桩端后注浆上返高度及桩顶冒浆处理

张忠苗,邹 健

（浙江大学 a.岩土工程研究所;b.软弱土与环境土工教育部重点实验室,杭州 310027）

桩端后注浆用于钻孔灌注桩,不仅能提高灌注桩的端承力,还能减小发挥端承力所需的位移[1-3],故广泛地应用于高层建筑、桥梁工程、高速铁路、大型地下基础的抗拔桩、基础托换、既有桩基础的补强及既有桩基础的纠偏等[4]。在桩端后注浆过程中,桩底高压浆液可能沿着桩土交界面向上爬升,从而提高了爬升高度以内的桩侧阻力[5]。若高压浆液爬升至桩顶,则造成桩顶冒浆。桩顶冒浆表现为桩顶周围向上冒气泡、稀浆或浓浆,严重时呈沸腾状。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）[6]规定桩端后注浆以注浆量作为主控因素,而桩顶冒浆将使设计注浆量无法达到。关于桩顶冒浆的成因及处理措施,目前国内外都未见报道,同时桩顶冒浆与桩承载力的关系也还有待研究。

该文在幂律型浆液平板窄缝流动模型的基础上,推导出了桩端后注浆时浆液上返高度的计算公式。在此基础上,对桩顶冒浆的成因及其影响因素进行分析,并以实际工程为依托,对桩顶冒浆的处理措施及其效果进行研究。

1 桩端后注浆浆液上返高度计算分析

钻孔灌注桩桩土间的泥皮层比桩周土更软弱[7],浆液在压力作用下有沿桩侧软弱面向上运动的趋势,此处软弱面有2个,即桩-泥皮接触面和泥皮-桩周土接触面。浆液在压力作用下,首先克服任一软弱面的阻力,顺此软弱面向上爬升,并对泥皮层和桩侧土体进行挤密,甚至破坏泥皮结构,沿桩侧形成流动通道,如图1所示。

图1 浆液沿桩侧泥皮向上爬升

1.1 基本假定

目前对桩端后注浆浆液爬升高度的理论研究还很少,中国仅有张晓炜等[8]对其进行过研究,但他们为了分析方便,将其简化为2个阶段,即假定浆液在软弱层中的运动是先流动上升,再产生挤压作用。这与实际情况有所出入,因为浆液流动孔隙的宽度直接影响到浆液流动的阻力,即影响到浆液的上返高度。该文从实际情况出发,对浆液沿桩侧薄弱层的流动做出以下假定：

2）浆液的运动粘度为常量,且在扩散过程中流型不变[9];

3）假设桩侧泥皮厚度均匀不变（对于干作业螺旋钻孔灌注桩,其泥皮厚度为零,故极少发生冒浆）,且桩身为光滑圆柱面。此时桩侧裂隙宽度为δ+u,其中δ为泥皮厚度,u为桩侧土体及泥皮的压缩量,如图2所示。

图2 浆液扩散模型

4）桩端后注浆过程中,浆液沿桩侧的流动实际上是浆液劈裂破坏桩侧土,浆液沿桩侧软弱层向上流动,浆液挤压桩侧土体3个状态的耦合。若考虑时间因素的影响,将使得求解变得极为复杂。因此文中不考虑时间因素的影响,仅对最终的平衡状态进行分析。

1.2 理论分析

1.2.1 桩侧土体的位移 对于线弹性土层,浆液对桩侧土的压缩可由柱扩张理论计算得到[10-11]。

1.2.2 浆液流动基本方程 非时变性粘性流体的本构方程为[12]：

式中：γ为剪切速率;τ为剪切应力;v为浆液流速;y为裂隙边与裂隙中心距离,为1/2裂隙宽度。

由于裂隙宽度的变化不大,可以将每一小高差段看成平板窄缝,则均匀流动方程：

1.2.3 浆液上返高度及桩顶冒浆条件 根据工程断裂力学,仅当压力大于起裂压力时,裂缝才会扩张,而由于桩侧泥皮土（桩土交界面）的粘聚力极小（仅为几千帕到十几千帕）[7],所以只要高度h处的浆液压力大于土体的水平向静止土压力p0（h）,裂隙就能继续扩张,且当浆液压力等于土体的水平向静止土压力时,即当p（h）=p0（h）时,裂隙扩展到最高处,此时的高度h即为浆液的上返高度hmax。

