建筑工程桩端旋喷扩大截面法补强提高单桩承载力

瞿杨，王彦文，徐锋，强洪庆

（1.江苏建研建筑技术有限公司，江苏 溧阳213300；2.中煤科工集团南京设计研究院有限公司，南京210000；3.溧阳市现代建筑设计院有限公司，江苏 溧阳213300；4.山东济铁设计咨询有限公司，济南250000）

1 既有建筑桩基承载力不足的原因分析

本场地工程地质条件特点，（4-1）层以下土层均为Q3年代，工程地质条件一般，（5-1）层以上部分土层受古河道影响，存在新近沉积Q4土层（淤泥质土和粉土），该工程地下水变化大，工程地质条件差，分布不稳定。另外，由于在勘察、设计、施工过程中存在的数据误差、评估缺陷与不当措施，造成了一些项目的桩体承载力在检测过程中不达标。就本案例，浅部淤泥质土和黏土并不是造成承载力不足的主要原因，反而在土体可塑—硬塑状态下，由于沉桩过程中，桩体的晃动会造成桩孔比桩体外径稍大一些，这样影响了侧壁摩阻力的有效发挥，且土质越硬，孔洞恢复的休止时间相对越长，这种现象越明显。相反，淤泥质土虽然侧壁摩阻力相对低，但休止恢复相对快，反而能够正常发挥摩阻力，试桩数值结果会得出相反主因，从而试桩结果反映了设计预制桩正常的承载力特性。

2 推荐优选方案

采取措施提高原桩单桩承载力，是行业人员的共同意见。对于原桩承载力差异较大（不足超过15%～20%以上），单纯后压浆处理仍然不能达到承载力要求时，采用原桩端下面旋喷处理，旋喷形成桩端扩大头，直接处理至持力层，处理深度3m。桩端下旋喷采用三重管工艺，旋喷压力不小于30MPa。旋喷效果要进行现场实测，主要测量扩大头直径。处理完成后15d 进行静载荷试验检验处理效果，达到理想承载力要求。

3 工艺原理

三重管法注浆管为三重管，分别送水、气和浆液3 种介质。在以逸20MPa 的高压水喷射流周围，伴随着一股约0.7MPa的圆筒状气流，同轴喷射冲切土体，使之形成较大的空隙，再由泥浆泵以2～5MPa 压力从内管输送喷射出浆液填充，通过浆管及喷射的旋转和提升运动，最后在土中凝固为直径较大的圆柱状固结体。

3.1 施工工艺参数

施工工艺参数如表1 所示。

表1 旋喷桩施工主要技术参数参考表

旋喷桩施工前进行试桩，根据实际情况以确定预定的浆液配比、喷射压力、喷浆量等技术参数。试桩数量不少于3 根[1]，具体位置根据现场实际情况与监理一同确定。

浆量计算：以单位时间喷射的浆量及喷射持续时间，计算出浆量，计算公式为：

式中，Q为浆量，m3；H为喷射长度，m；q为单位时间喷浆量，m3/min；茁为损失系数，通常0.1耀0.2；v为提升速度，m/min。

根据试桩参数计算所需的喷浆量，以确定水泥使用数量。

3.2 施工工法

桩端旋喷扩大截面提高单桩承载力。通过原桩孔内钻孔，深入桩端以下逸2m，然后旋喷扩大桩端，形成桩端扩大头，从而提高单桩承载力。

后压浆提高单桩承载力。为了有效发挥硬土层的侧壁摩阻力，采取桩端后压浆技术，提高桩端与侧壁摩阻力的有效发挥。旋喷扩大头处理后埋设注浆管后后压浆。

3.3 计算书

层黏土为预制空心方桩持力层，勘察报告表明，该土层孔隙比e=0.65～0.75，塑性指数Ip=16.2～16.8，液性指数Il=0.06～0.15，双桥静力触探端阻力qc=3.75MPa，预制桩的桩侧壁摩阻力qsik=92kPa，桩端极限端阻力标准值qpk=5500kPa，钻孔桩的桩侧壁摩阻力qsik=90kPa，桩端极限端阻力标准值qpk=1400kPa。（5-3）层粉质黏土预制桩的桩侧壁摩阻力qsik=72kPa，以J5 勘探点计算。

