灌注樁后注漿技術在城市立交工程中的應用

鄒 勇,杜海強

灌注樁后注漿技術在城市立交工程中的應用

鄒 勇1,杜海強2

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院,鄭州 450001;2.湖南省電力勘測設計院,長沙 410000)

結合工程實例介紹灌注樁后注漿施工工藝,分析城市立交工程中的灌注樁后注漿技術,并通過試驗結果分析得出復合后注漿技術對樁側摩阻力和樁端阻力的提高系數,表明復合后注漿技術可大幅提高樁基承載力,節約工程投資。

橋梁基礎;灌注樁;注漿;樁基承載力

1 工程概況

在鄭州市經濟跨越式發展的規劃背景之下,為了加強市區內部區域之間的快速交通聯系,規劃確定了三環線高架橋快速通道工程,本工程項目建筑安裝費約為90億元左右,其中樁基工程造價約為18億元,為了減少樁基工程造價,優化設計樁長,需提高鉆孔樁的承載力,經反復論證,鄭州市三環路高架橋樁基工程決定引入灌注樁后注漿技術。

2 灌注樁后注漿技術的加固機理

根據國內一些學者研究表明,灌注樁后注漿技術中土體后注漿的加固機理如下。

(1)充填膠結效應:在卵、礫、砂中實現滲入性注漿條件下,被注土體孔隙部分為漿液充填、散粒被膠結,顯示“充填膠結效應”,土體強度和變形模量大幅度提高。

(2)加筋效應:對于黏性土、粉土、粉細砂實現劈裂注漿的條件下,單一介質土體被網狀結石分割加筋成復合土體。復合土體的強度變形性狀由于網狀結構的制約和強化作用而大為改善,顯示“加筋效應”。網狀結石與樁體緊密相連,樁頂受載后,樁側和樁底的復合土體能有效地傳遞和分擔荷載,從而提高總側阻力和總端阻力。

(3)固化效應:樁底沉淤和樁側泥皮與注入的漿液發生物理化學反應而固化,使單位端阻力和側阻力顯著提高,顯示“固化效應”。

(4)擴底(徑)效應:當被加固體位于樁底時,總樁端阻力因擴底效應而提高;當被加固體處于樁側時,總側阻力因樁身擴徑效應而顯著增大。從而使土體強度和剛度大幅度提高,樁的承載力、樁的穩定性得到較大提高。

3 灌注樁后注漿施工工藝

灌注樁后注漿技術在國內經過多年發展,在不斷完善其施工工藝。后注漿方法從樁端注漿到樁端和樁側復合注漿;注漿裝置也呈現出多樣化的發展趨勢,由最初的閉式,發展到開式注漿;由以往傳統的一次性注漿,發展到循環注漿;由中小直徑的中短樁,發展到超長超大直徑的樁。

結合鄭州三環快速化工程,根據后注漿灌注樁的設計要求和本地區土層與地質條件,形成了一套符合本工程特點的施工工藝。施工工藝流程如圖1所示。

圖1 壓力注漿工藝流程

4 后注漿灌注樁現場試驗結果及設計參數建議

為了更好地推廣后注漿技術在高架橋工程中的應用,并指導設計和施工,鄭州市三環快速化工程選擇了8處試驗場地進行后注漿試驗,以測定注漿后各土層的樁側摩阻力和確定持力層的樁端阻力。其中西三環標段選擇在西三環隴海路處。

(1)工程地質情況(表1)

表1 西三環隴海路地質勘察參數

(2)樁位布置

根據《公路橋涵施工技術規范(JTG_TF50—2011)》,試樁和錨樁中心距不得小于4 m,結合現場場地情況,錨樁與試樁的布置如圖2所示,其中,部分錨樁由工程樁兼做,其他錨樁為獨立錨樁。

圖2 試樁、錨樁布置(單位:m)

(3)試驗加載方式

試驗加載方式采用靜載試驗反力裝置——錨樁作為反力系統,并采用慢速維持荷載法進行試驗。試驗根據單樁極限承載力大小擬采用4～6臺液壓千斤頂,通過高壓油管與GBJ-70型高壓油泵和RS-JYB型靜載測試儀相連接組成加載系統。

(4)實測數據及試驗成果

①豎向靜載試驗數據

本次試驗樁選擇的1.2 m樁徑,樁長40 m,混凝土強度等級C30,進行了多組注漿試驗,試驗結果見表2。

表2 單樁豎向靜載試驗結果

②試驗成果及設計參數建議(表3、表4)

表3 單樁豎向抗壓靜載試驗成果

樁端注漿灌注樁由于樁底沉渣注漿后,增加了端阻力,并在樁端附近一定范圍形成了成拱影響區,可以有效地減少樁頂沉降量。對應承載力極限荷載時的沉降量一般為10 mm左右。同時根據試驗結果得出適合本標段的樁側阻力和樁端阻力。

