冲钻孔灌注桩后注浆技术及应用

王文生

(福建省地质工程勘察院，福州，350002)

1 冲钻孔灌注桩后注浆技术的引进与应用

冲钻孔灌注桩的特点在于桩长易于选取，桩径选择范围大，能适用于各种地层条件，广泛应用于各种基础工程中。但在具体的施工和应用中也会出现问题，如易出现断桩、夹泥、缩径、桩侧泥皮、桩侧地层应力松弛、桩端沉渣太厚及持力层扰动[1]等。由于成孔工艺的固有缺陷，造成冲钻孔灌注桩桩侧摩阻力与桩端端阻力作用难以正常发挥，因此在提供的桩基参数中[2]，同预制桩相比，同一地层的侧摩阻力极限值降低了10%～30%，端阻力极限值仅为预制桩的1/3～1/4。为了解决这一问题，在20世纪90年代初，后注浆技术开始在冲钻孔灌注桩施工中得到运用，使冲钻孔灌注桩承载力得到提升，后注浆技术也成为一种成熟的新型施工技术[3]。笔者通过分析总结冲钻孔灌注桩后注浆工作机理，并结合实例应用，探讨冲钻孔灌注桩后注浆技术的工作内容设计和关键问题解决。

2 冲钻孔灌注桩后注浆作用形式及效果

冲钻孔灌注桩后注浆是指冲钻孔灌注桩浇筑成桩，经过一定时间且混凝土强度达到一定要求后，通过事先埋置在冲钻孔灌注桩内的注浆导管向桩侧或桩端注入水泥浆。根据处理地层的埋深、颗粒粗细、强度、渗透性，桩长、桩径、单桩承载力提高幅度及桩的使用功能等，将冲钻孔灌注桩后注浆分为桩底注浆、桩侧注浆、桩底桩侧复式注浆等3种形式，其中桩底注浆早期比较常用。后注浆对桩端、桩侧承载力增强效应主要有4种(图1)。

图1 后注浆对桩端、桩侧增强机理示意图Fig.1 Schematic diagram of reinforcement mechanism of post grouting to pile end and pile side

(1)泥皮和沉渣的固化效应。通过水泥浆与桩底沉渣、桩侧泥皮相互作用，起到固化桩底沉渣、桩侧泥皮的作用，从而增强桩侧阻力和桩端阻力，提高单桩承载力。

(2)渗入胶结效应。通过高压使水泥浆渗入砂、砾卵石等粗粒土，使其相互作用，固化桩侧和桩端地层，提高单桩承载力。

(3)劈裂加筋效应。通过高压使细粒土(黏土、淤泥等)产生劈裂，水泥浆填充后形成类似加筋土的效果，从而改善细粒土的力学性质，提高单桩承载力。

(4)扩底扩径效应。通过注浆使水泥浆与桩侧、桩端土体相互作用，形成以桩为中心，以水泥浆有效处理范围为半径的相对扩大的桩土复合体，极大提高了单桩承载力[4]。

3 冲钻孔灌注桩后注浆技术工作的主要内容

3.1 工程调查

调查主要内容是：①处理场地位置的地形及各岩土层的地质特征；②处理地层的强度、饱和度、渗透性、腐蚀性等，必要时还需了解处理地层地下水的流速、流向等水文地质参数；③注浆对周边已有的(建)构筑物及其基础是否存在影响；④废浆排放对周边环境的影响，监测地下水位、水质在注浆前后的变化及对附近居民水源地的影响[5]。

3.2 注浆材料的选用

地层的粒径、强度、饱和度、渗透性、腐蚀性等条件是决定注浆材料的主要因素，其次是场地周边的环境条件，单桩承载力预期提高幅度以及注浆的整体效果等因素[6]。

注浆材料应满足4个条件：①浆液稠度低、黏性小、流动性好、可注性强，能够进入细小孔隙；②浆液与地层间的黏结、凝固时间易于控制；③配置的浆液稳定性好，不污染环境；④浆液固化时收缩小，能牢固与岩土黏结，易于形成结合体。

3.3 注浆参数的选择

3.3.1 注浆压力

实际工作中采用的注浆压力不是一个不变的固定值，一般根据地层粒径、级配、强度、饱和度、渗透性、注浆的部位等因素，并结合压水试验结果适当调整，由现场试注浆试验最终确定注浆压力。通常以压水试验压力作为注浆的起始压力，终压力常为初压力的2～3倍。当正常注浆压力下注浆速度缓慢时，应提高注浆压力，避免细小裂隙提前被封堵而影响注浆效果，也可增加注浆量，即为“一次升压法”。 但提高注浆压力也会使浆液在较宽的裂隙中集中流窜而造成浪费。分级分压法是指当地层吸浆量大，在正常注浆压力下很容易把浆液注入时，可降低一级注浆压力进行注浆；当注浆量逐渐减少时，再提高一级注浆压力，如此反复升高注浆压力，直至达到设计的注浆压力值，即为分级分压法，分级分压法一般分2～3级注浆压力进行施工。