对式（20）进行叠代求解可得浆液上返高度,若浆液上返高度大于桩长,则发生桩顶冒浆。

2 浆液上返高度的计算分析

2.1 计算参数的选取

为了分析各因素对桩顶冒浆的影响,利用Matlab对式（20）进行计算分析,并讨论各因素对浆液上返高度的影响。假设土体为单层均质土,泊松比ν=0.35,土体重度γ=27 kN/m3,水泥浆重度γ′=17 kN/m3,静止土压力系数K0及土体变形模量E[13]的取值如表1所示。

表1 静止土压力系数K0及土体变形模量E

2.2 桩底浆液压力对上返高度的影响

当桩长H=40 m,桩径D=1m,注浆速率q=0.1 L/s（这里的注浆速度并非实际注浆速率,而是仅仅考虑沿桩侧泥皮上返的那部分浆液）,泥皮厚度 δ=1 cm,稠度系数k=1 kPa◦s,流变参数n=0.1时,不同桩底浆液压力pc下浆液上返高度hmax的值如图3。

图3 注浆压力对上返高度的影响

从图3中可以看出,随着桩底浆液压力的增大,浆液上返高度迅速增大,即越容易发生桩顶冒浆。

2.3 桩长（埋深）对上返高度的影响

在桩径D=1m,桩底浆液压力pc=2 MPa,注浆速率q=0.1 L/s,泥皮厚度δ=1 cm,稠度系数k=1 kPa◦s,流变参数n=0.1的情况下,不同桩长H下浆液上返高度hmax的值如图4。

从图4中可以看出,桩埋深（桩长）的越深,桩底注浆的上返高度越小,即越不容易发生冒浆。

2.4 桩径对上返高度的影响

图4 桩埋深对上返高度的影响

当桩底浆液压力pc=2M Pa,桩长H=40m,注浆速率q=0.1 L/s,泥皮厚度δ=1 cm,稠度系数k=1 kPa◦s,流变参数n=0.1时,桩径D对上返高度hmax的影响如图5。

图5 桩径对上返高度的影响

从图5中可以看出,随着桩径的增大,桩端后注浆上返高度也相应增大,但增大幅度很小,这说明桩径变化对上返高度的也略有影响。

2.5 泥皮厚度对上返高度的影响

当桩底浆液压力pc=2M Pa,桩长H=40m,桩径D=1m,注浆速率q=0.1 L/s,稠度系数k=1 kPa◦s,流变参数n=0.1时,桩侧泥皮厚度对上返高度的影响见图6。

图6 泥皮厚度对上返高度的影响

从图6中可以看出,随着泥皮土厚度的增加,桩底注浆的上返高度迅速增加,即桩侧泥皮越厚,越容易发生桩顶冒浆。

总的来说,桩底浆液压力越大、桩侧泥皮越厚、桩长越短,越容易发生桩顶冒浆。在实际施工中,桩侧泥皮的强度也对桩顶冒浆有一定影响,桩侧泥皮强度越低,则浆液越容易沿桩侧泥皮向上爬升。