3.4 后台准备

后台拌浆系统主要包括散装水泥罐、浆液搅拌桶、浆液储藏桶、高压注浆泵、空压机、发电机组等，占地长度约12.0～15.0m，宽度约4.0m。

1）水泥罐容量50t，每个后台设置1 个水泥罐，单机每天水泥用量40～50t，早晚运送1 次水泥。

2）采用1 台超高压注浆泵，注浆管有效长度约150m，对于长距离，可以采用注浆接力方式。移动一次高压注浆泵，水泥罐位置尽量不动。采用低压泵倒运水泥浆液。

3）采用螺旋管输送水泥至搅拌桶，搅拌桶水泥浆液自流至储灰桶内，用注浆泵泵至搅拌头。

4）后台需要搭设防晒防雨、防尘棚。

5）水泥罐车充水泥时，应将通气管深入到搅拌桶中，防止水泥尘外泄，污染环境。

3.5 旋喷施工

旋喷桩机下垫钢枕木，保证设备底盘水平，机架垂直；桩位对中误差小于5cm，导向机架垂直度小于1%；带水旋喷成孔，成孔钻进速度1.2～1.5m/min；旋喷桩进途中遇到硬层或障碍物，则增加附加压力并慢速慢进；特殊情况下另行处理；进入设计深度时原地旋喷15s，开始喷浆和喷气；严格控制浆液配比：水灰比W/C=1.0，浆液比重1.25，以C=100kg 水泥为基准，需要水W=100kg，浆液量V100=160L；根据搅拌桶容积确定每次搅拌以300kg 水泥为基准，浆液量V300=480L；旋喷提升速度v=15cm/min，旋转速度10r/min，喷浆速度45kg 水泥/min，折合浆液量23L/min，选择BW50 型注浆泵（额定注浆量50L/min）合理；喷浆应均匀、稳压；每排横隔桩3 根，间距2.8m。每完成一排则移动一次，然后将钻机移位。

4 后压浆标准工艺

4.1 工程调查

工程调查解决3 个问题：（1）地层是否据有可注性；（2）地层注浆时，需要何种浆液材料，采用多大压力，注多少浆液，一般通过试注来确定；（3）预计注浆后的强度增加效果。

工程调查的主要内容：（1）注浆区的地质构造及浆液可能流失的通道和空穴；（2）地质分层及需要注浆处理地层的土质或岩性特征；（3）调查需要处理地层的强度或渗透程度；（4）调查构筑物的损害程度和注浆会对周围构筑物的影响；（5）调查注浆过程中，废浆排放对环境的影响、注浆后地下水位的变化对邻近居民饮水及灌溉的影响。

4.2 注浆材料的性能和选择

决定因素：（1）土质条件；（2）环境条件；（3）注浆目的与预期效果。

理想的注浆材料要求：（1）浆液黏性低，流动性与可注性好，容易渗透孔隙和粉细砂砾层；（2）浆液凝固时间能够准确控制；（3）浆液的稳定好；（4）浆液无毒、无臭、不污染环境；（5）浆液对注浆设备、管路损伤小，并且容易清洗；（6）浆液固化时收缩小，并能牢固与岩土黏结；（7）浆液结石率高，易于形成结合体；（8）结合体耐态化性能好；（9）注浆材料的粒度较细，易于扩散流动；（10）浆液配置方便，操作容易掌握，原材料来源丰富，且价格便宜。

注浆浆液要求：通常桩底注浆采用水灰比0.4耀0.6 的纯水泥浆，对渗透性好的地层可掺入膨胀剂或注水泥砂浆。

4.3 施工参数与施工设备

施工参数：（1）注浆量：（2）注入率：（3）注浆压力：（4）注浆速度。注浆压力是施工效果好坏的关键因素之一，注浆压力的确定要考虑下列3 方面：（1）最终注浆压力要小于桩上抬的摩阻力，即注浆时不能使桩向上严重位移；（2）最终注浆压力要尽可能使桩端、桩身混凝土少破坏；（3）最终注浆压力要使注浆量达到设计要求，形成扩大头，使桩端加固明显。

施工设备包括：（1）注浆泵：电动往复式泥浆泵，最大压力达10MPa 以上，排浆量大（5m3/h 以上)；（2）拌浆装置：（3）输浆管。

4.4 后注浆工艺技术

4.4.1 注浆管设置与制作

注浆管设置与制作应注意：（1）注浆管采用直径为25～50mm 的钢管；（2）用榔头将钢管底端砸成尖形开口；（3）距底端约30mm 钻若干小孔，并在小孔放图钉（单向阀作用），再用绝缘胶布加胶带包裹；（4）钢管可作为钢筋笼的1 根主筋，用丝扣连接或者外加短套管电焊。

