桩底复合式后压浆技术提高桩基承载力的应用研究

焦 清 杰， 富 志 根， 何 欧， 高 永 光

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102060；2. 北京西南交大工程技术研究院有限公司，北京 100038)

0 引 言

钻孔灌注桩作为桩基础的主要形式应用发展迅速，其工作原理是通过桩体将荷载传递到深部性能较好的土层中，作用在桩顶的荷载由桩侧面和桩端面上的阻力共同承担，通过提高桩侧面和桩端面上的单位面积阻力，或增加桩侧面积和桩端面积，均能够提高桩的承载力[1]。桩底后压浆技术就是通过增加桩端面积及提高桩端面上的单位面积阻力以提高桩基承载力的方法之一。其是利用压浆设备将改性浆液通过桩身预埋的压浆管压入到桩端(桩侧)岩土体的一种施工技术，传统桩底后压浆技术根据浆液的注入方式可分为开式压浆和闭式压浆。

开式压浆是指浆液通过压浆导管直接注入土层，由于后压浆压力较大，桩底往往以劈裂注浆形式为主，导致其浆液注域可控性低，易沿砂、土、碎石层中的裂隙随机流动，并不一定集中在桩底。针对开式压浆的缺点，闭式注浆将浆液压注到预先设置在土层的腔体中，腔体随着浆液注入会逐渐膨胀和扩大形成浆泡，浆泡对桩端沉渣和土体进行压密加固[2-3]。

然而，闭式压浆钢筋笼下放过程中因“活塞效应”影响泥浆向上排出，引起了钢筋笼下放困难的难题，故在实际工程中应用并不多。

1 桩底复合式后压浆技术简介

为改善开式压浆浆液随机流动和闭式压浆钢筋笼下放困难的问题，高永光研究团队研发了“灌注桩桩底安装中空(孔)环形钢板胶囊(腔)后注浆技术”，实现了桩底复合式后压浆。该技术是将钢筋笼底部钢板胶囊设计为环形，通过胶囊外的注浆管进行开式注浆，通过胶囊内的注浆管进行闭式注浆，利用环形钢板胶囊内环空间解决了钢板胶囊下放时的“活塞效应”。该项桩底复合式后压浆技术注浆时所采用开式-闭式-开式的注浆方式，桩底复合式后压浆(开式-闭式-开式三次压浆)见图1。

a b

(1)第一次开式压浆(图1a)，浆液在桩底靠近桩芯部位喷出，与桩底沉渣混合，并沿桩底四周绕着桩身上返。

(2)第二次进行闭式压浆(图1b)，使桩底胶囊膨胀，挤压桩端持力层，形成扩大头。

(3)第三次进行开式压浆(图1c)，此时浆液向下劈裂形成树根状水泥浆脉。

为更好地论证其加固效果与经济性，展示其良好的应用前景，针对新型桩底复合式后压浆桩的承载性能开展试验与分析研究。

2 桩基试验设计与施工

2.1 工程概况

温州市域铁路S1线灵昆车辆段上盖开发工程拟采用钻孔灌注桩，以④4卵石层作为桩端持力层，设计单桩承载力15 870 kN，原设计采用桩底开式后压浆，桩端全断面进入卵石层的深度约15 m，桩长达到80 m。因进入卵石层深度较多，钻机在卵石地层成孔效率较底，钻孔成孔需3～4 d/孔，成孔时间久，施工效率低，造成了桩底沉渣厚，桩基承载效益低等问题。场地地层与后压浆桩基桩长示意图见图2。

图2 场地地层与后压浆桩基桩长示意图

为提高灌注桩的成孔效率、缩短工期、节约工程造价，原灌注桩桩底开式后压浆优化为桩底复合式后压浆，桩端进入卵石层的深度由15 m缩短为2 m，大幅度减少了在卵石层中的成孔深度，钻孔成孔效率大大提升，提高至1 d/孔。

2.2 试验设计

该次试验在现场施做3根桩底复合式后压浆桩基，3根试桩桩长均以桩端进入卵石层2 m控制，桩长分别为69 m、70.5 m和71 m。通过现场静载试验获取桩身内力与变形数据以对桩端复合式后压浆灌注桩承载效果进行分析研究[4]。