3 桩顶冒浆工程实例

3.1 工程概况及试桩概况

杭州市奥体博览中心项目一标段——主体育场位于钱塘江南岸庆春路过江隧道南侧,西北方紧邻钱塘江,东南方为七甲河。场地土性质较差,其场地土层情况如表2所示。

表2 地基土物理力学性质指标

试桩采用泥浆护壁钻孔灌注桩,其中桩径700 mm的18根,桩端进入持力层6-2卵石层,施工桩长约40m;桩径800mm的40根,桩端进入持力层6-2卵石层,施工桩长约40m;桩径1 000 mm的8根,桩端进入持力层6-3卵石层,施工桩长约48m。采用GP-25型钻机成孔和大泵量4PN泵正循环清孔施工工艺成孔。

3.2 注浆设计参数及注浆过程中冒浆情况

由于主体育场荷载大,对差异沉降敏感,考虑到桩底沉渣的影响,必须对桩底进行后注浆,以确保成桩质量。桩底后注浆于成桩7 d后进行,桩径700 mm的桩,设计注浆量为的2.5 t,桩径800 mm桩为3.0 t,桩径1 000 mm的桩为4.0 t,采用水灰比为0.5的纯水泥浆。

在原定的注浆设计中,成桩7 d后采用清水开塞,开塞清水量为100 kg,紧接着进行桩端后注浆。前13根桩仅有7根桩达到设计注浆量,其余6根桩均因桩顶冒浆而无法达到设计注浆量,详见表3。其中部分桩注浆压力及注浆量随时间变化曲线如图7-10所示。

表3 试桩注浆记录

续表3

图7 试桩S5注浆压力和注浆量随时间变化曲线

图8 试桩S7注浆压力和注浆量随时间变化曲线

比较非冒浆桩（图10）和冒浆桩（图7-9）的注浆压力随时间变化曲线,可以发现桩顶冒浆发生时,注浆压力显著下降并维持在较低值（1 MPa以下）。这是由于高压浆液在打开桩侧通道后,沿着桩土交界面向上爬升,在桩侧通道较薄弱的情况下,浆液沿桩土交界面流动所需压力小于浆液在桩底流动所需压力。正常的桩端后注浆,其压力将波动上涨（图10）。

3.3 桩顶冒浆原因分析

根据对现场施工情况、工程地质条件进行考察研究,现将桩顶冒浆原因分析总结如下：

图9 试桩S9注浆压力和注浆量随时间变化曲线

图10 试桩S12注浆压力和注浆量随时间变化曲线

1）桩侧泥皮厚。试桩采用泥浆护壁成孔,而7～15 m深度处为砂质粉土层,该层土在施工中容易塌孔,如图11所示,为了防止塌孔,将泥浆比重提高至1.35。塌孔和较浓的泥浆造成了较厚的桩侧泥皮及桩底沉渣。现场部分桩的开挖发现,冒浆桩桩侧泥皮厚度高达5～10 cm。桩侧泥皮越厚,浆液上返高度约高,越容易发生桩顶冒浆。

2）试桩龄期短。大部分试桩于成桩7 d后就进行桩端后注浆,此时桩侧泥皮强度还比较低,高压浆液容易打开桩侧流动通道。

3）持力层可注性差。持力层中细颗粒含量较高,如表4所示。若开塞清水量不足,细颗粒将堵塞浆液在桩底的流动通道,并导致较高的注浆压力。而浆液压力越大,浆液上返高度越高,越容易发生桩顶冒浆。

图11 试桩S9（桩径700 mm）孔径检测曲线

4）桩底沉渣厚。7～15m深度处的砂质粉土层的塌孔,造成桩底沉渣较厚。无法清理掉的桩底沉渣在注浆时被水泥浆冲开并带入孔隙中,可能堵塞桩底浆液的流动通道,并导致较高的注浆压力。

