钻孔灌注桩桩端后注浆施工技术应用及质量控制措施

黄义淳

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 普宁 515300)

1 工程概述

1.1 基本情况

本工程在广东省潮州市饶平县，主要目的是供水，利用韩江干流潮州供水枢纽库区意东堤河段进行地表水的抽取，通过输水管和加压泵站向钱东水厂和饶平黄冈水厂输送原水，范围包括饶平县的黄冈、大埕、海山等镇。该地区降雨主要在4—9月，平均降雨量为1712 mm。

1.2 钻孔灌注桩施工过程

该工程的钻孔灌注桩通过隔打方式进行施工，采用导管法实现水下混凝土的灌注，钢筋笼均为现场加工。在保证场地平整的基础上，通过“十字交叉法”确定桩基中心位置，并利用GPS技术获得钻孔桩中心和控制桩，二者均在监理复核后投入使用[1]。护筒由4～8 mm钢板制作而成，顶部比地面高30 cm，通过十字中心吊锤法矫正。在进行护筒埋设时，其周边和底部附近的超挖范围控制在20～30 cm，同时回填了黏土加以分层夯实，以保证钻进过程中护筒不会出现位移、泥浆漏失等现象[2]。钻机底座在安装时通过支垫确保平稳，避免发生沉陷或位移。钻架就位后，以水平尺来校正转盘和施工平台水平度，对于护筒与转盘，两者的中心偏差控制在20 mm以内。泥浆池为砖砌结构，主要作用是制作泥浆，同时在管道与泥浆泵之间达成一个循环，以对孔内的护壁泥浆进行适当地调节和补充。在护筒口与泥浆池相衔接的位置，布设了流槽，并按照一定的时间周期捞除槽内淤砂。泥浆池旁设置有互通的沉淀池，主要功能是帮助泥浆中的砂和岩渣进行沉淀。整个泥浆循环的过程如图1所示。

开钻前，在钻杆位置配备了导向装置，同时在钻进过程中，注入孔口和排出孔口泥浆比重分别控制在1.15 g/cm3和1.30 g/cm3以下，黏度范围分别是18～22和20～60。泥浆管理组织专人进行，以确保钻进需要，废浆由储浆池储存后经排污车实现外运排放[3]。正常钻进过程中，桩基混凝土终凝接近完成时才对该桩基钻孔。钻进作业均连续进行，并保证拆除和加接钻杆时快速且符合施工规范。钻孔深度必须在设计深度之上，桩位偏差控制在5 cm以内，垂直偏差小于桩长的1/200[4]。为确保钢筋骨架准确安放，采用换浆清孔法立即进行清孔处理，即到达终孔后便不再进尺，清孔后沉渣厚度在5 cm以下并且严禁超钻。钢筋笼分节制作，单面焊焊缝长在10 d以上，同一断面接头小于50%，同时确保相邻两断面间距在1 m以上[5]。为保证清孔质量，实施第二次清孔，以抽、换孔内泥浆，最大程度减少孔底沉淀厚度。完成二次清孔后，在30 min内灌注混凝土。

2 后注浆技术应用过程及策略

2.1 技术原理

在介绍工程概况及其钻孔灌注桩施工过程之后，分析后注浆技术的应用策略。后注浆技术是在混凝土成型之后，通过高压促使浆液注入灌注桩身的四周，而后浆液会充斥在桩侧周围土体间的固有孔隙内，实现一定的渗透效果。同时，由于高压会持续作用一段时间，浆液必然对泥皮造成劈裂，二者的充分结合则会加固桩周围的土体，从而增大承载力。

2.2 施工工艺

后注浆在成桩2 d后开始施工，不能晚于成桩30 d后。在成桩作业点与注浆作业之间，二者的距离保持在8～10 m以上，注浆顺序按照先桩侧后端侧进行。对于桩侧的注浆作业，按照先上后下进行，并且间隔时间控制在2 h以上。在钻孔灌注桩后通过桩底、桩侧复合方法进行压浆，注浆采用一般的硅酸盐水泥，将P·O 42.5水泥作为配比材料，经过现场试验，水灰比调配定为0.55，同时选择Φ25 mm焊管作为压浆管。水泥浆搅拌机、BW150型压浆泵、0.5 m注浆筒和10 MPa量程压力表作为主要工器具[6]。其他辅助材料包括三通、铁丝、胶带等。

