湿陷性黄土地层桩基后压浆技术应用与研究

范晖 雷涛 王鹏路

0 引言

后压浆技术是指在成桩后对桩端或桩侧土体进行压力注浆，在成桩时在桩底或桩侧预置压浆管路和压浆装置，待桩身达到一定强度后，通过压浆管路，利用高压压浆泵压注以水泥为主剂的浆液，压力浆液对桩端沉渣、桩侧泥皮及桩周土体起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等不同作用，改变土体的物理力学性能及桩土边界条件，从而提高了桩基的承载力，减少了沉降量。

由于黄土湿陷产生的负摩阻力对桩基的承载力是极为不利的，目前，国内外学者从负摩阻力的形成机理、计算理论进行了很多研究，并取得了很多成果，在准确计算负摩阻力的基础上通过加大桩基尺寸来消除负摩阻力的影响，是目前常见的做法。

西安市地区地表以下相当厚土层具有湿陷性，导致桩基尺寸普遍较大。例如，西安市东北二环立交原设计桩长59 m，钻孔深度达到了63 m。由此而产生了一系列问题，如钻孔机械选型困难、施工难度增大等。为了合理解决这些问题，在该工程中首次引入湿陷性黄土地层中桩基后压浆技术，通过自平衡桩基静载荷试验分析桩基承载力提高的效果。

1 工程概况

西安市东二环—北二环立交工程是利用世界银行贷款实施的西安城市综合交通改善工程，是西安市“十一五”期间的重点建设项目。

该立交场地地貌单元为渭河三级阶地，地形较平坦，地面标高介于399.94 m～403.84 m之间。场地地层自上而下依次由第四系全新统人工填土(Qml4)，上更新统风积(Qeol32)黄土、残积(Qlel3)古土壤，中更新统风积(Qeol22)黄土、冲积(Qal2)中砂、中粗砂及粉质粘土构成。据室内土工试验结果，②层，④层黄土土样自重湿陷系数 δzs＞0.015，湿陷系数 δs2.0＞ 0.015，均具湿陷性，场地自重湿陷量计算值Δzs介于42.0 mm～1 014.2 mm之间，综合判定场地属自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ级(中等)～Ⅲ级(严重)。

2 后压浆桩基承载力提高机理

浆液扩散机理随土层类别、性质、上覆压力、边界条件等而变化，可分为充填注浆、渗透注浆、劈裂注浆、挤密注浆四种情况。在实际桩端压浆过程中，并不是以某一种浆液扩散形式单独作用，而是以某种扩散形式为主，其他形式为辅，同时共同作用。

2.1 减少桩底沉渣厚度，加固桩端持力层

不管桩端土性质如何，注入的浆液与桩端沉渣混合固化，凝结成一个强度高、化学性能稳定的结石体，减少沉渣厚度。同时，浆液会沿着桩端持力层的孔隙扩散和渗透，使桩端土层强度得到明显提高，从而提高桩端阻力。对于不同的桩端土质条件，桩端压浆加固的作用机理并不完全相同。

2.2 改善桩—土界面特征

在桩端压浆过程中，随着压浆量和压浆压力的提高，在桩端以上一定高度内会沿着桩侧泥皮上渗泛出，加固泥皮、充填桩身与桩周土体的间隙并渗入到桩周土层一定宽度范围，浆液固结后调动起更大范围内的桩周土体参与桩的承载力，改善了桩土接触面的条件。

2.3 减少桩基沉降变形

在压浆压力作用下，桩端土层得到挤压密实，使桩端压缩变形部分在施工期内提前完成，减少工后的竖向压缩变形。

3 施工工艺及方法

本工程桥梁桩基为φ150 cm灌注桩，桩长45 m，全桥桩基共计340根，全部采用后压浆技术进行处理。

3.1 施工流程

准备工作→按设计水灰比拌制水泥浆→过滤后存于贮浆桶→用软管将压浆泵出浆口接至桩基压浆管上→用清水打开压浆阀，待管道畅通后再压入水泥浆→检测成桩质量。

3.2 压浆设备及压浆管安装

压浆系统主要有浆液搅拌器、带滤网的贮浆桶、压浆泵、预埋在钢筋笼内侧的压浆管和压浆阀，其中压浆泵是实施后压浆的主要设备。考虑到压浆过程中流量和压力调整方便，在该工程中选用了BW150型压浆泵，16 MPa压力表。泵的压力和流量可以随时变档调整。

