樁底復(fù)合式后壓漿樁基承載機(jī)理和施工工藝研究

王鑫玥

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

隨著交通強(qiáng)國建設(shè)的不斷推進(jìn)，山區(qū)公路建設(shè)將不可避免地出現(xiàn)大量橋梁樁基工程。土質(zhì)山區(qū)橋梁樁基多采用摩擦型鉆孔灌注樁，成孔時機(jī)械振動及開挖對周圍土層產(chǎn)生擾動，應(yīng)力釋放導(dǎo)致樁周出現(xiàn)一定范圍的松軟土，同時樁底沉積大量虛渣，難以清除，使得樁基側(cè)摩阻力和樁端阻力難以得到有效發(fā)揮，極大影響樁基承載性能[1]。設(shè)計時出于安全考慮多采用大直徑長樁或超長樁，導(dǎo)致混凝土、鋼材等高耗能材料用量大、工程造價高、施工難度大、碳排放量多，不符合綠色低碳公路建設(shè)理念。

為改善樁基受力特性，通常在樁基灌注后采用后壓漿技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[2]。目前相關(guān)規(guī)范[3-4]中的主要技術(shù)是開式注漿，即直接將漿液壓入周圍土層，通過漿液和土層的膠結(jié)固化作用，改良樁周土層性質(zhì)，提高樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。閉式注漿采用較少，主要通過樁端膠囊膨脹擠壓樁底虛土，提升樁端承載力。本文提出一種樁端復(fù)合式后壓漿技術(shù)[5-6]，該技術(shù)繼承了開式注漿和閉式注漿的優(yōu)點，同時克服了兩種注漿方式的缺點，通過“開式-閉式-開式”3 次復(fù)合式注漿，實現(xiàn)漿液的靶向精準(zhǔn)注入，顯著提升樁基承載力。

本文以山西在建汾陽至石樓高速公路工程為依托，首先分析樁基后壓漿技術(shù)形式及相應(yīng)的作用機(jī)理，然后通過現(xiàn)場復(fù)合式后壓漿樁基靜荷載試驗研究該技術(shù)對樁基承載力的提升效果，最后提出適用于該技術(shù)的施工工藝，相關(guān)研究成果可為類似工程提供參考。

1 樁基后壓漿形式及作用機(jī)理

現(xiàn)有樁基后壓漿技術(shù)主要包括開式注漿、閉式注漿和復(fù)合式注漿。

1.1 開式注漿技術(shù)

開式注漿是當(dāng)前采用最為廣泛的后壓漿方式，如圖1 所示，通過壓漿管直接將漿液注入周圍土層。該技術(shù)簡單可行，操作方便，應(yīng)用成熟。但由于地層孔隙分布的不規(guī)律，其注漿區(qū)域可控性低，漿液在高壓作用下沿砂、土、碎石層中的裂隙四處亂竄，漿液流失問題突出，導(dǎo)致注漿穩(wěn)定性較差，注漿后樁基承載力離散性大，部分樁基承載力提升明顯，部分卻難以達(dá)到理想的注漿效果，承載力提升效果微弱。

圖1 開式注漿技術(shù)

1.2 閉式注漿技術(shù)

樁底閉式是在鋼筋籠底部安裝圓形鋼板膠囊，如圖2 所示。鋼板膠囊上開設(shè)有注漿通孔，注漿管通過注漿通道直接與膠囊內(nèi)部連通，灌注樁成樁后通過注漿管向樁基底部鋼板膠囊內(nèi)注漿，高壓漿液使膠囊膨脹，擠壓樁端土層，形成樁底擴(kuò)大頭，類似于給癟胎充氣。該技術(shù)可以壓密樁端土層，消除樁底沉渣，形成擴(kuò)大頭，進(jìn)而提高樁基承載力。然而由于鉆孔中充滿泥漿，底部裝有鋼板膠囊的鋼筋籠在下放孔底的過程中猶如實心活塞，泥漿只能從鋼板膠囊和樁孔側(cè)壁之間的縫隙上返，下部漿液產(chǎn)生較大向上反力，極大阻礙鋼筋籠的下放過程，并且鋼板膠囊沉入樁底后，孔底沉渣二次清孔困難，因此該技術(shù)在實體工程中應(yīng)用較少。

1.3 復(fù)合式后注漿技術(shù)

樁底復(fù)合式后壓（注）漿技術(shù)（圖3）是在鋼筋籠底部安裝帶有4 根注漿管的鋼板膠囊，通過“外-內(nèi)-外”3次復(fù)合式注漿，實現(xiàn)對漿液“定域、定量、定向”的有效控制和約束，將漿液主要集中在樁底發(fā)揮作用，進(jìn)而極大提高樁端承載力。鋼板膠囊采用中空環(huán)形，上面設(shè)置有U 型提手、開式注漿管和閉式注漿管，如圖3a 所示。中間孔洞的作用主要是在鋼筋籠下放時，方便泥漿通過孔洞向上排出，使鋼筋籠較容易下放至孔底，同時可通過中間孔洞對樁底進(jìn)行二次清渣。

圖3 復(fù)合式注漿技術(shù)

