上覆空隙地層充氣壓漿端承樁樁端后注漿技術(shù)★

孫偉紅，楊 鑫，馬 亮

(甘肅省建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

鉆孔灌注樁作為一種施工簡單、承載性能較好的基礎(chǔ)型式被廣泛應(yīng)用于各類工程[1]。但是，受地質(zhì)條件、地勘資料、施工條件及人為因素等影響，鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量難免存在不同缺陷和問題。例如端承樁的嵌入深度達不到設(shè)計要求，樁端未有效的嵌入持力層一定深度，造成單樁承載力降低，進而無法正常使用。同時，由于鉆孔灌注樁成孔工藝的本身缺陷，樁端沉渣和樁周泥皮等問題時常難以避免[2]，以及施工過程中樁端地層的結(jié)構(gòu)擾動和應(yīng)力釋放，樁端所在持力層的承載性能因此折損[3]，從而導(dǎo)致端阻力和側(cè)阻力顯著降低[4-5]。為了解決端承樁的嵌入深度不足及持力層地層強度折減問題，各類方法技術(shù)不斷被提出和應(yīng)用，取得了一定的工程處理效果。其中，樁端后注漿技術(shù)作為增加樁端面積和提高樁端單位面積阻力的方法[6]，可以顯著提高樁的承載性能[7-9]。但是，后注漿技術(shù)在不同工程中存在各類注漿失效的現(xiàn)象[10]，使后注漿的效果無法保證。其中，對于樁端持力層上覆空隙性地層而言，在對樁端持力層注漿時漿液會朝著空隙發(fā)育的上覆地層而流，即漿液上流，造成持力層不能得到有效注漿，達不到后注漿的預(yù)期目標。本文基于某鉆孔灌注樁樁端后注漿加固工程，提出和采用一種充氣壓漿及注漿同時施工的后注漿技術(shù)，并對注漿前后的樁基豎向抗壓承載力進行現(xiàn)場試驗，以評價本技術(shù)的實施效果，為同類工程提供參考。

1 依托工程及其問題

1.1 工程概況

某工程位于甘肅省蘭州市，主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)均采用樁筏基礎(chǔ)。建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第三組，結(jié)構(gòu)安全性等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，為端承樁。按設(shè)計鉆孔灌注樁直徑為0.8 m和0.5 m，無擴底，樁長為9.95 m～11.65 m，以強風(fēng)化砂巖為樁端持力層，樁端進入持力層深度不小于2.0 m，樁身混凝土強度等級為C40，單樁(直徑0.8 m)設(shè)計承載力為1 600 kN。

1.2 工程地質(zhì)

如圖1所示，場地內(nèi)勘探揭露地層可知，工程場地范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，勘察深度范圍內(nèi)自上而下分別為雜填土、粉土、飽和粉土、粉質(zhì)黏土、細砂、卵石、強風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖等。

其中，樁端持力層上下范圍內(nèi)地層分述如下：

卵石(上覆地層)：青灰色，稍密～中密，分選性差。主要由石英巖、花崗巖、片麻巖等硬質(zhì)巖組成，磨圓度好，呈亞圓形，一般粒徑為20 mm～80 mm，約占全重的55%以上，最大粒徑可達150 mm，偶含漂石，砂類土充填，局部強風(fēng)化含砂量較大且以透鏡體存在，層頂夾有細砂層薄層，層頂埋深一般8.0 m～20.8 m。

強風(fēng)化砂巖(持力層)：棕紅色、磚紅色，局部夾有零星的泥巖、礫巖，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)為主，中粗及中細粒結(jié)構(gòu)，具層理，多呈水平狀，成巖作用差，強風(fēng)化狀，遇水易軟化、崩解，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。層面埋深12.5 m～25.8 m。

場地位于黃河河谷地段，地下水類型屬于松散巖類孔隙水，為河(溝)谷潛水，勘察期間揭露地下水一般埋深黏6.0 m～15.5 m。場地地下水主要賦存于下部粉土、粉質(zhì)黏土和卵石層中。

