注浆成型扩底PHC管桩设计与施工

饶 航

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200235

扩底桩通过桩底扩大头增加了有效承载面积，提高了桩基承载力，进而显著提高了材料利用效率。后注浆工艺利用钢筋笼或管桩内预先埋设的注浆管，在成桩后2～30 d内用高压泵进行高压注浆，浆液通过渗入、劈裂、填充、挤密等作用与桩体周围土体结合，固化桩底沉渣和桩侧泥皮，起到提高承载力、减少沉降等效果。

目前扩底桩多采用机械成型工艺施工，施工工艺环节多、施工设备投入大、施工质量控制难；后注浆工艺过程中水泥浆液不受约束，无序渗流造成注浆效果离散性大。针对传统扩底桩和传统后注浆工艺的缺陷，开发了扩底桩注浆成型新工艺，即注浆成型扩底桩[1-3]。

1 注浆成型扩底PHC管桩设计

1.1 注浆成型工艺原理

1.1.1 参数确定

注浆成型扩底预应力混凝土管桩既可用于承压，又可用于抗拔。桩身参数设计主要包括：注浆成型扩底PHC管桩选型、管桩拼接、扩大头的材料和几何尺寸、注浆材料和大小。

1）成孔直径：注浆成型扩底预应力管桩成孔直径不宜小于预应力混凝土管桩外径D0＋100 mm。

2）桩长：用作摩擦型抗压桩时，桩的长径比不宜大于120；用作端承型桩时，桩的长径比不宜大于100。对注浆成型扩底预应力混凝土管桩，其长径比计算时，取预应力混凝土管桩桩身直径。当桩穿越厚度较大的淤泥等软弱土层或承台底面以下有液化土层时，应考虑桩的稳定性及对承载力的影响。

3）PHC管桩选型：注浆成型扩底预应力管桩桩身强度按国标图集10G409《预应力混凝土管桩》，并应满足以下要求：

① 应选用AB型或B型、C型管桩。

② 当地下水或地基土对混凝土、钢筋和钢零部件有腐蚀作用时，不得选用外径300 mm管桩。

③ 受拉（抗拔）桩或承受水平荷载的管桩基础工程，不得选用外径300 mm管桩。

④ 注浆成型扩底PHC管桩承压时，长径比不宜大于100。当管桩穿越厚度较大的淤泥等软土层或可液化土层时，应考虑桩身的稳定性及其对承载力的影响。

⑤ 用作受拉（抗拔）桩的管桩，应根据工程情况或设计要求，除设置端部锚固筋外，应选用加厚的端板，并增大端板的焊接坡口尺寸。

4）束浆袋设计：束浆袋直径和高度可按下列规定确定：

① 束浆袋设计高度一般取6～12 m，进入中、低压缩性土层不宜小于4 m。

② 束浆袋直径D=d0＋0.4 m。d0为桩身设计有效直径，注浆成型扩底PHC桩即为管桩外径。

5）注浆设计：束浆袋内注入的水泥砂浆强度等级不应小于M5。注浆材料均应采用P.O 42.5级水泥砂浆浆液，水灰比控制在0.55～0.60之间，灰砂比不宜大于1∶1，也不宜小于1∶5。束浆袋内设计注浆量V=π(D2－d02)Lg/4，Lg为束浆袋设计高度。

1.1.2 承载力计算

1）抗压承载力计算：验算时应考虑桩身材料强度、成桩工艺、吊运与沉桩、约束条件、环境类别诸因素，除按本节有关规定执行外，尚应符合现行国家标准GB 50010—2011《混凝土结构设计规范》、GB 50017—2014《钢结构设计规范》和GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的有关规定。注浆成型扩底预应力混凝土管桩桩身结构强度Q'd应满足Q'd≤(0.75～0.85)fcApc－0.37Aσpc，fc为桩身混凝土轴心抗压强度设计值，Apc为预应力混凝土管桩桩身横截面面积，σpc为预应力混凝土管桩桩身截面上混凝土有效预加应力。

2）抗拔承载力计算：注浆成型扩底预应力混凝土管桩用于抗拔桩时，应满足下列规定。

① 对于严格要求不出现裂缝的一级裂缝控制等级预应力混凝土基桩，在荷载效应标准组合下混凝土不应产生拉应力。

② 对于一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级预应力混凝土基桩，在荷载效应标准组合下的拉应力不应大于混凝土轴心受拉强度标准值。

③ 对于允许出现裂缝的三级裂缝控制等级基桩，按荷载效应标准组合计算的最大裂缝宽度不应大于按现行行业标准JGJ 94—2008《建筑桩基技术规程》相关规定中的最大裂缝宽度限值。

3）水平承载力计算：建筑桩基单桩水平承载力的确定应符合下列要求。

① 单桩水平承载力宜通过单桩水平静载荷试验确定，水平静载荷试验按现行上海市地方标准DGJ 08-11—2010《地基基础设计规范》有关规定执行。

② 对于混凝土预制桩，可根据静载试验结果取地面处水平位移为10 mm（对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6 mm）所对应的荷载的75%为单桩水平承载力特征值。

