一種管樁植樁新型注漿工法探析

徐建華 朱 斌 楊東源 盧炳軒 徐樂天

（1.中城院(北京)環(huán)境科技有限公司，北京 100120；2.桂林理工大學(xué)，廣西桂林 541004；3.廣西壯族自治區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，廣西南寧 530023；4.廣西高遠(yuǎn)建筑科技股份有限公司，廣西南寧 530025）

0 引言

管樁是采用離心和預(yù)應(yīng)力工藝成型的環(huán)形截面的預(yù)應(yīng)力混凝土樁[1]。目前管樁施工多采用靜壓樁機(jī)及振動(dòng)樁機(jī)，地層巖性以軟土及軟基巖為主。對(duì)于硬質(zhì)巖地層的樁基礎(chǔ)，近年來也有采用成孔后先注漿再壓或振動(dòng)管樁植入成樁工法。但是，該法管樁植入樁后，還必須對(duì)其復(fù)壓或錘擊，成本高、施工周期長(zhǎng)。當(dāng)樁基礎(chǔ)樁徑在1300 mm 以上時(shí)，施工時(shí)則難以復(fù)壓或錘擊，且大功率的壓樁機(jī)和振動(dòng)錘不易獲取。另外，鉆孔樁機(jī)及振動(dòng)樁機(jī)在巖溶發(fā)育的灰?guī)r地區(qū)施工時(shí)，樁基礎(chǔ)成孔難、下鋼筋籠難、灌入砂漿充溢系數(shù)大，施工周期長(zhǎng)，施工成本成倍增加，工期及成本無(wú)法控制的情況亦有發(fā)生。采用管樁植入樁后注漿工法可在一定程度上改善上述問題。

1 樁基礎(chǔ)現(xiàn)狀

目前常用的樁基礎(chǔ)主要為靜壓樁、灌入樁、靜壓中掘樁、植入法預(yù)制鉆和隨鉆跟管樁等。

靜壓樁是采用靜力壓樁法施工的工程樁，靜力壓樁法是利用靜力將樁壓入地基巖土中的施工方法[2]。灌注樁是直接在樁位上就地成孔，然后在孔內(nèi)投入鋼筋灌混凝土而成。成孔樁機(jī)分類包括旋挖機(jī)、沖孔打樁機(jī)、液壓振動(dòng)打樁機(jī)、螺旋鉆機(jī)、潛水鉆機(jī)等。

近年出現(xiàn)的靜壓中掘壓樁施工方法是通過開啟螺旋鉆動(dòng)力頭對(duì)硬土層或強(qiáng)風(fēng)化土層開鉆，明顯擴(kuò)大其使用范圍，然后用靜壓樁機(jī)壓樁；隨鉆跟管樁是在鉆進(jìn)成孔的同時(shí)將預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁沉到孔底，樁端可以旋噴注漿或灌注混凝土封閉成樁，管壁外側(cè)可以灌注水泥砂漿或水泥漿以提高樁的承載力[3]；植樁法預(yù)制樁是預(yù)先采用鉆機(jī)或其他各種成孔設(shè)備在樁位處成孔并灌注適量水泥漿、水泥砂漿或細(xì)石混凝土等，并將預(yù)制樁沉入其中的施工方法[4]。

以上樁基工法各有利弊，這些方法均無(wú)法解決巖溶發(fā)育地區(qū)樁基礎(chǔ)施工的難題。

2 管樁植樁新型注漿工法形成機(jī)制

2.1 管樁植樁新型注漿工法機(jī)理

管樁植入樁新型注漿工法是借助管樁做導(dǎo)管，讓流動(dòng)性好的砂漿從樁管頂直接注入管中，利用液體勢(shì)能、水頭差，實(shí)現(xiàn)樁孔底清渣，隨著砂漿不斷注入，管樁自重下沉落入持力層表面，讓管壁與孔壁巖土層間充滿砂漿，最終完成管樁植入的全過程[5-7]。在完成管樁植入后，可以通過對(duì)比測(cè)量管樁植樁長(zhǎng)度與孔深，以此核對(duì)管樁是否到底。如果樁投放長(zhǎng)度與孔深相吻合，則說明后注漿工法達(dá)到目的。如果仍然沒有讓管樁落到持力層面，則繼續(xù)注漿，直至砂漿沖刷清除孔底殘?jiān)?/p>