1.3 工程問題

1)樁端嵌入深度不足，樁基承載力不滿足要求：工程樁基按設(shè)計施工完成后，依照規(guī)范進行了相關(guān)檢測。通過對混凝土樁身采用小應(yīng)變檢測，127根0.8 m樁的樁身質(zhì)量評定合格。通過對抽檢的4根樁進行單樁豎向承載力檢測，其中1根樁的檢測結(jié)果符合設(shè)計要求的單樁豎向承載力特征值，而其余3根均如圖2(a)所示，豎向靜壓下樁基發(fā)生了明顯的下沉，脫離地表面，無法加載至檢測預(yù)定最大極限值，不滿足其設(shè)計承載力特征值。進一步對3根樁進行抽芯檢測，如圖2(b)所示，通過鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)樁端進入持力層深度不足。由于地勘資料勘察點未在樁基施工范圍中，故對其周邊地質(zhì)進行鉆孔勘察，發(fā)現(xiàn)土樣中樁基樁端嵌入持力層深度均未達到設(shè)計要求的2 m。

2)注漿達到飽滿注漿量和終壓狀態(tài)難以判斷，傳統(tǒng)后注漿技術(shù)效果差：針對檢測的3根嵌入深度不足的樁以及未進行檢測的其他兩軸共計37根樁，經(jīng)專家論證決定采用樁端后注漿技術(shù)對樁端地基土體(強風(fēng)化砂巖)進行加固。工程采用了傳統(tǒng)的后注漿技術(shù)，即在樁周圍等間距鉆孔至樁端深度后埋放注漿管，進行高壓注漿。為保證加固效果，后注漿時采用二次復(fù)注漿，但是在兩次注漿過程中均出現(xiàn)注漿量持續(xù)增加，而注漿壓力穩(wěn)定，未見壓力上漲情況，即未達到后注漿的飽滿注漿量和終壓狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)，在高壓注漿條件下，注漿液未能有效充填持力層強風(fēng)化砂巖，而是充填于樁端上部所在的卵石地層。分析其原因不難得知，本工程卵石地層的顆粒級配不良，充填物為砂類土且充填率較低，施工期卵石層未見地下水，因而形成了空隙發(fā)育的卵石地層；但強風(fēng)化砂巖密實度相對較大，空隙較少，因此和卵石地層形成了明顯的空隙發(fā)育差別。在高壓注漿時，漿液將自然流向空隙發(fā)育的卵石地層，即漿液上流。由于本工程場地范圍內(nèi)卵石層分布較為均勻，因而漿液在場地范圍內(nèi)的卵石層發(fā)生層流，造成注漿量持續(xù)上升，而注漿壓力不見增加，由此可見傳統(tǒng)的高壓注漿不能完成對本工程樁基土體的加固作業(yè)。

2 樁端后注漿技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

針對本工程中出現(xiàn)的問題，如圖3所示，提出一種上覆空隙地層充氣壓漿端承樁樁端后注漿技術(shù)。為了防止高壓注漿時漿液上流至上覆空隙地層，在注漿管高壓注漿同時，在其上部通過充氣管持續(xù)充入壓力大于注漿壓力的高壓空氣。高壓空氣進入空隙地層，由于卵石層的上下地層相對較為密實，進而使高壓空氣活動于卵石層，并與下部注漿液的注漿壓力形成上高下低的壓力場差，使注漿液難以上流，而定向流向加固持力層(強風(fēng)化砂巖)，達到加固樁端土體的施工目標。具體在施作時，可對加固樁周圍的各注漿孔同時充氣和注漿，形成環(huán)狀分布的空氣壓場，進而提高注漿效果。

2.2 技術(shù)工序

1)鉆孔(或清孔)：如圖4所示，在樁頭周邊平面等間距分別按照先后順序采用鉆孔機鉆孔至孔底2 m以下處。對于本工程前期未能成功注漿的孔位進行清孔，具體一并采用注漿機用低檔至快檔自管內(nèi)泵入清水，將孔內(nèi)沉積的巖屑、殘渣、泥質(zhì)渾濁水等從管外壁排出。

2)下放注漿管：將高壓注漿管下放孔內(nèi)，其管口應(yīng)至孔底，并固定牢靠，以防后續(xù)操作和注漿時管道上浮。

3)封堵巖層界面：向鉆孔內(nèi)灌注早強型混凝土，使灌注面高于持力層和上覆空隙地層二者界面約30 cm。

4)下放充氣管：將耐高壓充氣膠管下放至孔內(nèi)，其管口應(yīng)高于上述封堵混凝土上表面10 cm左右，并固定以防止浮動。

5)封孔：先向孔位撒填中細砂，填值距鉆孔孔口約40 cm時，灌注混凝土。采用圓形鋼板封閉孔口，并在封閉板相應(yīng)部位預(yù)留圓孔，分別將注漿管和充氣管穿過，并滿焊封堵孔口。

