桩底复合式后压浆桩基承载机理和施工工艺研究

王鑫玥

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

随着交通强国建设的不断推进，山区公路建设将不可避免地出现大量桥梁桩基工程。土质山区桥梁桩基多采用摩擦型钻孔灌注桩，成孔时机械振动及开挖对周围土层产生扰动，应力释放导致桩周出现一定范围的松软土，同时桩底沉积大量虚渣，难以清除，使得桩基侧摩阻力和桩端阻力难以得到有效发挥，极大影响桩基承载性能[1]。设计时出于安全考虑多采用大直径长桩或超长桩，导致混凝土、钢材等高耗能材料用量大、工程造价高、施工难度大、碳排放量多，不符合绿色低碳公路建设理念。

为改善桩基受力特性，通常在桩基灌注后采用后压浆技术进行补强[2]。目前相关规范[3-4]中的主要技术是开式注浆，即直接将浆液压入周围土层，通过浆液和土层的胶结固化作用，改良桩周土层性质，提高桩侧摩阻力和桩端阻力。闭式注浆采用较少，主要通过桩端胶囊膨胀挤压桩底虚土，提升桩端承载力。本文提出一种桩端复合式后压浆技术[5-6]，该技术继承了开式注浆和闭式注浆的优点，同时克服了两种注浆方式的缺点，通过“开式-闭式-开式”3 次复合式注浆，实现浆液的靶向精准注入，显著提升桩基承载力。

本文以山西在建汾阳至石楼高速公路工程为依托，首先分析桩基后压浆技术形式及相应的作用机理，然后通过现场复合式后压浆桩基静荷载试验研究该技术对桩基承载力的提升效果，最后提出适用于该技术的施工工艺，相关研究成果可为类似工程提供参考。

1 桩基后压浆形式及作用机理

现有桩基后压浆技术主要包括开式注浆、闭式注浆和复合式注浆。

1.1 开式注浆技术

开式注浆是当前采用最为广泛的后压浆方式，如图1 所示，通过压浆管直接将浆液注入周围土层。该技术简单可行，操作方便，应用成熟。但由于地层孔隙分布的不规律，其注浆区域可控性低，浆液在高压作用下沿砂、土、碎石层中的裂隙四处乱窜，浆液流失问题突出，导致注浆稳定性较差，注浆后桩基承载力离散性大，部分桩基承载力提升明显，部分却难以达到理想的注浆效果，承载力提升效果微弱。

图1 开式注浆技术

1.2 闭式注浆技术

桩底闭式是在钢筋笼底部安装圆形钢板胶囊，如图2 所示。钢板胶囊上开设有注浆通孔，注浆管通过注浆通道直接与胶囊内部连通，灌注桩成桩后通过注浆管向桩基底部钢板胶囊内注浆，高压浆液使胶囊膨胀，挤压桩端土层，形成桩底扩大头，类似于给瘪胎充气。该技术可以压密桩端土层，消除桩底沉渣，形成扩大头，进而提高桩基承载力。然而由于钻孔中充满泥浆，底部装有钢板胶囊的钢筋笼在下放孔底的过程中犹如实心活塞，泥浆只能从钢板胶囊和桩孔侧壁之间的缝隙上返，下部浆液产生较大向上反力，极大阻碍钢筋笼的下放过程，并且钢板胶囊沉入桩底后，孔底沉渣二次清孔困难，因此该技术在实体工程中应用较少。

1.3 复合式后注浆技术

桩底复合式后压（注）浆技术（图3）是在钢筋笼底部安装带有4 根注浆管的钢板胶囊，通过“外-内-外”3次复合式注浆，实现对浆液“定域、定量、定向”的有效控制和约束，将浆液主要集中在桩底发挥作用，进而极大提高桩端承载力。钢板胶囊采用中空环形，上面设置有U 型提手、开式注浆管和闭式注浆管，如图3a 所示。中间孔洞的作用主要是在钢筋笼下放时，方便泥浆通过孔洞向上排出，使钢筋笼较容易下放至孔底，同时可通过中间孔洞对桩底进行二次清渣。

