淺談灌注樁后注漿技術研究及應用

王景民 付振國

（河北鋼鐵集團礦業有限公司，河北 唐山 063701）

國內外發展概況

早在上世紀60年代初，國外就開發出解決灌注樁樁底沉渣和樁身泥皮的后注漿技術。國外的樁底后注漿裝置大體可分為以下幾種：預埋于樁底的裝有碎石的預載箱、注漿腔、U形管閥；樁側后注漿裝置為設置于鋼筋籠上的帶套袖閥的鋼管。國外灌注樁后注漿技術的特點是工藝復雜，附加費用高，樁側注漿需在成樁后2天內通過高壓射水沖破混凝土保護層來實施。1983年，第八屆歐洲土力學與基礎會議論文集中有灌注樁后注漿技術論文若干篇。

我國關于灌注樁后注漿的最早報道，是交通部一航局設計院1974年在天津塘沽采用氰凝固結樁端土的試驗；80年代初，北京市建研所在灌注樁樁底設置隔離鈑，采用PVC管作為注漿管進行后注漿試驗。上述兩單位的技術當時是在干作業灌注樁中試驗和應用的，因此注漿閥無需具備抵抗泥漿和靜止水壓力的功能，且樁長較短，相對簡單。90年代初，在徐州和鄭州地區有了關于后注漿技術應用于泥漿護壁灌注樁工程的報道，前者是將2根注漿管埋設在樁底虛土的碎石中，先由一管注入清水，由另一管排除泥漿，隨后壓入水泥漿，其承載力增幅較小，后者由西南交通大學巖土所與鄭州鐵路局鄭州設計院進行的某橋梁樁基注漿試驗，是在樁底設置橡膠囊，由帶鋼球的單向閥鋼管與注漿腔相聯，成樁后向囊中注漿，其加固機理主要靠注漿囊的膨脹壓密和擴底作用，同時應用套管法于成樁后12小時內沖破混凝土保護層實施樁側注漿的試驗。總的說來，上述國內灌注樁后注漿裝置與國外技術類似，安裝較復雜，成本高，且與樁體施工有一定程度的交叉。

中國建筑科學研究院地基基礎研究所90年代中期研究開發的灌注樁后注漿技術，其預置注漿閥、管構造簡單、安裝方便、成本較低、可靠性高；注漿時間限制小，不與成樁作業交叉，不破壞樁身混凝土；注漿模式、注漿量可根據土層性質、承載力增幅要求進行調控；注漿裝置中的鋼管可與樁身完整性檢測管結合使用、注漿導管可等強度取代鋼筋，降低后注漿附加費用。1999年中國建筑科學研究院制定了該企業技術規程，《灌注樁后注漿技術規程》（Q/JY14-1999）。目前，該技術已獲兩項國家實用新型專利和兩項發明專利，并被國家住房和城鄉建設部正式納入《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）。

1 灌注樁后注漿技術的概念

灌注樁后注漿（post grouting for cast-insitu pile）是指在灌注樁成樁后一定時間，通過預設在樁身內的注漿導管及與之相連的樁端、樁側注漿閥注入水泥漿，使樁端、樁側土體（包括沉渣和泥皮）得到加固，從而提高單樁承載力，減小沉降。灌注樁后注漿是一種提高樁基承載力的輔助措施，而不是成樁方法。后注漿的效果取決于土層性質、注漿的工藝流程、參數和控制標準等因素。

2 灌注樁后注漿技術的基本原理

2.1 基本原理

灌注樁后注漿基本原理：一是通過樁底和樁側后注漿加固樁底沉渣（虛土）和樁側泥皮，二是對樁底和樁側一定范圍的土體通過滲入（粗顆粒土）、劈裂（細粒土）和壓密（非飽和松散土）注漿起到加固作用，從而增大樁側阻力和樁端阻力，提高單樁承載力，減少沉降。

