沖鉆孔灌注樁注漿施工工法及承載力研究

胡建發(fā)

(福建省二建建設集團有限公司)

沖鉆孔灌注樁的后注漿技術將注漿管與鋼筋籠連接在一起，通過成孔作業(yè)、放置鋼筋籠，最后高壓注入水泥漿。水泥漿在壓入樁側和樁端的過程中，固化樁底沉積物和樁側泥皮，增強樁底的穩(wěn)定性，承載力得到顯著提升[1]，有效降低基礎的沉降量，在高層建筑中應用越來越廣泛。本文結合實際工程項目，分析后注漿技術提高承載力機理，研究沖鉆孔灌注樁關鍵技術。

1 項目概況

寧德天行萬安苑項目，總建筑面積為99970m2，占地面積32481m2，包括8幢18層的住宅樓、1幢17層的住宅樓及部分沿街商鋪，地下室共1 層，為停車場和設備用房。高層建筑采用框架-剪力墻結構體系，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第一組，基本地震加速度值為0.05g。建筑結構安全等級為二級，基礎為鉆孔灌注樁。沖鉆孔灌注樁適用于各種地層，可獲得較高的單樁承載力，樁身長度、樁徑選擇范圍大，樁身長度易控制，單樁承載力高，穿透能力強，能克服振動干擾和擠土效應，且對周圍建筑物影響較小。根據地質初勘數據，場地巖土體自上而下分述如表1所示。

表1 場地巖土地質數據

2 樁端后注漿技術

沖鉆孔灌注樁是高層建筑常用的基礎。樁端后注漿技術，利用壓漿機械，向持力層進行壓力注漿，水泥漿與土體結合，強化樁端承載力，固化樁底沉積物和樁側泥皮，增強樁底的穩(wěn)定性，有效解決樁底沉渣以及泥皮過厚的問題。

2.1 樁端后注漿機理

注漿前，在鋼筋籠的兩側預先埋設注漿管，然后進行加壓。樁側受壓時，樁端形成了一個球形的泥漿區(qū)，沿著四周向土體擴散，徑向擴散增大了樁徑，豎向的擴散增加了樁身長度。經過穩(wěn)定的持力層過濾后，樁身四周的土體，其滲透性大幅降低，成為具有密封性的填充區(qū)[2]。填充區(qū)形成了封閉空腔，樁身側面形成泥皮，在1～2MPa 的注漿壓力下，填充區(qū)區(qū)域穩(wěn)定，注漿結束。樁端后注漿機理如圖1所示。

2.2 樁側漿液擴散機理

樁側泥漿的擴散，可視為徑向滲流。水泥漿主要在兩個方向上滲流，一是沿樁身四周的間隙向上擴散，一是向樁身四周的土體擴散，增加樁身四周的摩阻力。水泥漿在軸向壓力的作用下，對樁側的土體造成一定的徑向收縮，水泥漿迅速填充這部分收縮，如圖2所示。

圖2 樁側漿液擴散機理

2.3 樁端后注漿提高承載力的機理

⑴后注漿技術提高樁端阻力

后注漿技術可以改善土層的密實度，沖鉆孔施工過程中，水泥漿注入持力層，使砂石滲透進松軟的土體，實現土體固化，夯實持力層[3]。壓力注漿施工，在樁端產生一個半球形的樁頂，有效的擴大樁端的承載面積，改善樁端的承載能力。水泥漿經高壓注入樁底，相當于施加預應力，極大的提高樁端力和樁側摩阻力，提高持力層的強度，使基礎的沉降均勻，減少總沉降量。

⑵后注漿技術提高樁側摩阻力

持續(xù)的注漿高壓力下，水泥漿在樁端處形成膨脹區(qū)，注漿后期，水泥漿沿著樁側的空隙向上返流，通過擠壓作用，減小泥皮對樁側阻力的影響，增加樁身與土體間的摩擦，進而增加樁側阻力[4]。在壓力作用下，水泥漿在樁身周邊形成“泥漿脈”，改善周圍土體的力學性能，提高單樁的承載力。

3 樁端后注漿承載力研究

3.1 承載力計算

后注漿鉆孔灌注樁的單樁承載力包括三個方面，加強段的樁身側阻力、不加強段的樁身側阻力和樁端球狀區(qū)的擴散阻力[5]，單樁極限承載力可按式⑴計算：

式中，R為樁身半徑，m；qi為鉆孔灌注樁的單位側阻力，kN/m2；hj為第i層土的厚度，m；r，擴大頭部的半徑，m；qj鉆孔灌注樁的單位端阻力，kN/m2；hj為后注漿增強段高度，m。

3.2 樁身長度和樁徑對承載力的影響

為了研究不同參數對單樁承載力的影響，利用Flac3D 有限元分析軟件建立數值仿真分析模型，保持樁徑為0.8m 不變，得到不同樁身長度情況下的承載力分析數據如表2所示。