2.3 施工流程

首先是注浆管的制作，将两根注浆管与钢筋笼共同下入孔内，时间节点为成孔之后。注浆管是一般的焊接钢管，上端配备管箍，并通过管堵封堵。在注浆管的下端，配备有浆阀，其底部2 m以内安放了注浆孔，呈梅花状排列，并借由编织袋绑扎。为确保注浆管底端的编织袋与注浆阀不会被打开，在下钢筋笼后，事先在混凝土灌注前添加碎石0.2～0.5 m2用以掩盖注浆阀，保护其不被混凝土所包裹。在钢筋笼中，紧紧贴在笼内侧的是注浆管，其与笼之间通过铁丝绑扎，同时管与管之间紧密相连以避免渗漏。后注浆管在笼中保持竖直。全部下放完成后，在管内注满清水，利用堵头封闭，防止混凝土浇筑过程造成的堵塞。桩身混凝土浇筑2 d之后，立即开展注浆施工，并进行预压裂通道的操作工序，以打通注浆通道[7]。而后进行压水试验，主要目的是对整个系统的完好率及密封性进行检查，验证注浆的相关参数，同时疏通注浆管，验证注浆管之间的连通性。注浆施工的主要工艺流程如图2所示。

图2 注浆施工的主要工艺流程

在注浆过程中，单桩所预设的柱状量是1.5 m3，注浆速度保持在50～75 L/min范围内，初始注浆压力为0.5～1.0 MPa，最大为3.0 MPa，正常范围在1.5～2.0 MPa之间，同时稳压时间维持在15 min附近。注浆流量在75 L/min以内，终止工作压力由注浆点深度和土层性质决定，粉土、风化岩等为5～10 MPa。注浆施工为纯压式灌浆，将其中一根注浆管与地面注浆系统相连，余下注浆管丝则保持打开状态，并压入一定的清水，对注浆腔室进行冲洗。当清水流出后，即注入水泥浆液，直到另一注浆管出现水泥浆液时才停注，随后配备以丝堵并又开始注浆，直到压力到达1.5 MPa，稳定15 min堵上。再更换了另一注浆管并添加水泥浆液，直到压力在1.8～2.0 MPa内保持15 min稳压，完成此部分注浆工作。单桩注浆量根据式(1)计算得到。

Gc=ndαs+dαp

(1)

式中：Gc为注浆量，t；n为桩侧注浆断面数；d为基桩设计直径，m；αs为桩侧注浆量经验系数；αp为桩端注浆量经验系数。注浆终止的条件有两条，满足其一即可。一是注浆压力和总量满足设计要求，二是注浆总量能够占到设计值的75%，同时满足注浆压力大于设计值的必要条件。

3 桩端后注浆施工技术质量控制措施

3.1 确定基本情况

注浆技术施工质量的保证首先需要明确其应用原则，即“压浆量把控为主，辅以注浆压力控制”。在该项技术施工前，相关管理及组织人员必须全面分析施工现场及工程项目作业条件，科学计算全部施工参数，保证各种控制指标均在合理范围内。在桩端地质主要是砾石层或卵石层时，施工过程的控制指标是注浆量，同时将注浆压力和注浆量保持在偏大范围。为进一步确保后注浆施工质量，大幅度提高单桩承载力，保证注浆质量合格，研究制定的质量控制措施基本情况如图3所示。

图3 质量控制措施的基本情况

3.2 严格过程管理

在注浆施工前就对施工方案进行编制。在编制泥浆灌注桩施工方案的同时，设置后注浆技术的专项施工方案。后注浆施工前，对后注浆工艺质量进行交底，对施工班组进行质量把控的宣传[8]。同时，根据相关规范标准，将孔深、垂直度和孔径作为重点控制对象，积极了解孔内情况，对漏水、塌孔等现象进行深度排查，以方便后注浆施工过程中相应技术措施的准确应用。对于施工现场的设备及材料，组织相应人员详细检查、验收，保证钢筋材质和水泥材质检验报告、压力表检定证书等符合规范[9]。严格把控注浆设备、注浆管制作，对高压注浆泵进行试运行，同时检查孔距、浆头长度及孔距等，特别是在安装注浆管时，确保钢筋笼与注浆管之间的连接牢固，同时封闭包裹注浆头。对注浆管的放置、对接部位漏气、漏水等情况进行严格核对，并确保上下管口封堵严实[10]。严格根据所设计的水灰比进行浆液调制，如需调整，及时向监理通报确认，按照土的渗透性和饱和度，水灰比控制在0.5～0.7范围内。整个注浆过程，严格遵循先小后大、缓慢加压要求，并把控好注浆压力，最后对所有桩的注浆情况做好详细记录，以便于问题出现时及时应对。

