灌注桩桩端注浆加固桩基施工方法

姜利华

摘要:近年来高层和超高层建筑物大量兴建,大直径灌注桩也因其具有承载力高、无挤土、无振动、适应性强等优点,深受结构工程师的青睐,并在桩基工程中得到广泛应用。本文介绍大直径灌注桩桩端注浆处理桩基质量事故的方法,探讨桩端注浆提高单桩承载力的机理,为类似工程提供借鉴。

关键词:灌注桩;加固注浆;承载力

1 前言

大直径灌注桩的质量事故时常发生,严重影响了大直径灌注桩的承载力。近几年发展起来的桩端注浆处理桩基质量事故方法不仅可以提高大直径灌注桩承载力,而且当设计合理、施工得当时能确保其质量稳定可靠。

2 实现合理的桩端注浆条件

2.1 合理的注浆设计是实现注浆目的的前提

为使桩端注浆施工合理、有效,有必要对注浆目标的土岩特性、地下水条件、地下埋设物分布状况和周围环境进行详细调查和分析,并在分析相关资料基础上进行桩端注浆设计。桩端注浆设计主要包括浆液配比,浆液浓度、注浆率、注浆量和注浆压力等参数确定。

2.2 合理的注浆工艺是实现注浆目的保证

2.2.1 注浆管埋设

桩端注浆处理大直径灌注桩需在桩中心造一注浆孔直至桩端持力层一定深度,然后埋入注浆管至孔底,并封闭孔口一定范围注浆管与孔之间空隙。

2.2.2 压水试验

压水试验不仅起到疏通注浆通道的作用,而且注浆设计的有关参数也应根据压水试验结果做相应调整。

2.3 合理控制注浆参数有利于提高桩端注浆效果

在桩端注浆过程中,注浆压力、浆液浓度、注入率和注浆量是变化的。合理的确定和控制其变化对提高桩端注浆效果十分重要。

桩端注浆压力随注浆进展呈现出由低到高的变化规律。若注浆过程中压力突然急剧下降,表明发生冒浆或漏浆现象,应在浆液中加入相应的添加剂和采取间歇灌浆措施以确保桩端注浆效果。

在桩端注浆中,浆液浓度经历了由稀浆向浓浆变化的过程。稀浆渗透性强可扩大桩端注浆加固范围,浓浆有利于提高桩端注浆加固区强度。

3 桩端注浆提高单桩承载力机理

3.1 改善持力层条件、提高桩的端承力

大直径灌注桩成孔中,对桩周土扰动降低了桩端土体强度,水的水泡软化作用又进一步加剧其强度降低。桩端注浆通过渗透、劈裂和挤密作用使桩端持力层在一定范围内形成浆液和土的结石体,从而改善持力层的物理力学性能,恢复和提高了持力层土体强度。

桩底沉碴的存在因其强度低严重影响端承力的发挥。桩端注浆通过浆液对沉碴的置换、挤密和固结作用改善或消除桩底沉碴对端承力发挥的不良影响。试验证实,桩端注浆使桩的端承力得到大幅度提高。

3.2 大幅提高桩侧摩阻力

大直径冲钻孔灌注桩桩周泥皮和人工挖孔桩护壁与桩周土体间空隙降低了桩侧摩阻力。桩端注浆在压力作用下,浆液从桩端沿桩侧向上,通过渗透、劈裂、充填、挤密和胶结作用,对桩周泥皮置换和空隙充填,在桩周形成脉状结石体,如同树根植入土中,从而使桩侧摩阻力大幅度提高。

3.3 改善持力层受力状态和荷载传递性能

桩端注浆通过渗透、劈裂、挤密和胶结作用形成桩端扩大头增大了桩端受力面积,并且注浆对持力层加固又改善其受力状态。

试验结果表明,桩端注浆后,桩侧摩阻力的提高先于桩端承力的提高。当桩端邻近土层的桩--土相对位移SZ≤SO(4～10mm)时,随荷载增加SZ增大,桩侧摩阻力提高增大,此时桩侧摩阻力提高(ΔQS)对单桩承载力提高起主导作用,而桩的端承力潜能尚未被充分发挥。当SZ>SO时,桩侧摩阻力下降,而桩的端承力提高(ΔQP)迅速增加,此后桩的端承力提高对单桩承载力提高起主导作用。

4 工程实例

4.1 实例:

某铁路公寓,主体为10层框架结构高层建筑,设人防地下室一层。桩基础设计为123根ф600～800mm钻孔灌注嵌岩桩,桩长37.9～47m,该工程位于旧钱塘江大堤上,西侧靠近贴沙河。工程地质勘察揭示,其岩石层面埋深起伏较大,场地土层分布为:

