鉆孔灌注樁樁端后注漿樁技術的作用機理分析

【摘 要】鉆孔灌注樁樁端后注漿樁技術能改善土體的物理力學性能及樁土間邊界條件，提高樁的承載力，減少沉降量，并提高樁身質量和樁承載力可靠性，因此，是一種科學、先進的技術方法，據此，本文就其具體的作用機理進行了深入地分析，謹供大家作參考之用。

【關鍵詞】鉆孔灌注樁樁端后注漿樁技術；力學和化學機理；擴散機理

1 鉆孔灌注樁樁端后注漿樁技術概述

鉆孔灌注樁樁端后注漿樁是指灌注樁成樁時，在樁底或樁側預置注漿管路和注漿裝置，待樁身達到一定強度后，通過注漿管路，利用高壓注漿泵壓注以水泥為主劑的漿液。根據漿液性狀、土層特性和注漿參數等不同，壓力漿液對樁端沉渣、樁側泥皮及樁周土體起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結等不同作用，對孔底沉渣和樁側泥皮進行固化，從而消除傳統(tǒng)灌注樁施工工藝所固有的缺陷，改善土體的物理力學性能及樁土間邊界條件，提高樁的承載力，減少沉降量，并提高樁身質量和樁承載力可靠性，因此，是一種科學、先進的技術方法。

2 鉆孔灌注樁樁端后注漿力學和化學機理

樁端注漿不但使樁端阻力因土層加固而提高，還使樁側阻力提高，這是因為樁入持力層一般有一定深度，樁底注漿使“嵌巖段”側阻明顯提高，另外，漿液沿樁壁泥皮向上滲透也使部分樁側土得到加固。

可以看出，樁端注漿作用的機理可分為力學機理和化學機理。樁端注漿的力學機理一般可劃分為填充注漿、擠密注漿、滲入注漿和劈裂注漿，對于不同的注漿對象與工藝參數，其力學機理往往是不同的。樁端注漿的化學機理是指化學漿液在樁端發(fā)生固結硬化作用，從而提高樁基承載能力。水泥與砂礫石拌和后，水化產生Ca(OH)2和CSH(水化硅酸鈣)等水化物。溶液中的CA2+含量增加，與土顆粒發(fā)生陽離子交換作用，等當量置換出K+，Na+，形成水泥與砂礫石的團粒結構，并封閉了礫石層之間的空隙，形成堅固的聯(lián)結，即我們通常所說的混凝土。另外水泥土中的Ca(oH)2與土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3，這種反應也能使礫石層增加強度。

總的來說，漿液加固土體的作用機理可概括為:化學膠凝作用、充填膠結作用、離子交換作用、加筋效應、固化效應。

3 注漿漿液擴散機理

漿液擴散機理隨土層類別、性質、漿液粘度、注漿壓力及注漿時間、上覆壓力、邊界條件等而變化，一般可分為填充注漿、擠密注漿、滲入注漿和劈裂注漿四種情況。在實際注漿過程中，漿液擴散并非僅僅一種形式，而是以一種或兩種擴散形式為主，其它形式為輔，或同時作用。

3.1 填充注漿

填充注漿是指注入的漿液填充到樁端大孔隙的土層內的注漿形式。如在孔隙較大的卵石層、碎石層、砂礫層中，注漿一般以填充注漿為主，漿液固結形態(tài)與土層內原有的孔隙相同。

3.2 擠密注漿

擠密注漿是指注漿時把粘稠的漿液用一定的壓力壓入到樁底土層內，取代并擠密注漿點的土體，在注漿管端部附近形成“漿泡”。經研究證明，擠密注漿時，向外擴張的漿泡將在土體中引起復雜的徑向和切向應力體系，緊靠漿泡處的土體遭到嚴重破壞和剪切，并形成塑性變形區(qū)，在此區(qū)內土體的密度可能因擾動而減小;離漿泡較遠的土則基本上發(fā)生彈性變形，因而土的密度有明顯的增加。擠密注漿常用于中砂地基，或有適宜排水條件的粘土地基。

3.3 滲入注漿

3.3.1 原理

滲入性注漿時，漿液在壓力作用下，克服漿液流動的各種阻力，滲入到樁底土層的孔隙或巖土裂隙中，排出孔隙中的自由水和氣體。漿液凝固后，把土顆粒粘接在一起，形成水泥土結石體，使土層的抗壓強度和變形模量得以提高。相對而言，滲入注漿的注漿壓力較小，通常只發(fā)生于中砂以上的砂性土和有裂隙的巖石。

3.3.2 漿液可注的條件

實現(xiàn)滲入性注漿工藝的基本要求是漿材顆粒尺寸應遠小于被滲入地層的孔隙或裂隙。當注漿材料的顆粒尺寸d小于土的有效孔隙尺寸Dp，即D=Dp/d>1時，表明土體具有容納漿粒的空間，漿液才是可灌的。但是在注漿過程中，如果漿液濃度較大，材料往往以兩粒或多粒的形式同時進入孔隙，出現(xiàn)“擠粒”現(xiàn)象，導致滲透通道的堵塞。因此，還必須考慮群粒堵塞作用帶來的附加影響。

研究表明，設土層中粒徑級配曲線中含量為15%的顆粒粒徑為D15，漿材的粒徑級配曲線中含量85%的顆粒粒徑為d85，當N=D15/d85≥5(N值一般為15~25時)，漿材對該土層是可滲透的，可以發(fā)生滲入注漿。