3.3.2 水灰比

水灰比0.6∶1为中等浓度浆液，其加固范围为桩周边的核心部分，起充填胶结固化作用，对松散地层还起压实、挤密作用。水灰比0.4∶1为浓浆，渗透力趋弱，可注性变差，浓浆对已注浆体起脱水作用，施工中可根据设计需要添加减水剂、固化膨胀剂或早强剂。

浆液的水灰比主要根据土的粒径大小、级配、充填物、饱和度、渗透性等确定，一般情况下使用顺序是先稀后浓。对于饱合细粒土浆液水灰比宜采用0.5～0.7，对于非饱和细粒土浆液水灰比宜采用0.7～0.9，而对于松散碎石类土、砂类土宜采用0.5～0.6。施工中具体值应参考现场试注浆试验采用。

3.3.3 注浆量

估算单桩注浆水泥量公式：Gc=ap*D+as*n*D式中桩端注浆量经验系数ap=1.5～1.8,桩侧注浆量经验系数as=0.5～0.7(对于卵、砾石、中粗砂取高值)；n 为桩侧注浆断面数，D为桩径(m)。独立单桩和桩距大于6 D的疏桩，注浆量应按上式估算量乘以1.2系数。施工中实际采用的注浆参数与地层的密实度、渗透性、饱水性及注浆预期达到的效果等密切相关，因此注浆参数应根据现场试注浆试验结果，并结合地层特点、地方施工经验等进行优化并最终确定。

4 注浆施工技术要点探讨

4.1 开塞

开塞是开始注浆前的准备工作，宜在成桩2 d后，当浇注混凝土的强度达到C10～C15时进行。开塞宜使用少量清水，压力可采用设计注浆压力的一半，不宜过大，以免影响桩身混凝土强度。

4.2 注浆顺序

对于饱和土中的复式注浆顺序宜先桩侧，后桩底，可更好地保证桩底的注浆量及注浆效果；对于非饱和土宜先桩底，后桩侧，是在保证桩底注浆量的同时让桩侧尽可能的多注浆。多断面桩侧注浆宜先上后下，防止出现冒浆。桩侧、桩底注浆的时间间隔不宜小于2 h；对于群桩注浆宜先外围，后内部，才能增强群桩的整体性；对于同一承台桩，尽可能同时注浆。当注浆总量已达到设计值的75%，注浆压力超过设计值时，可终止注浆。

4.3 注浆异常时采取的措施

注浆异常时可采取措施如下：①注浆压力降低一级，减少浆液流量，降低浆液在裂隙中的流动速度，使浆液尽快与土体作用沉积；②采用浓度更高的浆液；③可根据需要添加减水剂、早强剂等外加剂，减少浆液的凝结时间；④控制注浆节奏，采用间歇注浆，间歇时间宜为30～60 sim。若有地下水的流动，宜反复间歇注浆。

5 工程实例分析

福州王庄拟建一幢45层，高140 m的住宅楼，设计要求桩径1.00 m的冲钻孔灌注桩单桩承载力极限标准值达18 000 kN。根据勘察资料，场地处代表性地层：0～10 m为淤泥，流塑；10～13 m为粉土，中密；13～15 m为中砂，中密；15～20 m为淤泥质土，流塑；20～22 m为中砂，中密；22～25 m为粉质黏土，可塑；25～27 m为淤泥质土，软塑；27～32 m为圆砾，中密-密实，大于2 mm颗粒占60%～70%，粉黏粒占5%～10%，其他为中粗砂粒，级配较好；32～42 m为卵石，密实，大于20 mm颗粒占65%～80%，粉黏粒含量小于5%，其它为中粗砂粒，级配不良；42～52 m为强风化花岗岩，碎裂状；52 m以下为中-微风化花岗岩。根据场地附近的勘察资料，施工场地下部的圆砾、卵石层的渗透系数为50～60 m/d。

根据场地附近的经验参数[7]，按1.00 m桩径的冲钻孔灌注桩进行单桩承载力估算。若选择卵石层作为桩端持力层，桩长35 m(桩端入层3 m)，估算的单桩承载力极限标准值为9 661.1 kN，约为设计极限值的53.6%，不符合设计要求。若选择中-微风化花岗岩作为桩端持力层，桩长53 m(桩端入层1 m)，估算的单桩承载力极限标准值为24 019.1 kN(理论值，未考虑桩身混凝土强度)，符合设计要求，但施工难度较大，穿越厚约10 m密实卵石层，且工期较长，基础造价较高。