表4 樁側阻力與樁端阻力設計參數建議

從表4中可以看出:

①復合注漿灌注樁樁側阻力承載力提高幅度較大,約2倍左右,且在試驗荷載條件下樁基均未發生破壞,后注漿效果良好;

②根據試驗結果,同時為了更好控制樁基沉降量,選擇土質條件相對較好的第⑤或⑥層土作為樁基持力層,并根據單樁承載力設計要求進行樁長優化。

5 后注漿灌注樁豎向承載力計算方法

后注漿灌注樁技術經過多年發展,《公路橋涵地基與基礎設計規范》提出了建議方法

其中,βsi為第i層土的側阻力增強系數;βp為端阻力增強系數。見表5。

表5 樁端后注漿側阻力增強系數βs、端阻力增強系數βp

該方法僅考慮樁端注漿上返有效高度范圍的側阻增強,未考慮樁端注漿后樁端阻力增強對樁側阻力的影響。

本工程采用樁端和樁側復合注漿,一方面樁端阻力增強了樁側阻力的延遲發揮的作用,另一方面樁側壓密注漿增加了樁側表面面積,因此能夠更有好地提高單樁承載力。

6 工程實例分析

鄭州市西三環段橋梁設計標準跨度為30 m,橋面寬25.5 m,下部基礎采用6根φ1.5 m的群樁基礎,樁頂作用力為7 300 kN,未注漿時設計樁長為55 m。采用后注漿技術后,根據試驗提出的樁側阻力、樁端阻力建議值,并結合《公路橋涵地基與基礎設計規范》,樁側阻力提高系數按平均1.5考慮,此值大于規范建議值,小于試驗值,具有一定的安全儲備,優化后設計樁長40 m。單根樁長減少15 m,節約工程造價約30%。

在施工完成后對優化后的工程樁進行了靜載試驗,試驗結果能夠滿足設計要求。

針對鄭州地區粉土、粉質黏土和粉砂典型地層的后注漿大直徑灌注樁技術,已成功應用到整個三環快速化工程中,作為技術儲備,試驗成果將可以應用到鄭州地區及相似地層地區的其他市政基礎工程中,并將產生巨大的經濟、技術效益。

7 結論

(1)通過灌注樁后注漿試驗結果表明,后注漿技術成熟安全。

(2)與工程地質報告相比,后注漿灌注樁單樁承載力提高約為2倍左右;結合設計規范,與未注漿樁相比,樁側阻力提高1.5倍左右。

(3)灌注樁復合后注漿成套技術已應用到三環快速化工程中,產生了巨大的經濟、技術效益,節約樁基工程造價約30%,建議在類似工程進一步推廣應用。

[1] 鄭州市市政工程建設中心,鄭州大學.鄭州市重大科技專項課題——樁基后注漿技術試驗與應用研究[R].鄭州:2012.

[2] JTG D63—2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[3] 穆保崗.樁基工程[M].南京:東南大學出版社,2009.

[4] 張忠苗.灌注樁后注漿技術及工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[5] 戴斌.鉆孔灌注樁泥漿護壁性狀試驗研究[J].鐵道建筑技術, 2003(3):26.

[6] 高文生.后注漿灌注樁單樁模型試驗的研究[J].建筑科學,1998, 14(5):23-26.

[7] 張在明.關于后注漿樁樁端壓力確定方法的研究[J].工程勘察, 2001(6):5-7.

[8] 何劍.后注漿鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究[J].巖土工程學報, 2002,24(6):743-746.

[9] 葉翰松.復雜地質條件下長大鉆孔灌注樁成孔施工技術[J].鐵道標準設計,2013(5):61-64.

[10]張忠苗,辛公鋒.不同持力層鉆孔樁樁底后注漿應用效果分析[J].建筑結構學報,2002,23(6):85-94.

Application of Post-grouting Technology of Cast-in-situ Piles for City Overpass Bridge

ZOU Yong1,DU Hai-qiang2
(1.Zhengzhou Survey and Design Institute,China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd., Zhengzhou 450001,China;2.Hunan Electric Power Survey and Design Institute,Changsha 410000,China)

In combination with actual project cases,the paper introduced the post-grouting technology of cast-in-situ piles,and analyzed the application of post-grouting technology of cast-in-situ piles in city overpass bridges.Meanwhile,through analysis on experiment results,the increasing coefficients of both the pile side friction and the pile tip resistance,which arose from the composite post-grouting technology, were obtained in this paper.And this proves that the composite post-grouting technology can be conducive to increasing the pile foundation bearing capacity and decreasing the project investment considerably.

bridge foundation;cast-in-situ pile;grouting;bearing capacity of pile foundation

U443.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.012

1004-2954(2014)04-0052-03

2013-07-21;

2013-08-05

鄭州市重大科技專項課題(113PSHKS439)

鄒 勇(1980—),男,工程師,2007年畢業于中南大學,工學碩士。