4.4.2 桩端后注浆工艺技术

桩开始注浆时间与压水试验(开塞)应注意：（1）注浆时间宜在混凝土初凝（7～15d）后进行。过早，会破坏桩体本身；过晚，不容易打开注浆通道；（2）成桩后至灌浆前，应进行压水试验，以疏通注浆通道，即进行开塞，提高桩底可灌性；（3）压水开塞一般用清水，按2～3 级压力逐级进行，压水量一般控制在0.6m3，开塞压力一般小于8MPa。

浆液浓度应注意以下几方面：（1）稀浆（水灰比逸0.8），渗透力强，便于加固预定范围周边地带；（2）中等浓度浆液（水灰比0.5～0.8），加固预定范围的核心部分，起充填、压实、挤密作用；（3）浓浆（水灰比0.3～0.5），对已注浆体起脱水作用，最后注入浓浆可掺加减水剂（木钙）、固化膨胀剂（UEA）和早强剂（石膏）；（4）一般是先稀后浓，即水灰比从0.6 开始，渐变为0.4。

注浆量控制应考虑：（1）注浆量是主控因素；（2）应由桩端、桩侧土层类别、渗透性能、桩径、桩长、承载力增幅要求、沉渣量、施工工艺等因素控制；（3）一般砂砾石层注浆水泥量经验参数表。

注浆压力控制从以下几方面进行：（1）将水泥浆通过高压泵（要求最大压力达10MPa 以上）压入地下被注土层中；（2）初注压力较小，浆液由稀到稠；（3）关注注浆压力、注浆量和注浆皮管变化，并控制注浆节奏；（4）用百分表监测桩的上抬量；（5）容许注浆压力与地层密度、渗透性、初始应力、钻孔深度和位置；（6）土层渗透性好，注浆压力较低，一般在4MPa 以下；（7）土层渗透性差，注浆压力较高，可达4～10MPa 注浆节奏与终止条件。

注浆时应注意：（1）为使有限浆液尽可能充填并滞留在桩底有效空间范围内，应实行间歇；（2）间歇时间长短可依据压水试验确定；（3）短桩，桩底注浆会出现上冒，应在冒浆后停止几个小时，待桩周浆液；（4）单管注浆量全部达到设计要求可以终止注浆；（5）第1 根管未达到注浆量设计要求，第2 根达到也可终止注浆；（6）2 根均未达到，但注浆压力达10MPa，且稳定5min 以上，可以终止；（7）桩体发生上抬，终止注浆。

4.4.3 注浆效果检测

注浆效果检测应注意：（1）由于桩端后注浆属于地下隐蔽工程，对其进行完整的注浆效果检测难度较大；（2）除了在注浆过程中严格遵守注浆规程外，对其注浆效果检测一般是对注浆桩抽样进行静载荷试验，并与未注浆桩进行对比；（3）对深度不大的桩，也可以采取钻芯取样的方法。

5 旋喷扩大头+后注浆

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》后压浆灌注桩理念，预制桩侧壁相当于干作业桩，桩侧增强段长度6.0m，黏性土侧壁增强系数茁si=1.4～1.8，扩大头桩端相当于是钻孔桩底，增强系数茁p=2.0～2.5，按照地质报告的设计参数计算：

原桩桩端以上6.0m 范围内的侧壁极限摩阻力为：

原桩桩端极限端阻力为：

处理后桩端以上6.0m 范围内的侧壁极限摩阻力为：

处理后桩端极限端阻力为：

处理前6.0m 范围内的侧壁极限摩阻力与极限端阻力=2250kN；

处理后6.0m 范围内的侧壁极限摩阻力与极限端阻力=3463kN；

处理后极限承载力提高幅度=3463-2250=1213kN。

6 结语

本次施工采用了桩端旋喷扩大截面法以提高单桩的承载力来完成对基础的补强并以此来满足对建筑物所需要的地基承载力，从而避免了基础承载力不够而进行返工所造成的一系列损失以及工期延误和建筑不安全所带来的不良社会影响及不必要的损失，从而对施工方进一步帮助其完善施工并节约施工工期带来了巨大的影响，因而帮助其取得了良好的社会效益。