3.4 桩顶冒浆处理措施

根据上述分析可知,注浆压力越大、桩侧泥皮及桩底沉渣越厚、桩侧泥皮强度越低,越容易发生桩顶冒浆。故针对该工程实际情况,采取3个方面的措施来防止冒浆的发生：

1）降低注浆压力。注浆压力与注浆节奏、持力层的含泥量及持力层可注性等因素相关。为此可以通过放慢注浆节奏、提高持力层的可注性2方面降低注浆压力。采用间歇注浆放慢注浆节奏,每注500 kg水泥,间歇20 min,使桩底注浆引起的应力消散。同时将开塞时注入清水量提高至600 kg,利用清水打通桩底通道,并防止桩底沉渣堵塞桩底通道,从而提高桩底持力层的可注性。

表4 持力层颗粒级配

2）减小桩侧泥皮及桩底沉渣厚度。选用优质粘土造浆,保证孔壁的质量。并采用换浆清孔法,进行2次清孔：第1次清孔以孔口返浆相对密度在1.2以内及孔底沉渣厚度小于100mm为控制标准;第2次清孔在吊放钢筋笼及安装灌注混凝土导管之后,以复测沉渣厚度小于100 mm为控制标准。清孔完毕,立即灌注混凝土。

3）提高泥皮强度。除了选用优质粘土造浆护壁以外,还可在第2次清孔的换浆阶段,加入5%的水泥进行循环,以提高泥皮强度。同时,待试桩浇注后15 d再进行注浆,使桩侧泥皮达到一定强度。

对于发生桩顶冒浆的试桩,参照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）,停止注浆4 h后,打开另一根注浆管,并采用间歇注浆,间歇时间为20 min,使其达到设计注浆量。

采用了以上措施对已发生冒浆的6根试桩进行复注,其中4根达到设计注浆量,详见表3。对已打好但未注浆的53根试桩,于成桩15 d后进行注浆,采用间歇注浆及提高开塞清水量的措施,大大降低了桩顶冒浆的概率,53根试桩仅有14根发生冒浆,且复注后,仅有一根未能达到设计注浆量。可见,以上措施切实可行。

3.5 桩顶冒浆对桩承载性状的影响

3.5.1 桩顶冒浆对桩极限承载力的影响 通过在桩身埋设钢筋应力计,并对注浆桩进行静载试验,对桩顶冒浆对桩承载性状的影响进行研究。3根700桩径的后注浆桩的荷载沉降曲线如图12-13所示。

图12 试桩静载试验Q-s t曲线

从图13中可以看出,发生桩顶冒浆并通过复注达到设计注浆量的桩,其承载力略高于不发生桩顶冒浆的桩。

3.5.2 桩顶冒浆对桩侧摩阻力的影响 桩侧平均摩阻力沿桩身分布曲线如图14所示。

从图14中可以看出,发生桩顶冒浆的桩,其桩侧摩阻力略高于不发生桩顶冒浆的桩。这是由于沿桩侧泥皮上返的浆液,通过劈裂、置换桩侧泥皮,使桩侧摩阻力略为提高。

图13 试桩静载试验Q-s b曲线

图14 极限荷载下注浆桩桩侧平均摩阻力沿桩身分布曲线

4 结论

1）在幂律型浆液平板窄缝流动模型的基础上,推导出了桩端后注浆时浆液上返高度的计算公式。

2）理论分析表明,桩底浆液压力越大、桩侧泥皮越厚、桩长越短,则浆液上返高度越大,也越容易发生桩顶冒浆。

3）工程实例研究表明,桩侧泥皮厚、试桩龄期短、持力层可注性差、桩底沉渣厚为桩顶冒浆的主要原因。

4）桩顶冒浆可以通过降低注浆压力、减小桩侧泥皮及桩底沉渣厚度、提高泥皮强度3方面加以预防。对于发生桩顶冒浆的试桩,可采用间歇注浆,使其达到设计注浆量。

5）发生桩顶冒浆并通过复注达到设计注浆量的桩,其极限承载力略高于不发生桩顶冒浆的桩。这是由于沿桩侧泥皮上返的浆液,通过劈裂、置换桩侧泥皮,使桩侧摩阻力略为提高。

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（编辑胡英奎）