該工法在樁基礎(chǔ)為端承樁或嵌入樁時(shí)效果更為明顯。由于建筑物樁基礎(chǔ)多為群樁，則群樁共同作用，水平影響不大。因此，管樁與孔壁土層之間的黏接力保持原有黏土層摩擦力即可，其注入的水泥土砂漿強(qiáng)度變?yōu)椴恢匾?。重要的是端承樁或嵌入樁是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的持力層。所以，在硬質(zhì)巖持力層中植入樁后注漿工法使用低標(biāo)號(hào)、流動(dòng)性好、塌落度低的砂漿即可。

2.2 管樁植樁新型注漿工法理論基礎(chǔ)

2.2.1 管樁植入后及后注漿工法清渣原理

管樁植樁新型注漿工法是基于流體力學(xué)原理完成的。流體本身分靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)規(guī)律。流體動(dòng)力學(xué)的基本公理為守恒律，特別是質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒（也稱作牛頓第二定律與牛頓第三定律）以及能量守恒。若流體密度達(dá)到一定致密程度，可以成為一連續(xù)體，并且不含有離子化的組成，流通動(dòng)力學(xué)可以使用經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析計(jì)算。

根據(jù)相關(guān)理論，水位的高度差越大，所產(chǎn)生的水壓就越大，所以水頭差的技術(shù)數(shù)據(jù)就是水壓值。管道中的流速與壓力無(wú)關(guān)，與壓力差有關(guān)。壓力差是水流的動(dòng)力，如果管道中的水僅有壓力而無(wú)壓力差，水是不流動(dòng)的。管道起始斷面的壓力越大，流量跟流速也越大，則液體動(dòng)能越大，沖擊力也就越大。

將水泥砂漿視為流體，按照流體力學(xué)科內(nèi)爾方法[8]計(jì)算傾倒砂漿的流入速度，設(shè)定阻力有兩部分，一部分由滑動(dòng)摩擦形成，另一部分決定于滑動(dòng)速度的平方，即：

式中：N為砂漿對(duì)管壁的法向作用力，N，N=ρgDF；ρ為流體密度，kg/m3；DF為厚度（與塌落度具有相關(guān)性），m；ξ為流體紊流系數(shù)。

經(jīng)推算：

管樁沉入孔內(nèi)底端后，從管樁頂部注入砂漿，直至滿灌至管樁頂（管樁底裝有單向閥隔板）。此時(shí)，管樁孔內(nèi)注滿的砂漿液態(tài)水位明顯高于管樁外壁（泥漿或水）水位。當(dāng)管樁底部單向閥瞬間打開，孔內(nèi)外液體相互聯(lián)通后，砂漿液體勢(shì)能瞬間轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。在足夠的高差下，其沖擊力立刻把管樁孔底殘?jiān)鼪_刷清洗干凈（見圖1）。

圖1 管樁植入樁后注漿工法流程圖

與水下注（灌）漿相比，本工法最關(guān)鍵問題在于有管樁內(nèi)外水頭差，其管（孔）底所產(chǎn)生的勢(shì)能和動(dòng)能有本質(zhì)區(qū)別。