2.1.1 滲入作用：當漿液顆粒尺寸不大于孔隙尺寸，漿液有良好的流動性能，特別是砂層，在壓力下滲入土中孔隙。

2.1.2 劈裂作用：帶壓漿液克服土體最小主應力面或軟弱結構面上的初始應力和抗拉強度，使其劈裂，漿液沿劈裂面注入土體，連續不斷地在注漿點周圍形成網狀漿脈。劈裂注漿一般發生在粘性土、粉土、粉細砂中。

2.1.3 壓密作用：漿液在壓力作用下，強行擠向注漿點附近的薄弱區域，形成球狀漿泡，擠壓土體，使非飽和松散土壓密。

上述三種加固作用在注漿過程當中，大多為相互交叉綜合作用。

2.2 加固機理

2.2.1 充填膠結效應：在砂層中實現滲入注漿，土體孔隙被漿液充填，散粒被膠結在一起，土體強度和剛度大幅度提高。

2.2.2 加筋效應：在粘性土中實現劈裂注漿，土被網狀結石分割并產生加筋作用進而生成復合土體。網狀結石的作用使復合土體強度、變形性質大為改善。

2.2.3 固化效應：樁端沉渣和樁側泥皮與漿液發生物理化學反應而固化。此外，不等厚度的水泥結石固著于樁端，起到了擴底效應。

2.2.4 壓密效應：土體壓密，增大了樁側、樁端阻力，對中短樁而言增強效果主要集中在樁端。

2.3 適用范圍

灌注樁后注漿工法適用于各類泥漿護壁和干作業的鉆、挖、沖孔灌注樁。

3 灌注樁后注漿工法要點

3.1 后注漿裝置的設置應符合下列規定：

3.1.1 后注漿導管應采用鋼管，且應與鋼筋籠加勁筋焊接或綁扎固定，樁身內注漿導管可取代等承載力樁身縱向鋼筋。

3.1.2 樁底后注漿導管及注漿閥數量宜根據樁徑大小設置，對于d≤l000mm的樁，宜沿鋼筋籠圓周對稱設置2根；對于d≤600mm的樁，可設置1根；對于1000mm

3.1.3 對于樁長超過15m且承載力增幅要求較高者，宜采用樁底樁側復式注漿。樁側后注漿管閥設置數量應綜合地層情況、樁長、承載力增幅要求等因素確定，可在離樁底5～15m以上每隔6～12m于粗粒土層下部設置一道 (干作業成孔灌注樁宜設于粗粒土層中上部)。

3.1.4 對于非通長配筋的樁，下部應有不少于2根與注漿管等長的主筋組成的鋼筋籠通底。

3.1.5 鋼筋籠應沉放到底，不得懸吊，下籠受阻時不得撞籠、墩籠、扭籠。

3.2 后注漿管閥應具備下列性能

3.2.1 管閥應能承受1MPa以上靜水壓力；管閥外部保護層應能抵抗砂、石等硬質物的刮撞而不至使管閥受損。

3.2.2 管閥應具備逆止功能。

3.3 漿液配比、終止注漿壓力、流量、注漿量等參數設計應符合下列規定

3.3.1 漿液的水灰比應根據土的飽和度、滲透性確定，對于飽和土宜為0.45～0.65，對于非飽和土宜為0.7～0.9(松散碎石土、砂礫宜為0.5～0.6)；低水灰比漿液宜摻入減水劑；地下水處于流動狀態時，應摻入速凝劑。

3.3.2 樁底注漿終止工作壓力應根據土層性質、注漿點深度確定，對于風化巖、非飽和粘性土、粉土，宜為3～10Mpa；對于飽和土層宜為1.2～4Mpa，軟土取低值，密實粘性土取高值；樁側注漿終止壓力宜為樁底注漿終止壓力的1/2。

