注浆成型扩底桩施工质量的控制

纪添成

上海市工程建设咨询监理有限公司 上海 200433

扩底桩是一种承载效率极高的桩型，它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。

因此，自1909年比利时工程师艾德·福兰克诺拉（Edgard Frankignoul）发明了扩底桩及其夯扩成型工艺以来，扩底桩的施工工艺研究一直是桩基工程技术的重要研究方向，并取得了丰硕成果[1-4]。

目前，按照扩底成型方法分，扩底桩施工工艺主要分为人工挖掘成型、沉管夯扩成型和机械切削成型3种。

人工挖掘成型工艺安全风险大，已经进入淘汰阶段；沉管夯扩成型环境影响大，应用范围受到限制；机械切削成型工艺环境影响小，机械化程度高，应用最为广泛。但是机械切削成型工艺也存在一定缺陷：一是工艺环节多，钻孔完成以后还需采用专用机具扩底，施工时间长；二是扩底所需设备功能复杂，性能要求高，投入大；三是施工质量控制难，混凝土浇捣时，沉渣极易淤积在扩底部位，形成虚土，降低桩基承载力。

胡玉银等[5]针对传统扩底桩施工工艺的不足，发明了扩底桩注浆成型施工工艺，通过大量工艺试验和工程验证了该工艺的技术可行性。工程应用结果表明，注浆成型扩底桩具有地层适应性强、工艺简单、设备简易、质量可靠、环境友好和成本低廉等优点，具有良好的推广应用前景。本文结合工程实践，重点从质量管控角度谈谈注浆成型扩底桩的质量控制要点。

1 应用工程概况

本工程为上海浦江镇125-2号二期地块商办综合用地项目，位于上海闵行区浦江镇陈行路以北，江栀路以南，浦秀路以东，浦锦路以西。

本工程总建筑面积65 116.29 m2（地上＋地下），其中地上总建筑面积45 615.27 m2，地下总建筑面积19 501.02 m2，包含地下2层1 224 m2六级二等人员掩蔽所，平时作为汽车库使用。拟建项目由3幢12层小高层、14幢5层多层、16幢3层别墅、1幢3层幼儿园、2幢6层商办楼及地下车库构成（图1）。

图1 上海浦江镇125-2号地块建设模型

本工程地质勘探情况如下：拟建场地55.45 m深度范围内的地基土属第四纪全新世及上更新世沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成。

拟建场地潜水受大气降水及地表径流补给影响，地下水静止水位埋深为0.40～1.60 m，其绝对高程在3.26～4.50 m。上海市年平均地下水位埋深为0.50～0.70 m，建议低水位埋深为1.50 m，高水位0.50 m。

本工程勘察期间经在G4号取土孔内采取地下水进行水质分析，按Ⅲ类场地环境类型评价，场地内地下水对混凝土结构具有微腐蚀性；在长期浸水环境中，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；在干湿交替环境中，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋亦具有微腐蚀性；对钢结构有弱腐蚀性。

本工程地基与结构安全等级均为二级，场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，所属的设计地震分组为第一组，场地土类别为软弱场地土，建筑场地类别为Ⅳ类。本场地20.00 m深度范围内分布的③2层饱和砂质粉土属不液化土层，场地属不液化场地。

2 注浆成型扩底桩工艺原理

2.1 注浆成型工艺原理

扩底桩注浆成型工艺基于土体可塑性和压缩性比较大的力学特性，将高流动、低泌水、低收缩水泥砂浆注入预先布置在桩底的束浆袋中，束浆袋在高压水泥砂浆的作用下不断挤扩桩周土体，水泥砂浆硬化后即在桩底周围形成水泥砂浆扩大头（图2）。

图2 工艺原理

2.2 注浆成型力学机理

扩底桩注浆成型的过程是土体在注浆压力作用下受到圆柱孔扩张的过程，可以采用弹塑性力学的圆柱孔扩张理论来予以解释。扩底桩的注浆成型力学机理为：在注浆压力作用下，束浆袋周围的土体先是发生弹性变形，束浆袋随之扩张；当注浆压力达到一临界值时，束浆袋周围的土体由弹性变形状态转入塑性变形状态；随着注浆压力的进一步升高，塑性区逐步扩大，束浆袋也同时相应扩张；注浆停止以后，注浆压力不再升高，束浆袋不再扩张；束浆袋中水泥砂浆固化以后就在桩周形成突出物——扩大头，原来的等截面桩也就演变为扩底桩。

3 管控要点

本工程原桩基设计采用φ600 mm钻孔灌注桩作为办公楼桩基，桩长27 m，桩端进入⑦1灰绿-草绿色砂质粉土，单桩抗压承载力设计值为1 000 kN；采用φ600 mm钻孔灌注桩作为地下车库桩基，桩长27 m，桩端进入⑦1灰绿-草绿色砂质粉土，单桩抗拔承载力设计值为700 kN。后在业主、设计和审图单位，以及上海市城乡建设和管理委员会科学技术委员会的支持下，采用注浆成型扩底钢管桩和注浆成型扩底PHC管桩分别作为本工程的抗拔桩和抗压桩，桩长均为22 m，束浆袋长约8 m。

注浆成型扩底管桩的施工流程如下：利用钻进工艺成孔；在管桩底端安装注浆扩底装置；钻孔完成后，将安装有注浆扩底装置的管桩放入钻孔中；采用水泥砂浆通过管桩一侧的注浆管置换钻孔中泥浆；水泥浆养护完成后，将高压水泥砂浆注入扩底装置中；扩底装置在高压水泥浆作用下不断扩张，挤压强化周围土体，最终在管桩底端形成水泥浆体扩大头。