2.2.2 系數(shù)ζr取值問題

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008），在嵌入樁ζr[9-10]單樁承載力只考慮基巖樁側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，沒有考慮上部土層的樁側(cè)阻力。廣西《植入法預(yù)制樁技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 45-110-2020）中，單樁承載力是把樁所有側(cè)阻力地層和嵌巖段總極限阻力考慮進(jìn)去。施工中必須先灌入砂漿，再壓樁或錘擊打入，以確保管樁與砂漿及巖土層樁側(cè)有足夠側(cè)阻力。該施工方法在計(jì)算中無(wú)需過多考慮樁側(cè)阻力，特別是端承樁和嵌巖樁基，設(shè)計(jì)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)只需考慮巖層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值和少量嵌巖段側(cè)阻力。

2.3 管樁植樁新型注漿工法工藝流程

步驟一：利用旋挖鉆機(jī)（或其它機(jī)械）進(jìn)行鉆孔，從而形成樁孔，并使樁孔從土層延伸至硬質(zhì)巖層內(nèi)。步驟二：利用起吊設(shè)備將預(yù)制的管樁放入樁孔內(nèi)，管樁的底部配備重力式單向閥，使管樁的底部沉入樁孔的最底端，保持管樁內(nèi)無(wú)泥漿殘?jiān)雰?nèi)。步驟三：在管樁頂部，灌注流動(dòng)性好的水泥砂漿于管樁中至滿。步驟四：用吊機(jī)把管樁提起20～30 cm，由于管樁水泥砂漿密度高于孔中管樁底部泥漿殘?jiān)拿芏龋谒^差的作用下，管樁底部泥漿殘?jiān)谎杆贈(zèng)_刷清除至管樁孔壁外，隨后吊機(jī)放下管樁。如果管樁到達(dá)孔深，說明孔內(nèi)泥漿已清理干凈。否則，重復(fù)注漿清孔。為了節(jié)省注漿量，可以用小孔徑立柱活塞推壓管樁內(nèi)砂漿至管底部。步驟五：把管樁放置孔底，此時(shí)管樁下部管壁內(nèi)外側(cè)及孔壁均被水泥砂漿充填包裹，完成管樁植樁。步驟六：由于后注水泥砂漿液凝固慢，在監(jiān)測(cè)檢測(cè)樁的垂直度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以及時(shí)調(diào)整管樁垂直度。

如樁機(jī)成孔后遇到溶洞，或者孔內(nèi)無(wú)水、無(wú)渣，則管樁可以直接放至孔底。對(duì)于端承樁和嵌巖樁基，此時(shí)注漿量只要達(dá)到管樁底部3～5 m，管樁上部3～5 m 處隔斷注滿孔壁砂漿即可（見圖1）。

2.4 新型注漿工法成樁后垂直力、水平力問題

在確保管樁植入完成后，工廠化制造完成的管樁質(zhì)量容易保證，其抗壓強(qiáng)度明顯高于現(xiàn)場(chǎng)制作的鉆孔灌入樁。同樣樁成孔施工工藝，預(yù)制管樁抗壓抗剪明顯優(yōu)于鉆孔灌入樁。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）和相關(guān)理論原理，單樁基礎(chǔ)水平力與群樁基礎(chǔ)水平力有很大區(qū)別。住宅等建筑多以群樁效應(yīng)為主，橋梁及部分工業(yè)建筑則以獨(dú)立樁基礎(chǔ)為主。具體計(jì)算可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）。

在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，一般水平力是依靠承臺(tái)梁承載的，樁本身在土中，剩余的水平力被土體承擔(dān)。幾乎所有的樁基礎(chǔ)都會(huì)承受一定的水平荷載。但在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，并非所有的樁基礎(chǔ)都要考慮水平荷載的影響。根據(jù)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于低樁承臺(tái)樁基，當(dāng)豎向荷載和水平荷載的合力與豎直線的夾角小于3°時(shí)，可以不考慮水平荷載對(duì)樁承載能力的影響。因此，本工法樁側(cè)土質(zhì)沒有全部充填，樁是局部段受水平抗力，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