3.3.3 注漿流量不宜超過75L/min。

3.3.4 單樁注漿量的設計主要應考慮樁的直徑、長度、樁底樁側土層性質、單樁承載力增幅、是否復式注漿等因素確定，可按下式估算：

式中ap、as-分別為樁底、樁側注漿量經驗系數，ap=1.5～1.8，as=0.5～0.7；對于卵、礫石、中粗砂取較高值；

n-樁側注漿斷面數；

d-樁直徑(m)；

Gc-注漿量，以水泥重量計(t)。

獨立單樁、樁距大于6d的群樁和群樁初始注漿的部分基樁的注漿量應按上述估算值乘以1.2的系數。

3.3.5 后注漿作業開始前，宜進行試注漿，優化并最終確定注漿參數。

3.4 后注漿作業起始時間、順序和速率應按下列規定實施：

3.4.1 注漿作業宜于成樁2d后開始，不遲于成樁30d天后。注漿作業離成孔作業點的距離不宜小于8～10m。

3.4.2 對于飽和土中的復式注漿順序宜先樁側后樁底：對于非飽和土宜先樁底后樁側；多斷面樁側注漿應先上后下；樁側樁底注漿間隔時間不宜少于2h。

3.4.3 樁底注漿應對同一根樁的各注漿導管依次實施等量注漿。

3.4.4 對于樁群注漿宜先外圍，后內部。

3.5 當滿足下列條件之一時可終止注漿：

3.5.1 注漿總量和注漿壓力均達到設計要求。

3.5.2 注漿總量己達到設計值的75%，且注漿壓力超過設計值。

3.6 出現下列情況之一時應改為間歇注漿，間歇時間宜為30～60min，或調低漿液水灰比：

3.6.1 注漿壓力長時間低于正常值。

3.6.2 地面出現冒漿或周圍樁孔串漿。

3.7 后注漿施工過程中，應經常對后注漿的各項工藝參數進行檢查，發現異常應采取相應處理措施。

3.8 后注漿樁基工程質量檢查和驗收應符合下列要求：

3.8.1 后注漿施工完成后應提供下列資料：水泥材質檢驗報告、壓力表檢定證書、試注漿記錄、設計工藝參數、后注漿作業記錄、特殊情況處理記錄。

3.8.2 在樁身混凝土強度達到設計要求的條件下，承載力檢驗應在后注漿20d后進行，漿液中摻入早強劑時可于注漿完成15d后進行。

3.8.3 對于注漿量等主要參數達不到設計時，應根據工程具體情況采取相應措施。

3.9 承載力估算

3.9.1 灌注樁經后注漿處理后的單樁極限承載力，應通過靜載試驗確定，在沒有地方經驗的情況下，可按下式預估單樁豎向極限承載力標準值：

式中 qsjk、qsik、qpk-后注漿非增強段極限側阻力、增強段極限側阻力和極限端阻力標準值，按JGJ94-2008或有關地方標準取值；

Lj、Lgi-后注漿非增強段第j層土厚度、增強段第i層土厚度；

U、Ap-樁身周長和樁底面積；

βsi、βp-后注漿側阻力、端阻力增強系數，按JGJ94-2008或有關地方標準取值。

3.9.2 在確定單樁承載力設計值時，應驗算樁身承載力。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

某綜合樓主樓高度接近77m，主體建筑地面上為16層，地下1層為人防物資儲備庫及設備間。建筑物特征見附圖01。與主體結構直接關聯的裙房只有2層，兩者的結構底部豎向荷載存在顯著差異。在建筑方案和結構布局已經確定條件下，有效減少主體結構與直接關聯裙房的整體地下室沉降差異是設計面臨的重要問題。解決上述問題的主要措施有：

4.1.1 將高樓主體與裙房結構徹底分開，顯然當前的建筑方案和功能布局是不允許的，有悖于投資方的原始意圖。

表1 鉆孔灌注樁基設計參數及極限承載力一覽表

表2 單樁豎向極限承載力值提高統計一覽表

4.1.2 將高樓主體與裙房結構采用2道混凝土后澆帶臨時分開，如附圖所示，待高樓主體封頂完成重力荷載作用下總沉降的80%～90%后再封閉混凝土后澆帶。當采用傳統灌注樁時，估計施工期間高樓主體的基礎沉降約100mm。基坑開挖至主樓封頂需要7～8個月時間，此間基坑降水不應停止，持續基坑降水的安全性不容忽視。因為巖土勘察的抽水試驗報告揭示，抽水試驗期間該項目東臨的110kV變電站和水池地基穩定性均受到明顯影響。長期基坑降水可能會威脅臨近變電站和水池的結構安全及正常使用，也可能誘使臨近的排洪河水大量涌入基坑導致新的風險發生。另據勘察報告估算，基坑降水需要約20眼井點，深18m，長期基坑降水的費用也不容忽視。