①层杂填土,成份多样,结构松散,不均匀,层厚4.4～5.1m。

②层粘质粉土,力学性质一般,层薄,可作轻型建筑的浅基础持力层,层厚1.0～2.9m。

③层粘质粉土,呈稍密状,力学性能较好,可作为多层建筑物的桩基础持力层,层厚为8.1～8.3m。

④层粉质粘土,粘土性质一般,厚度较小,不宜作为拟建建筑物的持力层,层厚2.7～3.9m。

⑤层粘土,粘土力学性质较好,厚度较大,分布稳定,层厚3.7～8.5m。

⑥层粉质粘土混砾石,力学性质好,但分布不稳定,层厚小,大部分场地缺失。

⑦层全风化凝灰岩,力学性质好,但分布不稳定,层厚小,大部分场地缺失。

⑧层中风化泥质粉砂岩,力学性质好,但层顶起伏较大,未击穿。

由于该场地岩石层面埋深起伏较大,施工方未加强控制,未以进入持力层深度为控制标高,桩基施工至后期, 中风化泥质粉砂岩埋深从29.8米左右陡降至42米左右,施工单位误把全风化凝灰岩碴样当作中风化泥质粉砂岩碴样,造成多数工程桩都落在强风化岩层全风化凝灰岩上。桩基检测结果,单桩承载力达不到设计要求。该工程共对37根桩进行桩端注浆加固处理。

4.2 工程桩承载力偏低的原因

对工程桩静载、动测和取芯检测结果分析,造成以上实例工程桩单桩承载力偏低达不到设计要求的主要原因有以下几个方面:

4.2.1 桩底持力层力学性能不良、强度低。

4.2.2 挖孔桩施工对桩周土体扰动产生应力释放降低了桩端和桩侧土体强度,地下水对桩周土体的水泡软化作用又进一步加剧其强度降低。

4.2.3 挖孔桩护壁与桩周土体之间空隙影响桩侧摩阻力充分发挥。

4.2.4 施工中现场管理和技术水平低造成桩底沉碴和桩身离析对单桩承载力影响。

4.2.5 施工中现场管理和技术水平低造成桩底沉碴和桩身离析对单桩承载力影响。

4.2.6 桩没到达设计要求的持力层。

4.3 桩端注浆工艺流程

①造孔→②高压水洗孔→③注浆管埋设→④压水试验→⑤制浆→⑥注浆→⑦达到予定注浆量和终压→⑧封孔→⑨钻孔检验。若检验合格,结束该桩补强加固。若不合格,重复①→⑨步骤直至合格为止。

4.4 注浆顺序

首先对靠近河流一侧和建筑物边桩进行注浆以达到封闭浆液外流。然后进行中间桩注浆,并加大其注浆量,以达到在控制注浆总量基础上最大限度提高注浆效果。

5 加固效益分析

5.1 静载荷试验结果对比

注浆前2根桩单桩竖向极限承载力仅为设计要求40%和60%,且桩顶沉降都超过90mm,其破坏模式均为陡降型,提示桩身砼材料破坏或桩端持力层极差。钻孔取芯结果证实,桩身砼除局部离析外,其强度基本满足设计要求,故桩端持力层差是导致该工程单桩竖向极限承载力达不到设计要求的根本原因。注浆后,由业主随机指定2根桩进行单桩竖向抗压静载试验。曲线分析得知,挖孔桩经桩端注浆处理,当加荷至设计要求最大值时,桩顶沉降量很小,均未达到极限承载力状态,表明桩端注浆对人工挖孔桩加固效果明显,满足设计要求。钻孔取芯结果证实,注浆对桩身局部离析,桩底沉碴和桩端持力层的角砾土层加固效果十分明显。

5.2 沉降观测结果及分析

从某铁路公寓沉降观测资料分析,裙楼观测点的沉降于08.5.27后趋于稳定,主楼观测点的沉降于08.9.27后趋于稳定,主楼观测点最大沉降量仅为18.6mm,其最终沉降量和沉降差均控制在规范允许范围内。该实例沉降观测结果表明,桩端注浆对桩基加固处理效果十分理想,建筑物处于稳定和安全状态。

6 结论

6.1 桩端注浆对该实例桩基加固处理为建设单位节约近三百万元资金并争取2个月以上建设工期,创造了良好的社会效益和经济效益。实践证明,桩端注浆在桩基加固处理、提高桩基综合承载力和减少沉降量方面不失为一种经济合理,技术先进的方法。

6.2 施工中合理确定和控制注浆参数对桩端注浆提高单桩承载力效果十分重要,而这又完全有赖于现场工程师和工人的经验。

6.3 桩端注浆明显改善了桩端持力层和桩周条件,提高了桩的端承力和桩侧摩阻力,改善桩荷载传递性能,使桩的综合承载力得到大幅度提高。

6.4 桩端注浆对桩侧摩阻力提高先于端承力提高发挥。当SZ≤SO时,桩侧摩阻力提高对单桩承载力提高起主导作用,当SZ>SO时,桩的端承力提高对单桩承载力提高起主导作用。

参考文献

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[4]李涛锋,王朋,王瑾.钻孔灌注桩施工中常见问题及防治措施.科技资讯出版社,2008.02.