针对新桩型的工程应用[6-8]，施工过程中的质量管控，重点从以下几方面加强。

3.1 试成孔施工管理

1）桩基施工之前应试成孔，数量不少于2根。

2）成孔质量：任意断面孔径不得小于设计桩径，垂直度允许偏差不应大于1/100，孔深不小于设计孔深。

3）充盈系数：充盈系数不应小于1.0，不宜大于1.2。

4）桩位偏差：平面偏差x向和y向都不应超过50 mm，桩顶标高偏差为5 mm之内。

3.2 扩底装置安装控制

安装PVC防水布袋的目的是要实现在注浆以后形成一个扩大头，从而达到提高抗拔承载力的作用，所以PVC防水布袋的安装质量直接影响到试桩的承载力。具体施工中应注意以下问题：

1）与钢管桩和PHC管桩连接可靠：PVC防水布袋位于钢管桩和PHC管桩的底部，必须与钢管桩和PHC管桩固定牢固，避免下放时脱落，从而影响注浆质量。

2）对成品的保护：在现场操作过程中，务必保证PVC防水布袋的完整性，防止在堆放或下放过程中造成布袋的损坏，一旦损坏，必须更换。

3.3 注浆装置安装控制

为保证注浆压力，在注浆装置的出浆口处设置调压装置（即溢流阀），当注浆压力超过规定压力时，自动下调注浆压力。

同时，在管桩顶部与底部设置封板，并在顶部封板安装单向的注浆阀以及排气阀，这样能保证后续注浆时，之前的孔内水泥浆沉淀后，孔内上部的地下水能够排出（图3）。

由于试桩的桩顶标高与地面标高一致，注浆阀和排气阀可以直接与管桩封板连接，而工程桩的标高低于地面标高，所以注浆阀与溢流阀要通过镀锌钢管与管桩顶部的封板相连接，所以在工程桩的施工过程中，于下放管桩之前应当安装相应的注浆管，以便保证注浆阀和排气阀处于地面以上，方便后期注浆的施工。

图3 管桩封板及注浆管连接示意

3.4 泥浆置换及置换水泥浆养护措施

待成孔深度达到设计标高后，将安装有注浆扩底装置的管桩放入钻孔中，利用管桩内的注浆管进行泥浆置换（表1）。水泥浆通过注浆管注入孔内，用以置换泥浆的水泥浆量应考虑超灌系数1.1。泥浆置换完成后，开始水泥浆养护，在养护24 h后，方可进行扩底注浆。

表1 泥浆置换量

3.5 注浆压力及流量控制

注浆装置采用常规SVB-50-452II型压力注浆泵。将形成扩大头的水泥砂浆水灰比控制在0.55～0.60，注浆时将流量控制在5 m3/h左右。注浆速度过低，注浆时间就长，施工效率势必不高；但是注浆速度过高，水泥砂浆进入束浆袋以后来不及扩散，就容易造成束浆袋因压力迅速升高而被破坏。注浆压力一般控制在1.0～1.8 MPa，终止注浆应以注浆量和注浆压力双控原则进行控制。

3.6 桩基检测要求

3.6.1  成孔质量检测

1）工程桩成孔质量检测应随机、均匀抽检，数量不少于总桩数的10%。

2）试桩成孔质量应全部检测。

3.6.2  单桩抗拔静载试验

1）先试桩后设计：注浆成型扩底桩为一种新型桩基，每种桩型必须先进行3组静载试验，并做到地基土破坏，方可根据桩基承载力进行工程桩设计和施工。

2）施工后检测：注浆成型扩底桩为一种新型桩基，工程桩施工后，应进行不少于3组单桩静载试验进行检验，总桩数小于50根，可为2根。

3）单桩抗拔静载试验需在桩基施工完毕后28 d方可进行。

4）单桩抗拔静载试验应采用慢速维持荷载法。

3.6.3  桩身质量检测

所有PHC试桩在单桩静载试验前，且在基坑开挖至基底标高后，均应做低应变检测，以确定桩身的完整性。抽检数量不应少于总桩数的50%，且不得少于20根。

柱下三桩或三桩以下的承台抽检桩数应不得少于1根。除以上检测外，还应采用钻芯法或声波透射法对部分受检桩进行桩身完整性检测。抽检数量应不少于总桩数的20%，检测应在基坑开挖前进行。

4 结语

本文针对注浆成型扩底桩这种新桩型，从成孔、扩底装置和注浆装置安装、泥浆置换、置换后的水泥浆养护时间、注浆压力和注浆流量控制等方面提出了质量管控要点，最后给出了注浆成型扩底桩的桩基检测要求。通过一系列有效的质量管控，注浆成型扩底桩新技术成功应用于浦江镇125-2地块，并按规定进行了工程试桩。静载试验表明，抗压桩的极限承载力达到2 200 kN，抗拔桩的极限承载力达到1 500 kN，试桩结果完全满足设计要求。注浆成型扩底桩桩基施工进展顺利，一个台班可以施工4～5根工程桩，较钻孔灌注桩施工工效提高了一倍。同时，通过经济分析发现，本工程采用注浆成型扩底桩后，桩基工程造价较传统钻孔灌注桩降低逾30%。