4.1.3 對傳統灌注樁實施后注漿處理技術。該技術特別適用于以承受豎向荷載為主的大直徑灌注樁，主要目的是減少孔底沉渣松散導致基樁沉降過大的先天缺陷。通過對灌注樁的壓漿后處理，可以避免在主體與裙房之間設置沉降縫，可以減少由于在地下室設置混凝土后澆帶使地下室存在可能滲漏的隱患（地下室防水等級為2級），還可以防犯長期基坑降水可能誘發的上述風險，減少基坑降水費用。

經過上部結構分析，主樓基樁的極限承載力約需要10000kN。主樓基礎采用大直徑灌注樁，并選擇穩定的強風化巖作為樁端持力層。

根據巖土工程勘察報告，本場地地質條件見工程地質剖面圖02和綜合地層柱狀圖03，各巖土層樁基設計參數見下表：

按上述設計參數，主樓基礎配置Ф1000mm傳統灌注樁約130根，考慮基坑埋深，樁頂設計標高為-2.10m。按12號鉆孔、14號鉆孔和31號鉆孔資料進行估算，當取有效樁長26.5m時，單樁承載力極限值為10097～10333kN，滿足設計要求。

4.2 鉆孔灌注樁后注漿設計

由于該項目投資要求從嚴控制，不得突破總概算計劃。所以，為滿足結構設計要求又要減少基礎投資，決定采用國內比較成熟的先進技術，即灌注樁后注漿技術。

根據灌注樁后注漿技術已在北京、天津、上海、福州、汕頭、武漢、宜春、濟南、廊坊、西寧、西安、德州、哈爾濱等地的高層、超高層建筑樁基工程中應用的成功經驗，在優化工藝參數的條件下，可使單樁極限承載力標準值提高40%～120%，粗粒土增幅高于細粒土，樁側、樁底復式注漿高于樁底注漿，樁基沉降減小30%左右的參考依據，大膽選用鉆孔灌注樁進行后注漿設計，并按承載力提高25%、采用樁徑為Ф800mm、有效樁長為25.5m的樁進行試驗。按設計要求，先打3根試樁和12根錨樁（錨樁均做為工程樁），并對3根試樁進行單樁豎向靜載荷試驗和高應變動力檢測，且對所有試驗基樁都進行試驗前后的低應變檢測。見主樓試樁平面布置圖04。

靜載荷試驗和高低應變檢測結果表明：3根試樁靜載試驗加荷至12000KN，最大沉降量 11.90～20.48mm，最 大 回 彈 量 0.57～0.85mm，其單樁單樁豎向抗壓極限承載力≥12000KN；高應變動力檢測單樁豎向抗壓極限承載力12151～12881KN；低應變法檢測其試驗前后試樁及錨樁全部為Ⅰ類完整樁。所以，采用鉆孔灌注樁后注漿技術，并以第○14層強風化混合花崗巖作樁端持力層，滿足設計提出的單樁豎向抗壓極限承載力要求。

經三組靜載荷試驗和高應變動力檢測，灌注樁經后注漿，其實測單樁極限承載力平均值達1200KN以上，承載力提高了50%以上。

通過靜載荷試驗和高應變法檢測獲得單樁豎向極限承載力值提高統計見下表：

4.3 主要施工工藝

4.3.1 本工程采用樁端和樁側復式后注漿。鉆孔灌注樁為通籠，后注漿導管對稱布置2根到底，樁側注漿為一道，深度為地面下15m。注漿鋼管的連接采用外套粗鋼管焊接連接，鋼管連接后不得滲漏。注漿鋼管頂端需套絲，并用管箍、管堵封口。注漿鋼管與鋼筋籠加勁箍筋用14號鐵絲綁扎固定，嚴禁采用焊接。注漿鋼管上端高出鋼筋籠頂不小于300mm，高出樁基施工面不小于500mm。樁底注漿鋼管下端采用焊接安裝注漿管閥，樁側注漿鋼管下端采用套絲安裝三通與樁側注漿閥相連。焊接時嚴禁燒壞注漿管閥的保護層，注漿管閥底端與鋼筋籠底齊平。