樁底復(fù)合式后壓漿技術(shù)的作用機(jī)理可歸納為以下幾個方面：

a）利用水泥漿的鈣化膠結(jié)作用，消除孔底沉渣，減小樁的沉降變形量，提高樁的承載力。

b）通過復(fù)合式注漿對樁底周圍地層進(jìn)行了壓密固結(jié)和化學(xué)膠結(jié)鈣化，使樁底地層強(qiáng)度顯著提高，地層的極限承載力提高。

c）形成樁端擴(kuò)大頭，增加了樁端的支承面積，使摩擦樁轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ炼顺袠丁?/p>

d）通過對樁端土體的擠密作用，使樁端附近土體對樁體產(chǎn)生握裹作用，同時漿液上返使樁體下部樁側(cè)摩阻力增加。

2 現(xiàn)場靜載試驗

2.1 工程概況

汾陽至石樓高速公路是山西省“四縱十五橫三十三聯(lián)”高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃第九橫的重要組成部分，該項目與國家高速公路網(wǎng)青銀線相接，具體位置如圖4所示。該項目路線全長82.364 km，其中橋梁總計55座，總長19 245.5 m。其中特大橋2 座，總長2 236 m；大中橋51 座，總長16 968.5 m；小橋2 座，總長41 m。汾石高速橋梁樁基樁端普遍坐落于密實度較大、孔隙率較小的粉土層或黏土層中，原設(shè)計為大直徑長摩擦樁，樁長多在40～70 m 之間，樁徑多為1.5 m 或1.8 m。樁基工程規(guī)模較大，將消耗大量的人力、物力來建設(shè)。為降低工程造價，減少資源消耗，擬采用樁底復(fù)合式后壓漿技術(shù)提升樁基承載力。

圖4 汾石高速項目

2.2 靜載試驗

為給設(shè)計變更提供依據(jù)，需開展現(xiàn)場樁基靜載試驗，研究該技術(shù)在粉土層和黏土層中的加固效果。試樁地點位于汾石高速聶生村大橋和S340 跨線橋，如圖5 所示。兩處橋址各施作3 根試樁，均為2 根采用復(fù)合式后壓漿，1 根不注漿進(jìn)行對比。試樁長度均為30 m，聶生村大橋試樁樁徑1.5 m，樁端坐落在粉土層中，S340 跨線橋試樁樁徑1.8 m，樁端坐落在黏土層中。

圖5 汾石高速橋梁樁基復(fù)合式后壓漿基樁靜載試驗

通過現(xiàn)場靜載試驗，得出在粉土和黏土地層中，采用樁端復(fù)合式后壓漿可提高樁基承載力1.4～1.7 倍，漿液上返影響深度約8 m，說明該技術(shù)在上述兩種地層中應(yīng)用較好。通過該次試樁為汾石高速橋梁灌注樁樁基變更設(shè)計提供參考和依據(jù)，推動了該技術(shù)在汾石高速中的落地應(yīng)用，降低了樁基工程造價，縮短了工期，提高了工程建設(shè)質(zhì)量。

3 樁端復(fù)合式后壓漿施工工藝

樁底復(fù)合式后壓漿施工工藝流程如圖6 所示。其中鋼筋籠與鋼板膠囊現(xiàn)場焊接流程包括：將底部4 根注漿管等間距布設(shè)在底節(jié)鋼筋籠側(cè)壁上，并采取一定的固定措施；將鋼板膠囊平放于地面上，放底面應(yīng)找平，不應(yīng)有坡度或坑洼；用起重機(jī)豎直吊起底節(jié)鋼筋籠，移至鋼板膠囊上方；將底段注漿管插入鋼板膠囊上的注漿孔，并進(jìn)行接口焊接，焊縫應(yīng)飽滿、連續(xù)，確?；炷凉嘧r不進(jìn)漿，壓漿時不漏漿；將鋼板膠囊上的提手與鋼筋籠主筋焊接，焊接過程應(yīng)注意保護(hù)膠囊，避免焊渣掉落燒穿膠囊。

圖6 復(fù)合式后壓漿施工流程圖

施工過程中應(yīng)注意鋼板膠囊一定要下到孔底，讓膠囊與孔底沉渣和虛土緊密接觸，鋼板膠囊不允許懸空，否則膠囊和開式注漿管出漿口被灌注混凝土包裹，后壓漿時將難以打開注漿管和膠囊，膠囊不能有效膨脹壓縮樁端土層，最終導(dǎo)致復(fù)合式后壓漿作用失效。后注漿應(yīng)在樁基完整性檢驗合格后進(jìn)行，如鋼板頂面有過厚渣土堆積則視為斷樁，需根據(jù)情況處理后再進(jìn)行后注漿，處理措施可采用樁身或樁側(cè)鉆孔對渣土堆積段進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)。后壓漿過程中，第一次開式、閉式、第二次開式注漿量宜分別為注漿總量的40%、20%和40%，注漿過程中應(yīng)注意觀測樁頂上抬量，采用“細(xì)流慢注、間歇注漿”的方式進(jìn)行，避免樁基在高壓作用下產(chǎn)生過大上抬。

4 結(jié)論

本文依托在建汾陽至石樓高速公路工程，開展樁端復(fù)合式后壓漿技術(shù)承載機(jī)理和施工技術(shù)研究，得到如下結(jié)論：

a）樁端復(fù)合式后壓漿作為一種新型樁基后壓漿技術(shù)，克服了開式注漿和閉式的缺點，通過3 次復(fù)合注漿，可顯著提升樁基承載性能。

b）現(xiàn)場試樁表明，針對汾石高速橋梁樁基樁端持力層為黏土層和粉土層時，采用復(fù)合式后壓漿技術(shù)樁基承載力可提升1.4～1.7 倍。

c）施工過程中應(yīng)注意鋼板膠囊與鋼筋籠的連接，確保連接可靠；同時注意鋼板膠囊放置于孔底，不得懸空；注漿過程中應(yīng)注意注漿壓力的控制和注漿量的分配，同時關(guān)注樁頂位移。