③ 当没有进行静载荷试验时，可按现行上海市地方标准DGJ 08-11—2010《地基基础设计规范》有关规定对单桩水平承载力进行估算。

1.2 桩身构造设计

1.2.1 扩底灌注桩桩身构造设计

1）基桩形成前桩身构造包含钢筋笼、注浆扩底装置；基桩注浆扩底成型后包含钢筋混凝土桩身以及水泥砂浆浆体扩大头。其中，注浆扩底装置由扩底注浆管和束浆袋组成，扩底注浆管数量不应少于2根，设置于双层束浆袋内（图1）。

图1 扩底灌注桩注浆前桩身构造、注浆后扩大头形成示意

2）扩底PHC管桩桩身构造设计：基桩形成前桩身构造包含管桩、注浆扩底装置；基桩注浆扩底成型后包含管桩桩身、水泥砂浆包裹层以及水泥砂浆浆体扩大头。其中，注浆扩底装置由扩底注浆管和束浆袋组成，扩底注浆管数量不应少于2根，设置于单层束浆袋内（图2）。

图2 扩底管桩注浆前桩身构造、注浆后扩大头形成示意

2 注浆成型扩底PHC管桩施工技术

2.1 施工流程

注浆成型扩底PHC管桩施工并不会根本改变传统桩基的施工，而是在传统桩基施工的基础上穿插进行注浆系统加工、安装以及注浆成型等一系列工艺流程。

施工流程（图3）：测量准备→搅拌形成水泥土搅拌桩→钢管桩（PHC管桩）上安装束浆装置→安装注浆装置→静压钢管桩（PHC管桩）入水泥土搅拌桩→注浆扩底成型。

2.2 注浆成型施工技术

2.2.1 注浆系统

图3 扩底桩注浆成型施工工艺流程

注浆系统由注浆泵和注浆管路组成。注浆泵选用山东科工机械设备有限公司生产的ZB1-150型注浆泵，其最大工作压力为5.0 MPa，额定流量为80～150 L/min。注浆管选用直径1 mch（约25.4 mm）黑铁管，采用螺纹连接，接头处缠裹生料带，注浆管底端采用特殊装置密封，防止注浆管堵塞。

2.2.2 束浆装置

束浆装置呈长袋状，采用高强维纶防水帆布缝制而成。维纶防水帆布经向拉伸5 cm所需的力大于2100 N，纬向拉伸5cm所需的力大于1600 N。

2.2.3 注浆材料

注浆材料为水泥砂浆，强度不低于M5。为确保注浆施工顺利进行，水泥砂浆必须具备高流动性。为避免水泥砂浆硬化后产生大量泌水现象，影响扩底桩承载性能，水泥砂浆必须具备低泌水性。另外，为保证水泥砂浆硬化前后体积基本一致，水泥砂浆必须具备低收缩性。

3 工程应用

为了检验注浆成型扩底PHC管桩的实际应用效果，选择在上海建工医院病房楼改建项目中进行试桩试验。

3.1 桩基概况

该工程位于上海市虹口区，包含1幢6层病房楼以及1个1层地下车库。

本次试桩桩数为6根抗压桩，其中普通PHC管桩（SZ）3根；注浆成型扩底PHC管桩（SP）3根（表1）。抗压桩试桩采用φ400 mm的PHC管桩，外径为300 mm，壁厚为70 mm，普通PHC管桩桩长31 m，注浆成型扩底PHC管桩桩长28 m（图4）。

3.2 试验结果

本工程设计前抗压试桩试验加载值不小于2 000 kN。从试验结果看，与普通PHC管桩相比，注浆成型扩底PHC管桩在桩长节省3m长度的情况下，抗压承载力比较接近。

表1 静载试验结果汇总

图4 注浆成型扩底PHC管桩施工

3.3 工效与经济性

注浆成型扩底桩在上海建工医院病房楼改建项目的应用取得圆满成功，一个台班可以施工4～5根工程桩，桩基造价较传统PHC管桩降低逾30%，有力证明了注浆成型扩底桩的优异性能。

4 结语

与机械扩底成型工艺相比，注浆扩底成型工艺具有显著的优点：

1）工艺简单。桩身施工完成后，将额定的高压水泥砂浆注入束浆袋中即可在桩身底部形成扩大头。

2）设备简易。注浆成型施工主要设备为常规注浆泵，设备来源广、投入少。

3）质量可靠。注浆成型工艺环节少，只要控制束浆袋制作和水泥砂浆注入质量，施工质量就有保障。

4）成本低廉。施工设备投入少，防水帆布束浆袋、黑铁管等施工用材多为常规建筑材料，成本低廉。

5）土层适应性强。不仅适用于易成型的硬土层，也适用于软土层。

同时，通过大量的工程试验及工程应用，也证明了注浆成型扩底PHC管桩具有施工工效和承载性能高、经济性优的特点。