樁側注漿于成樁后2天開始，樁底注漿于樁側注漿后3～12小時開始。樁端注漿設計壓力為2～4MPa；樁側注漿設計壓力為1.5～2MPa；注漿流量控制在 30～50L/min；水灰比0.6～0.7；注漿設計水泥用量：樁端 1.5t/根，樁側 0.75t/根。

4.3.2 注漿管制作。在制作鋼筋籠的同時制作注漿管，注漿管采用直徑為25mm的鍍鋅鋼管，接頭用絲扣連接，兩端采用絲扣封嚴。壓漿管的最下部200mm制成注漿噴頭。用鉆頭在該部分均勻鉆出4個排泄漿孔（每排4個孔，孔距50mm，孔徑4mm）。再用圖釘將泄漿孔堵嚴，外面套上同直徑的自行車內胎并在兩端用膠帶封嚴，注漿噴頭就形成了一個類似單向閥的裝置（見后注漿噴頭結構圖05）。當注漿時壓漿管中壓力將車胎迸裂、圖釘彈出，水泥漿通過泄漿孔與圖釘之間的孔隙壓入土層中，而混凝土灌注時該裝置又保證混凝土中水泥漿不會將壓漿管堵塞。

4.3.3 特殊情況處理。水泥漿從樁側溢出、周圍樁串孔、注漿壓力長時間低于正常值，應改為間歇注漿，間歇注漿至水泥壓入量滿足設計值，間歇時間30～180分鐘。間歇注漿時可適當降低水灰比，當間歇時間超過60分鐘時應壓入清水清洗導管和管閥。樁側注漿量未達到設計要求時，可按其不足量的1.2倍由樁端補入。

4.4經濟效益

按傳統鉆孔灌注樁設計，樁徑為Ф1000mm，有效樁長為26.5m，單樁混凝土體積20.81m3，單樁承載力極限值為10097～10333kN。其工程估算造價C1=20.81m3/根×1100元/m3×130根＝2975830元＝297.58萬元；當采用后注漿技術時，主樓基礎配置Ф800灌注樁約130根，有效樁長25.5m，單樁混凝土體積12.75m3，單樁承載力極限值＞10000kN。其工程估算造價 C2=（12.75×1100＋3350）×130＝2258750 元＝225.88萬元；造價差C1－C2=297.58－225.88=71.7萬元（其中 3350元/根是后注漿費用）。

對主樓灌注樁實施后注漿處理技術，不僅縮小樁徑與有效樁長，還縮短了降水工期，具有明顯的技術經濟效益。

結束語

樁底、樁側后注漿是將注漿技術與灌注樁技術的有機結合，該技術的基本原理是在成樁后將水泥漿通過預設于鋼筋籠上后注漿裝置注入樁側、樁底，固化沉渣和泥皮，并使樁側樁底一定范圍的土體得到加固。

樁側、樁底后注漿裝置構造簡單、便于操作、適用性強、可靠性高、附加費用低、不影響樁基施工流程等。可利用預埋于樁身的后注漿鋼導管進行樁身完整性超聲檢測，注漿用導管可取代等承載力樁身縱向鋼筋。

灌注樁后注漿技術，由于具有特定的加固作用，不但減小了樁的長度與樁徑，還提高了樁的極限承載力和減少了樁的沉降量，從而改善了樁的工程性狀，降低了工程造價。所以，灌注樁后注漿技術是一項工藝簡單、投資較少但能創造較高經濟效益的施工技術，值得推廣。

[1]灌注樁后注漿技術規程（Q/JY14-1999），中國建筑科學研究院，1999.

[2]工程地質手冊（第四版）.中國建筑工業出版社，2007.

[3]建筑樁基技術規范（GJG 94-2008）.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4]楊德強.鋼筋混凝土灌注樁后壓漿施工技術研究[J].工程勘察，2008.11.