如果項(xiàng)目一定要考慮或計(jì)算樁水平力，解決方案有三種：

（1）適當(dāng)加大一個(gè)級(jí)別的樁徑。提高樁的彎曲剛度-強(qiáng)度與樁端的約束條件，即樁身的抗彎能力，提高樁的水平承載力。

（2）給管樁植樁周邊充滿水泥砂漿。

（3）從結(jié)構(gòu)使用的合理性來調(diào)整。

抵抗水平力與彎矩作用并非豎樁的長(zhǎng)處，可以選擇其它結(jié)構(gòu)型式的樁來提高水平承載力。

2.5 施工注意事項(xiàng)

（1）開大孔植小管樁，接樁時(shí)采用大直徑法蘭盤接頭，更有利于施工操作，也有利于加強(qiáng)接頭抗水平力和抗拔。

（2）管樁吊樁接樁時(shí)，鉆機(jī)成孔前做好開孔平臺(tái)裝置，其裝置需簡(jiǎn)便且易于搬動(dòng)，能夠承受上百噸的多節(jié)管樁的重力，同時(shí)能夠卡住下方幾節(jié)管樁，再接樁時(shí)操作需平穩(wěn)協(xié)調(diào)。

（3）在把管樁投放至孔底部，要保證地下水（泥漿）不進(jìn)入管樁內(nèi)。因此，管底單向閥制作好后，需保證砂漿可以沖出管底，且管樁底不能讓泥漿、殘?jiān)亓鳌?/p>

（4）沉管注砂漿時(shí)，務(wù)必保證有較高的水頭差。沒有一定的水頭差，樁管底砂漿沖擊力無(wú)法達(dá)要求，將導(dǎo)致孔底泥漿殘?jiān)鼰o(wú)法清理干凈。

（5）在砂漿沖擊管底殘?jiān)?，若仍然有部分殘?jiān)?，可以再進(jìn)行一次提管沖刷清底沉渣，以確保管樁真正達(dá)到鉆孔預(yù)知的深度，測(cè)量管樁長(zhǎng)度與預(yù)先成孔的深度是否一致，確保管樁落至基巖面持力層，這是整個(gè)工法的關(guān)鍵。

（6）管樁落到孔底后，如果管樁內(nèi)砂漿漏完，應(yīng)注入一定的水玻璃，以堵住孔底基巖裂隙、空洞，以確保管樁底部有一定厚度的砂漿固結(jié)樁基礎(chǔ)。

3 管樁植樁后注漿案例分析

基于管樁植樁后注漿形成機(jī)理，將相應(yīng)的施工工藝應(yīng)用于多個(gè)工程，解決了傳統(tǒng)工藝難以解決的樁基礎(chǔ)施工問題。以欽北高速改擴(kuò)建工程為例，介紹管樁植樁后注漿工藝在工程中的應(yīng)用。

（1）工程概況：高速公路廣西欽州至北海段改擴(kuò)建工程擬采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)裝配式橋梁“樁柱一體化”工藝[10]，進(jìn)行四根樁柱、兩根跨梁的樁柱一體化試驗(yàn)。樁徑1300 mm，樁柱長(zhǎng)23～25 m，梁寬8 m，進(jìn)行水平、垂直載荷試驗(yàn)。該場(chǎng)地主要地層為：0～3 m 雜填土、2～9 m 粉質(zhì)黏土、9～22 m 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、22～25 m 中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。地下水穩(wěn)定水位埋深5 m。樁徑1300 混凝土管樁每米重達(dá)2.5 t，23 m樁重57.5 t。

（2）設(shè)計(jì)思路：樁基和墩柱采用工廠化預(yù)制生產(chǎn)，樁基成孔后植入預(yù)制樁，再聯(lián)接預(yù)制墩柱，安裝預(yù)制蓋梁，橋梁的樁基、墩柱、蓋梁全裝配式施工，從而達(dá)到快速保質(zhì)施工橋梁的效果，做到橋梁100%裝配式施工。