對普通水泥漿而言，其顆粒粒徑范圍為0.06~0.lmm，根據計算公式，土層的滲透系數要求大于5×102cm/s時，漿液才能直接以滲透方式進入土層。工程實踐中，符合上述條件的，僅包括中砂、粗砂、礫石等少數土層。

3.4 劈裂注漿

劈裂注漿是指漿液在壓力作用下，克服地層的初始應力和抗拉強度，引起土體結構的破壞和擾動，使其在沿垂直于小主應力的平面上發(fā)生劈裂，使地層中原有的裂隙或孔隙張開，形成新的裂隙或孔隙，漿液進入到孔隙中，形成縱橫交叉的脈狀網絡。在漿液沿劈裂脈滲透注入地層過程中，由于漿液的可注性和擴散距離增大，要求灌漿的壓力也相對較高。

劈裂注漿常發(fā)生在樁端持力層為細粒土(粘性土、粉土、粉砂、細砂等)時。

4 樁端后注漿法提高樁豎向抗壓承載力的作用機理

4.1 樁端持力層為粗粒土時的作用機理

在粗粒土(孔隙較大的中砂、粗砂、卵石、礫石)的樁端持力層中注漿時，由于漿液滲入率高，漿液主要通過滲透進入持力層，并產生擠密、填充及固結作用。漿液凝固后把土顆粒粘接在一起，可以大幅度地提高持力層擾動面及持力層的強度和變形模量，并形成水泥土結石體擴大頭，增大樁端受力面積，提高樁端阻力，從而使樁墓承載力大幅度提高。同時，當粗粒土密實度較大，注漿壓力較高時，在樁端注漿過程中樁身還會發(fā)生上抬現(xiàn)象，這種使樁上抬而產生的反向摩阻力，這個力的作用對提高樁豎向承載力會有一定的好處。

影響漿液擴散范圍的因素有地層的孔隙或裂隙(或滲透系數)、漿液粘度、注漿壓力及注漿時間等。

4.2 樁端持力層為細粒土時的作用機理

在細粒土(粘性土、粉土、粉砂、細砂等)的樁端持力層中注漿時，由于漿液滲入率低，漿液擴散形式為劈裂注漿。漿液沿劈裂脈滲透注入地層，因此漿液的可注性和擴散距離增大，在此狀態(tài)下，由于劈裂漿脈的存在，使單一介質土體被網狀結石體分割加筋成復合土體，提高樁端土體密度并能有效地傳遞和分擔荷載，從而提高樁端阻力。

4.3 樁端持力層為基巖時的作用機理

在非滲透性中等以上風化基巖的樁端持力層中，樁端的注漿由于受圍巖的約束，壓力漿液通過滲透填充到沉渣孔隙中，形成漿泡，擠壓周圍沉渣顆粒，使沉渣間的泥漿充填物產生脫水、固結。在注漿壓力足夠大的情況下，甚至會產生劈裂注漿和擠密效應。這對樁基的承載力的提高有著很大的幫助。

4.4 其他作用機理

4.4.1 固結樁端虛土

填充樁端沉渣形成的虛土及受泥漿浸泡而松軟的樁端持力層，隨著注漿量的增加及注漿壓力的提高，水泥漿液的滲透等作用及發(fā)生的物理化學反應，在樁端形成一個結構新、強度高、化學性能穩(wěn)定的梨形結石體。由于壓力升高對樁端持力層起到壓密作用，提高了樁端土體的承載力，同時，由于在樁端形成了梨形體，增加了樁端的承壓面積，提高了泥漿護壁鉆孔樁的樁端阻力，從而提高樁基承載力。

4.4.2 增大樁端受力面

在水泥漿液的壓密作用下，樁端土體受壓產生較大的壓縮變形，形成水泥土結石體“擴大頭”，增大了樁端受力面積，或者水泥漿液滲入地層中網狀固結形成了類似“樹根樁，，的作用，從而提高了樁的端阻力。

4.4.3 消除樁側泥皮影響

對于泥漿護壁法施工的灌注樁，壓力注漿注入樁端的漿液，在壓力作用下，在樁端以上一定高度范圍內會沿著樁土間泥皮上滲泛出，加固泥皮、充填樁身與樁周土體的間隙并滲入到樁周土層一定寬度范圍，漿液固結后調動起更大范圍內的樁周土體參與樁的承載，提高樁側摩阻力。

4.4.4 形成反向預壓力

樁端壓力注漿存在著一定反向預壓力，使樁端壓縮變形部分地在施工期內提前完成，減少日后使用期的豎向壓縮變形。對樁端處進行壓力注漿時，當樁端處的滲透能力受到限制時，形成的梨形體內的漿液壓力不斷升高，在此高壓液體的作用下，將給樁端面施加向上的反向預應力，能使樁身微微向上抬。當泥漿護壁鉆孔樁承受向下的豎向荷載時，此反向預應力將承擔部分荷載，從而提高單樁承載力。

5 結語

總之，樁端后注漿技術作為一種較為新興的技術，有著良好的應用價值，能增大樁端受力面、消除樁側泥皮影響和固結樁端虛土沉渣，提高樁基承載力并減少沉降。但是，由于對其作用機理的研究還不夠深入，工程應用與理論研究的結合還不夠緊密這些都限制了該技術大范圍的推廣和應用，今后還需要繼續(xù)努力研究。