼頭工程中的樁端施工為例，流程如圖2。

圖2 樁端后注漿技術(shù)的工藝流程圖

其中成孔過(guò)程的選擇需要考慮實(shí)際工程的地質(zhì)條件，尤其是土層類型和水位條件，比較常見(jiàn)是泥漿護(hù)壁法與沖擊鉆法。注漿過(guò)程多依靠壓力裝置實(shí)現(xiàn)，一般使其附著在鋼筋籠上，隨著鋼筋籠一起放入孔中，但是有時(shí)候也在放入鋼筋籠后，安裝在樁孔的底部。根據(jù)常規(guī)的施工要求，當(dāng)鋼筋混凝土的強(qiáng)度達(dá)到樁端的壓力的四分之三時(shí)，需要調(diào)整注漿方法，根據(jù)不同的壓力差，分單次或者多次向樁端注漿。

2.3 施工中常見(jiàn)的問(wèn)題和解決方法。

在實(shí)際的施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)參數(shù)處理不當(dāng)或者施工的操作問(wèn)題都會(huì)引發(fā)導(dǎo)管堵塞、漿液斷流、注漿量與壓力不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重影響后注漿工藝的加固效果。引起導(dǎo)管堵塞的因素除了導(dǎo)管和注漿泵頭自身設(shè)計(jì)不合理、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致連接不嚴(yán)密等，還可能是由于施工過(guò)程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)擠壓或者碰撞導(dǎo)管導(dǎo)致導(dǎo)管變形引起的。此外基坑開(kāi)挖與開(kāi)塞注漿過(guò)早也有可能會(huì)堵塞導(dǎo)管。堵塞對(duì)于單管注漿工程影響最大，因此應(yīng)該設(shè)置實(shí)驗(yàn)備用管，如果全部堵塞，則需要用專用的打孔機(jī)重新打注漿孔，或者可以重新設(shè)計(jì)碼頭受力模型調(diào)整單樁承載量。[5]

漿液斷流分為主動(dòng)斷流和被動(dòng)斷流。第一種情況主要是由于施工中的意外或者參數(shù)失常而主動(dòng)實(shí)施控制，如發(fā)現(xiàn)漏漿現(xiàn)象和溢流現(xiàn)象時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)停止灌漿，重新排查設(shè)備與相關(guān)參數(shù)。被動(dòng)中斷主要是由于斷水?dāng)嚯?、漿液不足或者設(shè)備問(wèn)題而導(dǎo)致的突然斷流，這種停頓會(huì)對(duì)注漿效果產(chǎn)生不良影響，停頓時(shí)間不能超過(guò)控制時(shí)間。在恢復(fù)注漿后首先應(yīng)該將導(dǎo)管清洗到原深度再重新進(jìn)行灌注。漿液濃度逐漸增大，慢慢恢復(fù)到之前的水平。此時(shí)如果出現(xiàn)壓力上升而注漿量減小的情況，必須立刻停止重新進(jìn)行導(dǎo)管的清洗。

3 結(jié)論

3.1 本文通過(guò)分析經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)比了后注漿技術(shù)對(duì)樁基的承載力和沉降性能影響。后注漿技術(shù)能有效的提高灌注樁承載力、增加承載面、減緩樁基沉降，在碼頭工程中具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.2 后注漿技術(shù)對(duì)施工的控制要求更細(xì)致。本文分析注漿技術(shù)的原理與適用工況，總結(jié)了典型的后注漿技術(shù)的施工工藝和常見(jiàn)的問(wèn)題，針對(duì)導(dǎo)管堵塞和斷流現(xiàn)象做了重點(diǎn)分析，提出了解決思路，為后注漿技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考和幫助。