（3）施工過程：首先采用傳統(tǒng)的植入樁工法，在旋挖機(jī)鉆進(jìn)成孔后，砂漿導(dǎo)入孔中幾立方，再吊管樁落入其中，但無(wú)法使樁落到原成孔深度。擬采用壓入法或震動(dòng)錘使其至孔底，但無(wú)法獲取大壓力或大動(dòng)力的壓入機(jī)和振動(dòng)機(jī)械。最終采用本工法，砂漿灌至管樁孔內(nèi)滿后，再次吊起樁管20 cm 以上。此時(shí)，大量砂漿從管樁孔頂至孔底，瞬間沖破清除孔底殘?jiān)?，使得樁?300 mm、樁長(zhǎng)25 m、質(zhì)量72.5 t 的管樁順利植入孔底。利用設(shè)計(jì)好的法蘭盤接樁完成此大直徑管樁植入樁。另外三根樁按此方法完成管樁植樁任務(wù)。

（4）完成效果：通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成樁柱一體化四根（見圖2）。施工完成后，通過單樁水平、豎向靜載試驗(yàn)反映單樁的受力狀況和變形特征，并復(fù)核植入樁的單樁豎向力、水平承載力作為設(shè)計(jì)依據(jù)判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)試驗(yàn)荷載加至 9566 kN 時(shí)，歷時(shí)120 min 觀測(cè)，沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，且加載已達(dá)到最大試驗(yàn)荷載值，故終止加載。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）技術(shù)要求對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和匯總，繪制荷載-沉降（Q-s）、沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)（slgt）等曲線分析可知，受檢樁試驗(yàn)最大加載值為9566 kN，累計(jì)總沉降量 15.01 mm，位移結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求（見圖3）。

圖2 樁柱一體施工水平荷載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 單樁垂直靜載試驗(yàn)Q -s 曲線

橫向（水平）單樁豎向抗壓承載力極限值檢測(cè)按上述步驟進(jìn)行，各級(jí)加載完成位移數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（見圖4、圖5），根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，可以判定檢查是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。法蘭盤接樁和鋼板設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果均到達(dá)設(shè)計(jì)要求（見圖6）。

圖4 樁橫向(水平)位移測(cè)點(diǎn)位移隨荷載變化曲線

圖5 樁各級(jí)荷載下的位移曲線

圖6 樁各級(jí)荷載下法蘭盤處各點(diǎn)的位移曲線

施工利用管樁新型注漿工法，樁與墩柱、梁一并注漿完成，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)單樁軸力對(duì)樁側(cè)阻、端阻綜合系數(shù)的取值是正確的。

4 結(jié)論

（1）管樁植樁新型注漿工法借助管樁自有的結(jié)構(gòu)特性，以旋挖機(jī)鉆掘成孔，植入管樁后注入砂漿沖孔清渣并最終成孔，在硬質(zhì)巖層（特別是巖溶發(fā)育地區(qū)）場(chǎng)地樁基礎(chǔ)施工中使用效果良好。

（2）管樁植樁新型注漿工法能夠解決管徑1.3 m以上大管樁在硬質(zhì)破碎巖地區(qū)植入樁施工難題，避免了管樁在投放到樁孔后尋找大動(dòng)力的貫入機(jī)械（如幾千噸配重的靜壓樁機(jī)）難題。

（3）傳統(tǒng)成樁工法存在諸多問題，例如鉆孔灌入樁易塌孔、清渣難、下鋼筋籠難，現(xiàn)場(chǎng)澆注施工時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境質(zhì)量差等。管樁植樁新型注漿工法能夠解決以上問題并提高樁的抗剪強(qiáng)度和樁身質(zhì)量。

（4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，管樁植入樁后注漿工法適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)裝配式工廠化批量生產(chǎn)，具有成為樁基工程主流類型的潛能，可在硬質(zhì)巖層場(chǎng)地樁基礎(chǔ)施工中推廣。