4 桩端后注浆技术应用效果分析

研究通过分析具体工程的钻孔灌注过程，提出了后注浆技术的实际运用流程及质量控制措施。为验证桩端后注浆技术的应用效果，研究通过Φ600 mm和Φ700 mm的桩径，分别进行3组对比试验，并在每组试验中的一个勘探孔周围安放2根钻孔灌注桩。在每2根钻孔灌注桩中，均有1根运用了桩端后注浆工艺。成桩7～10 h和24 h，分别实施首次和第二次清水劈裂。成桩5 h后实施注浆，水灰比为0.55，第一次和第二次注浆分别是总注浆量的70%和30%。

4.1 承载力对比

图4是Φ700 mm桩径注浆与未注浆的承载力对比结果。横坐标为桩号，其中1-1表示未使用后注浆技术，而带有“B”后缀的桩号则代表使用了后注浆技术。可以发现，入持力层深度为11 m和12 m的Φ700 mm未注浆单桩承载力均小于或等于入持力层深度为4 m的后注浆单桩承载力。在试桩结果的极差小于或等于平均值的30%时，单桩极限承载力即为平均值。所以Φ700 mm未注浆极限承载力是9000 kN，后注浆为10 000 kN，同时桩端后注浆与未注浆相比，桩顶位移相差较小。说明在相同承载力下，通过桩端后注浆技术实现了Φ700 mm灌注桩桩长7～8 m的缩减，即该项技术能够消除桩侧泥皮和桩端沉渣对承载力的消极影响，从而较大程度提高单桩承载力。

图5是Φ600 mm注浆与未注浆的灌注桩承载力对比结果。可以看出，3 m入持力层深度的Φ600 mm后注浆中，有2根单桩承载力分别是8150 kN和7010 kN，均高于7.5 m入持力层深度的Φ600 mm未注浆单桩承载力，仅有一根的承载力为6380 kN，低于未注浆的7820 kN。未注浆的Φ600 mm单桩极限承载力大约是6920 kN，注浆后为7170 kN，并且两者的桩顶位移相比基本相当。说明在相同承载力条件下，Φ600 mm灌注桩在后注浆技术帮助下缩减了4～5 m的有效桩长。根据桩径为Φ600 mm和Φ700 mm的后注浆技术应用与否的试验可知，桩端后注浆技术能够有效增加单桩承载力，并且减短了入持力层深度、降低了施工难度。

图5 Φ600 mm桩径注浆与未注浆的灌注桩承载力对比结果

4.2 消耗时间对比

图6表示桩端后注浆技术应用与未应用的成孔消耗时间对比。图6(a)是不同桩号的桩长统计情况，图6(b)则包含了成孔耗时、土层和岩层进尺率、土层和岩层耗时结果。可以发现，在钻孔灌注过程中，岩层进尺速率大概是1.0 m/h，土层进尺速率为4.3 m/h，在桩长不断增加的情况下，成孔效率呈逐步下降的趋势。据此可知，46 m桩长成孔施工消耗的时间大概是19 h，在应用后注浆技术后，对应承载力的桩长能够减少到39 m，同时成孔消耗时间在12.8 h左右。通过计算得到，每根桩成孔施工能够缩减6.2 h左右的时间，时间节约的比例约为32.9%。而后注浆技术是在成桩后5～7 d内应用于工程中的，并不会影响总工期，所以桩端后注浆技术能够实现桩长的减短，并极大缩短工期，从而更好满足施工要求，提高施工效率。

图6 桩端后注浆技术应用与未应用的成孔消耗时间

5 结 论

建筑工程规模的日益扩大对钻孔灌注桩施工技术提出了更高的要求。研究以广东省潮州市饶平县的某供水工程土建为对象，通过分析该工程钻孔灌注过程，提出了桩端后注浆技术的应用策略和质量控制方案，最后利用不同桩径的对比试验进行了技术应用效果的验证。结果表明，在承载力相同的情况下，Φ700 mm未注浆极限承载力是9000 kN，后注浆为10000 kN，桩长减小了7～8 m；未注浆的Φ600 mm单桩极限承载力大约是6920 kN，注浆后为7170 kN；应用后注浆技术后，成孔时间节约的比例约为32.9%，说明桩端后注浆技术应用方案有效增加了桩端阻力和单桩极限承载力，能够更好满足施工要求。