按照经验，后注浆对圆砾、卵石层增强效果明显，根据前述灌注桩径、桩长及参数估算，桩下部的圆砾及卵石层的侧阻力值与端阻力值之和为5 467.4 kN，约占单根桩承载力值的56.6%，而桩中和上部地层以低-中侧阻的淤泥、粉质黏土、淤泥质土、砂等为主，估算的总侧阻力值为4 193.7 kN，约占单根桩估算承载力值的43.4%。按照规范[8]，桩中、上部地层(淤泥、粉质黏土、粉土、砂等)后注浆侧阻力增强系数值较小，βsi=1.2～2.1；桩下部圆砾及卵石层的侧阻力增强系数βsi=2.4～3.0，端阻力增强系数βp=3.2～4.0，增强系数值较大。因此可以考虑仅对桩下部圆砾及卵石层进行复式后注浆时单桩承载力能否满足设计要求，β=(18 000～4 193.7)÷5 467.4=2.52。

根据计算结果，当桩下部的圆砾及卵石层的侧阻力增强系数与端阻力增强系数均达2.52以上，或综合增强系数(β)达2.52以上时，单桩承载力值将满足设计要求。根据理论估算，采用后注浆工艺可以解决单桩承载力不足问题，注浆目标层选择灌注桩下部的圆砾及卵石层，采用冲钻孔灌注桩侧、桩端复式注浆。

为了保证桩基的可靠性、安全性，以及工程的顺利进行，各方决定在场地内选择2个不同的位置各施工一根桩(试验1#桩和试验2#桩)进行试验，验证后注浆的效果，确定后注浆增强系数值及注浆参数，为灌注桩后注浆的设计及施工提供可靠的试验依据。为了使浆液尽可能注入到圆砾及卵石层中，保证注浆效果，在桩端的卵石层中埋置2根注浆管，在桩侧设置2根注浆管，其端部埋置于圆砾层底部(卵石层的顶部)，进行试注浆，注浆情况(表1)。

表1 复式注浆施工记录

为检验注浆效果，注浆结束20 d后进行单桩承载力静载荷试验。试验加荷方式为慢速维持荷载法，每级荷载增量均为2 000 kN，最大试验荷载要求加至20 000 kN，试验进展顺利，未出现异常现象，各试桩在最大荷载作用下桩顶累计沉降小于0.05D(mm)，各试桩均未达到极限承载状态，后注浆试验桩单桩承载力试验结果(表2)。

表2 后注浆试验桩单桩承载力

根据单桩竖向抗压静荷载试验报告，在试验荷载作用下桩的总沉降量不大，Q-s曲线斜率未出现陡降，呈缓变形状态，说明桩未达到极限承载状态，且仍有加大承载的能力，根据试验结果可以确认单桩极限承载力不小于20 000 kN。根据经验估算的侧阻力值与端阻力值及静荷载试验成果可近似计算后注浆综合增强系数值如下。

β=(20 000～4 193.7)÷5 467.4=2.89>2.52(满足设计要求)

根据试验及计算结果说明该场地在卵、砾石层中后注浆效果较好，可以达到预期的单桩承载力。目前该大楼已经竣工验收，根据竣工验收报告中的沉降观测数据，累计最大沉降量为16.43 mm，最小沉降量为12.35 mm，总沉降量及沉降差均较小，且已趋于稳定，说明后注浆工艺在工程中取得较好的施工效果。

6 结语

冲钻孔灌注桩后注浆技术的应用可使得灌注桩承载力得到提升，但在应用过程中要根据后注浆增强效应机理，结合不同土层的实际情况，确定具体设计方案，同时注重灌注桩后注浆施工技术要领，才能有效解决承载力不足的问题，提高施工的经济效益。

选择的场地试验终压力并未达到桩的极限破坏状态，桩仍有加大承载的能力。由于未考虑后注浆对圆砾上部地层的增强效应，增强系数实际值应略小于计算值。项目未进行对比试验，即没有对未注浆的桩、仅桩侧注浆的桩和仅桩底注浆的桩的单桩竖向抗压静荷载对比试验[9]，因此项目试验结果还不能完全客观反应卵、砾石层注浆后的实际状态，但在实际应用中可提供借鉴和参考。

1 张忠苗.灌注桩后注浆技术及工程应用.中国建筑工业出版社，2009，9.

2 JGJ94—2008 建筑桩基技术规范.

3 屈妍.后注浆钻孔灌注桩的工程实例与探讨.宁波大学学报，2009，6(2).

4 刘金砺，祝经成.泥浆护壁钻孔灌注桩后注浆技术及其应用.建筑科学，1996.

5 Q/JY14-1999 灌注桩后注浆技术技术规程.

6 JGJ79-2012 建筑地基处理技术规范.

7 JGJ106-2014 建筑基桩检测技术规范.

8 DBJ13-07-2006 建筑地基基础技术规范.

9 高文生.后压浆灌注桩单群桩承载性状的研究.北京：中国建筑科学研究，1997.