图3 复合式注浆技术

桩底复合式后压浆技术的作用机理可归纳为以下几个方面：

a）利用水泥浆的钙化胶结作用，消除孔底沉渣，减小桩的沉降变形量，提高桩的承载力。

b）通过复合式注浆对桩底周围地层进行了压密固结和化学胶结钙化，使桩底地层强度显著提高，地层的极限承载力提高。

c）形成桩端扩大头，增加了桩端的支承面积，使摩擦桩转变为摩擦端承桩。

d）通过对桩端土体的挤密作用，使桩端附近土体对桩体产生握裹作用，同时浆液上返使桩体下部桩侧摩阻力增加。

2 现场静载试验

2.1 工程概况

汾阳至石楼高速公路是山西省“四纵十五横三十三联”高速公路网调整规划第九横的重要组成部分，该项目与国家高速公路网青银线相接，具体位置如图4所示。该项目路线全长82.364 km，其中桥梁总计55座，总长19 245.5 m。其中特大桥2 座，总长2 236 m；大中桥51 座，总长16 968.5 m；小桥2 座，总长41 m。汾石高速桥梁桩基桩端普遍坐落于密实度较大、孔隙率较小的粉土层或黏土层中，原设计为大直径长摩擦桩，桩长多在40～70 m 之间，桩径多为1.5 m 或1.8 m。桩基工程规模较大，将消耗大量的人力、物力来建设。为降低工程造价，减少资源消耗，拟采用桩底复合式后压浆技术提升桩基承载力。

图4 汾石高速项目

2.2 静载试验

为给设计变更提供依据，需开展现场桩基静载试验，研究该技术在粉土层和黏土层中的加固效果。试桩地点位于汾石高速聂生村大桥和S340 跨线桥，如图5 所示。两处桥址各施作3 根试桩，均为2 根采用复合式后压浆，1 根不注浆进行对比。试桩长度均为30 m，聂生村大桥试桩桩径1.5 m，桩端坐落在粉土层中，S340 跨线桥试桩桩径1.8 m，桩端坐落在黏土层中。

图5 汾石高速桥梁桩基复合式后压浆基桩静载试验

通过现场静载试验，得出在粉土和黏土地层中，采用桩端复合式后压浆可提高桩基承载力1.4～1.7 倍，浆液上返影响深度约8 m，说明该技术在上述两种地层中应用较好。通过该次试桩为汾石高速桥梁灌注桩桩基变更设计提供参考和依据，推动了该技术在汾石高速中的落地应用，降低了桩基工程造价，缩短了工期，提高了工程建设质量。

3 桩端复合式后压浆施工工艺

桩底复合式后压浆施工工艺流程如图6 所示。其中钢筋笼与钢板胶囊现场焊接流程包括：将底部4 根注浆管等间距布设在底节钢筋笼侧壁上，并采取一定的固定措施；将钢板胶囊平放于地面上，放底面应找平，不应有坡度或坑洼；用起重机竖直吊起底节钢筋笼，移至钢板胶囊上方；将底段注浆管插入钢板胶囊上的注浆孔，并进行接口焊接，焊缝应饱满、连续，确保混凝土灌注时不进浆，压浆时不漏浆；将钢板胶囊上的提手与钢筋笼主筋焊接，焊接过程应注意保护胶囊，避免焊渣掉落烧穿胶囊。

图6 复合式后压浆施工流程图

施工过程中应注意钢板胶囊一定要下到孔底，让胶囊与孔底沉渣和虚土紧密接触，钢板胶囊不允许悬空，否则胶囊和开式注浆管出浆口被灌注混凝土包裹，后压浆时将难以打开注浆管和胶囊，胶囊不能有效膨胀压缩桩端土层，最终导致复合式后压浆作用失效。后注浆应在桩基完整性检验合格后进行，如钢板顶面有过厚渣土堆积则视为断桩，需根据情况处理后再进行后注浆，处理措施可采用桩身或桩侧钻孔对渣土堆积段进行注浆补强。后压浆过程中，第一次开式、闭式、第二次开式注浆量宜分别为注浆总量的40%、20%和40%，注浆过程中应注意观测桩顶上抬量，采用“细流慢注、间歇注浆”的方式进行，避免桩基在高压作用下产生过大上抬。

4 结论

本文依托在建汾阳至石楼高速公路工程，开展桩端复合式后压浆技术承载机理和施工技术研究，得到如下结论：

a）桩端复合式后压浆作为一种新型桩基后压浆技术，克服了开式注浆和闭式的缺点，通过3 次复合注浆，可显著提升桩基承载性能。

b）现场试桩表明，针对汾石高速桥梁桩基桩端持力层为黏土层和粉土层时，采用复合式后压浆技术桩基承载力可提升1.4～1.7 倍。

c）施工过程中应注意钢板胶囊与钢筋笼的连接，确保连接可靠；同时注意钢板胶囊放置于孔底，不得悬空；注浆过程中应注意注浆压力的控制和注浆量的分配，同时关注桩顶位移。