6)充氣壓漿：啟動準備相關(guān)設(shè)備及注漿液，開啟注漿閥門先向孔內(nèi)注漿約2 min，開動充氣管，向孔內(nèi)注入壓力大于注漿壓力約100 kPa的高壓空氣。施工時，沿樁周加固注漿孔同時進行?？刹捎靡淮涡怨嘧⒑蛷?fù)注相結(jié)合的工藝進行注漿。

7)達到飽滿注漿量和終壓：當(dāng)注漿壓力隨注漿進行呈現(xiàn)由低變高及充氣壓力持續(xù)穩(wěn)定(特別是未出現(xiàn)增大)變化規(guī)律時，結(jié)合設(shè)計計算注漿量及實際注漿量比對校核結(jié)果，確定判斷注漿合格狀態(tài)。

3 加固前后灌注樁抗壓承載結(jié)果對比分析

為了檢驗本注漿方法的效果，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，分別對該工程布置的3根工程樁進行注漿前后單樁豎向抗壓靜載試驗。如圖5所示，試驗方法采用慢速維持荷載試樁法，試驗時預(yù)計最大加載量3 200 kN，荷載按10級劃分，逐級等量加載。

如表1，圖6(a)所示，后注漿加固前1號樁(長度10.92 m)加載到1 920 kN時，樁頂荷載-沉降(p-s)曲線出現(xiàn)明顯拐點，存在陡降段，樁頂沉降量(33.46 mm)大于前一級荷載作用下的沉降量(6.04 mm)的5倍，且樁頂總沉降量57.79 mm。類似2號樁(長度10.85 m)，最大加荷量2 240 kN，且樁頂總沉降量為46.84 mm；3號樁(長度11.65 m)，樁頂總沉降量為48.92 mm。三根樁累計沉降量均超過40 mm，滿足終止加荷條件。因此，3根工程樁在自 然含水量狀態(tài)及施工成樁參數(shù)條件下，單樁承載力特征值可分別取800 kN,960 kN和1 120 kN，均不滿足設(shè)計要求規(guī)定的1 600 kN。

采用本文的后注漿技術(shù)加固后試驗結(jié)果如圖6(b)所示，4號樁(長度10.92 m)在最大加荷量3 200 kN條件下，p-s曲線呈緩變漸降型，沒有出現(xiàn)明顯拐點或陡降段，相對應(yīng)5號樁(長度11.06 m)和6號樁(長度11.59 m)的加載試驗結(jié)果相同。3根樁的最大加荷量均為3 200 kN，加荷量為設(shè)計承載力特征值的2倍。樁端后注漿加固后的3根工程樁的單樁豎向抗壓承載力特征值可取極限承載力的1/2，即1 600 kN，滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期處理加固效果。

表1 后注漿前后單樁最大加載量及累計位移統(tǒng)計表

4 結(jié)論

1)樁端后注漿技術(shù)作為加固處理樁端土體的有效方法，可以顯著提高樁基承載力。然而在上覆空隙地層條件下，高壓注漿時漿液存在上流現(xiàn)象，不能對持力層土體進行有效注漿加固。2)提出一種適用于上覆空隙地層的充氣壓漿樁端后注漿技術(shù)，本技術(shù)通過對上覆空隙地層高壓充氣和下臥持力層高壓注漿相結(jié)合的方法，在壓力場差作用下可以定向的對持力層進行注漿加固。3)對采用本后注漿技術(shù)加固前后的樁基進行靜載試驗發(fā)現(xiàn)，處理前樁基在未達到設(shè)計最大極限承載力前位移快速發(fā)展，不符合設(shè)計要求。加固后單樁承載力顯著提高，靜壓位移曲線發(fā)展平穩(wěn)，滿足設(shè)計要求的承載力特征值。工程實踐表明，本技術(shù)科學(xué)合理，工序簡單，取得了良好的處理效果。