贮浆桶的容量与浆液搅拌器的搅拌能力相匹配，搅拌器浆液出口设置水泥浆滤网，避免水泥团进入贮浆桶后吸入压浆泵导致堵管。

压浆管采用规格为公称口径1.5 in焊接钢管(采用国标低压流体输送用焊接管)，压浆管底部安装压浆阀，每根桩设置三根压浆管，并按120°夹角布置在钢筋笼内侧，用铁丝绑扎在钢筋笼上，同钢筋笼一起下入孔内。

也可以利用超声波检查混凝土质量的声测管作为压浆管，先声测、后压浆，既经济又方便。

3.3 水泥浆

压浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间为3 h～4 h，稠度为17 s～18 s，7 d强度不小于10 MPa。

水泥浆配合比通过试验确定。

3.4 开阀

压浆前，为使整个压浆管路畅通，先用清水压开压浆阀。开阀要逐步升压，当压力骤减、流量突增时，表明管路已经开通，必须立即停机，防止大量水涌入地下。用清水打开压浆阀的压力一般为6 MPa～10 MPa左右。

3.5 压浆

待桩体混凝土强度达到设计强度的80%并大于20 MPa后实施后压浆。压浆时将一个承台的两根桩作为一组进行，两根桩循环压浆。两根桩分别有三根压浆管，编号均是A，B，C管，先压第一根桩的A管，压浆量约占总量的70%，再压第二根桩的A管，然后依次压完第一根桩的B，C管和第二根桩的B，C管，这样就能保证每根桩的两根压浆管压浆间隔在30 min以上，给水泥浆在土层中扩散的时间。

后压浆采用压浆量和压浆压力双控，以压浆量为主，压力控制为辅。当满足下列条件之一时即可终止压浆:

1)压浆量达到 3.75 t。

2)压力超过3 MPa，压浆量未达到 3.75 t，间隔 10 min～15 min再压浆，仍压不进去，即可终止压浆。

4 后压浆桩基承载效果

通过对C-20号，C-17号试验桩(实体工程桩)进行的压浆前、后自平衡静载试验，对其效果进行了对比分析，试验结果如表1，表2所示。

表1 C-20号试桩压浆前后桩基承载能力试验结果

表2 C-17号试桩压浆前后桩基承载能力试验结果

压浆前桩基承载力均为16 875 kN，压浆后桩基承载力分别为24 068 kN，25 268 kN，提高的比例分别是 42.6%和 49.7%。

采用桩端后压浆技术后，桩端阻力提高幅度非常大，两根试验桩桩端阻力分别提高了124.3%和152.6%。

试验结果表明，C-20号，C-17号桩桩端压浆的效果良好，试桩采用的后压浆施工工艺能够大幅度提高单桩极限承载力，满足设计要求。

根据试验结果，本工程将原设计的59 m桩长缩短为45 m，通过对340根灌注桩进行的费用、工期、承载力三项指标分析，采用后压浆技术节约投资约754万元，缩短工期约57 d，产生了巨大的经济效益。

5 结语

1)钻孔灌注桩后压浆技术工艺设备简单，料广价廉，操作方法易于掌握，能显著提高钻孔灌注桩的承载力，是降低基础施工成本的有效方法和手段，具有较高的推广价值。

2)对注浆量与承载力的关系、注浆压力在不同地层条件下与注浆量的优化比、承载力的增大幅度值等都还需进一步进行量化研究。

3)由于目前国内尚无统一的后压浆技术工艺的标准规范，建议尽快组织有关专家研究讨论制定国内统一的相关技术规范，以便各单位参考使用。

［1］ 王 平，李志光，孙 浩.太原地区灌注桩后压浆技术的施工设计与应用［J］.探矿工程，2002(sup):29.

［2］ 王 兆，杨 锐.后压浆技术在灌注桩中的应用研究［J］.低温建筑技术，2004，94(1):64-66.

［3］ 龚维明，戴国亮，黄生根.大型深水桥梁钻孔桩桩端后压浆技术［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］ JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.

［5］ 西安市东北二环工程桩基自平衡静载试验报告［R］.2010.