采用正循环回旋钻机成孔和气举反循环进行二次清孔，清孔完成后混凝土采用导管水下浇筑。注浆作业于成桩后7 d进行，采用开式-闭式-开式的复合式桩底后注浆方式。

注浆控制参数主要包含注浆压力、注浆速率、注浆量等[5]，该次试桩开始注浆压力控制在1～2 MPa，最大稳定注浆压力控制在5～6 MPa左右，注浆速率控制在10～15 L/min[6]，各试桩注浆量(以干粉质量计)分别为5.5 t、5.8 t、5.0 t。

3 竖向载荷试验与结果分析

3.1 桩基检测

试验过程采用慢速维持荷载法进行，其中加载过程采用逐级等量加载，卸载过程采用逐级等量卸载，试桩加载、卸载分级情况见表1。

表1 试桩加载、卸载分级情况

3.2 荷载-沉降(Q-S)试验结果

试桩SZ1001桩基荷载-沉降(Q-S)曲线见图3，最大加载荷载值为19 486 kN。在加载量达到19 486 kN前，Q-S曲线基本光滑。而当加载量达到19 486 kN后，曲线明显陡降，该级沉降量达到16.09 mm，为前一级沉降量3.43 mm的4倍多，桩顶累计沉降量达55.67 mm，试验终止[7]，SZ1001试桩竖向抗压极限承载力可取为前一级荷载值，即18 986 kN。

图3 试桩SZ1001桩基载荷-沉降(Q-S)曲线

其他两根试桩的竖向抗压极限承载力分别为 19 486 kN、18 486 kN。该次受检的3根桩成桩条件相同，其单桩竖向抗压极限承载力检测值的极差为1 000 kN，极差为平均值(18 986 kN)的5%，取算术平均值为单桩竖向抗压极限承载力，该工程场地中桩底复合式后压浆单桩的极限承载力为18 986 kN。

根据前期完成的针对原方案的开式后压浆工艺试桩载荷试验成果可知，开式后压浆工艺试桩单桩极限承载力为11 200 kN，与此相比，采用复合式后压浆技术可提高桩基承载力约70%。

3.3 桩身内力测试结果

试验过程中记录每级荷载作用下桩顶竖向位移、不同深度处桩身应变，据此进一步确定单桩竖向抗压承载力极限值与每级荷载作用下桩身内力分布。试桩SZ1001各级荷载作用下的桩身内力见图4，试桩SZ1001各级荷载作用下桩端端阻承担荷载比见图5。

图4 试桩SZ1001各级荷载作用下的桩身内力

(1)采用复合式后压浆施工工艺使桩底土层的性质得以改善，使灌注桩更能发挥其桩侧、桩端共同承载的性质，能有效减少在卵石层中的钻孔深度，大幅度提高单桩的承载力。

(2)桩身轴力随着竖向荷载的增大而增大，且采用复合式后压浆施工工艺的试桩桩底分担荷载比例高于传统开式压浆工艺试桩。

(3)摩阻力的发挥除与荷载程度有关外，与土层的性质及桩基变形也密不可分。在荷载较小时，荷载主要由桩中上部土层提供的侧摩阻力承担，桩身下部侧摩阻力发挥很少。而随着荷载增大，下部粉质黏土、卵石层等土层将发挥较大的侧摩阻力和端阻力[8]。

(4)随着荷载增大，桩端阻力呈明显增大趋势，桩端阻力所占荷载百分比也逐渐变大，而侧摩阻力所占荷载比重则逐渐减少。因此，选择合适的桩基持力层和保障桩身下部的施工质量亦非常重要。

4 结 语

从桩底复合式后压浆加固机理出发，从桩基承载力的理论分析入手，通过工程实例，从静载荷试验曲线、桩身轴力传递等方面对桩底复合式后压浆的荷载传递性状进行分析，旨在对比分析桩底复合式后压浆工艺与传统桩底开式后压浆工艺在力学性能和成本造价方面的优势，进而展示桩底复合式后压浆工艺的良好应用前景。通过研究，采用桩底复合式后注浆专利技术可克服单一“开式”和“闭式”两种后注浆技术的不足，使桩底周围地层的强度和承载力大幅度提高。采用桩底复合式后压浆技术可减少桩基在持力层中的成孔深度，提高施工效率，降低施工难度，节约工程造价，具有较高的工程应用价值。