表2 不同樁身長度情況下的承載力分析

與未注漿的普通樁相比，采用后注漿技術的單樁，其承載力得到顯著提升。樁身長度為5m 的單樁，承載力由420kN提升至716kN，承載力提升70.5%。隨著樁身長度的逐步提高，樁端后注漿的單樁承載力提升效果逐漸減緩，至樁身長度達到30m時，承載力提升32.7%。因此，樁身長度并非越長越好，樁底達到穩(wěn)定持力層2m 以下，可滿足工程需要。

同樣的，保持樁身長度10m 不變，得到不同樁徑情況下的承載力分析數據如表3所示。

表3 不同樁徑情況下的承載力分析

樁徑對承載力的影響，與樁身長度對承載力的影響類似，樁徑為0.6m時，普通樁的承載力為490kN，樁端后注漿的單樁承載力為830kN，提升69.5%。隨著樁徑的逐步增大，承載力的提升效果逐漸減緩，樁徑為1.5m時，承載力僅提升了24.6%，與增加的施工成本相比，性價比不突出。因此，推薦選用樁徑0.8m或1.0m。

3.3 水泥漿品質和注漿量的影響

在保持樁徑、樁長不變的情況下，彈性模量較高的水泥漿，經高壓注漿得到的單樁，可獲得較高的承載力。彈性模量Ec 分別為800MPa 和1200MPa 的荷載曲線如圖3所示，相同的樁徑條件下，彈性模量為1200MPa的混凝土樁，均大于彈性模量為800MPa 的混凝土樁，在承載力方面明顯優(yōu)于低彈性模量的混凝土樁。

圖3 荷載曲線

注漿量對承載力的影響，主要體現在灌注樁的體積上，表現為樁身長度和樁徑的組合。注漿量越多，承載力的增幅越大，隨著水泥漿的注入，注漿區(qū)域與地基的接觸越多，單樁的承載性能越好，基礎的沉降量越小。不同注漿量的沉降量曲線如圖4所示。

圖4 沉降量曲線

未注漿的樁基，其沉降量是最大的，灌注樁直徑2m，樁長2m 的地基的沉降量次之，灌注樁直徑3m，樁長3m 的地基的沉降量最小。而且，隨著荷載的逐步增大，沉降量的差異更加明顯，樁端后注漿技術的優(yōu)勢顯著。

4 鉆孔灌注樁注漿施工

4.1 沖鉆孔

沖鉆孔是后注漿灌注樁的關鍵工藝，主要包括成孔、清孔、終孔和清孔檢測等工序。

⑴成孔

成孔應保證垂直度偏差小于1%，鉆機安裝應保證水平周正。開鉆前認真校正孔位中心。成孔時，鉆機要對準已經測定的樁中心，逐漸旋進鉆孔[6]。鉆進過程中應經常測驗孔徑和孔形，嚴控成孔質量，確保鉆機平穩(wěn)。

⑵清孔

清孔的主要作用是更新已經成孔的內部泥漿以及孔內鉆渣，減少鉆孔底部的沉淀量，以防樁底的沉淀過多而影響灌注樁的承載力。清孔時應持續(xù)置換泥漿，清除孔底所有的沉淀砂土，孔底部0.5m 范圍內的泥漿含砂率應小于8.5%。

4.2 鋼筋籠制作與安裝

制作前應將鋼筋徹底去除銹蝕，并用拉直設備調直，主應力筋應采用整根鋼筋。確需接長，應采用焊接方式，焊接連接區(qū)段為35d且不小于0.5m[7]。若鋼筋籠長度大于10m，應分為若干段分別制作。分段之間的主應力筋的接頭應錯開，兩個接頭之間的間距應大于0.5m。吊裝鋼筋籠時，應對準樁孔中心，按樁位中心定位，嚴格保證鋼筋籠的垂直度。

4.3 注漿

導管埋置深度，一般為2～6m，必須連續(xù)進行壓力注漿，嚴禁中途停止施工。注漿過程中，應監(jiān)測導管內的水泥砂漿的下降情況和水位變化，及時測量混凝土面高度。注漿結束時，導管外的泥漿及所含渣土稠度增加，比重增大，可小幅度的上下串動導管，確保灌注順利進行。

5 結語

結合寧德天行萬安苑項目，分析沖鉆孔灌注樁注漿技術及工程應用，得出以下結論：

⑴樁端后注漿技術，利用壓力注漿，強化樁端承載力，固化樁底沉積物和樁側泥皮，增強樁底的穩(wěn)定性，有效解決樁底沉渣以及泥皮過厚的問題；

⑵后注漿技術的單樁，承載力得到顯著提升。隨著樁身長度、樁徑的增大，承載力提升的效果逐漸減緩，推薦工程中樁徑為0.8m 或1m，樁身長度保證樁底嵌入穩(wěn)定持力層2m 以下；相同條件下，彈性模量較高的后注漿灌注樁的承載力明顯優(yōu)于低彈性模量的樁，注漿量越多，承載力的增幅越大，基礎的沉降量越小。