后注漿技術在鉆孔灌注樁中的應用

李洪宇+秦澤亮+鮑涵+張曉航

摘要： 本文以平潭協和醫院項目為工程實例，對沖孔灌注樁后注漿技術進行了闡述，對樁端注漿加固機理、注漿量與時間的關系等方面進行了介紹，為以后同類工程施工提供參考。

Abstract： This paper takes the project of Pingtan Xiehe Hospital as an example， elaborates on the post grouting technology of cast-in-place bored pile， introduces pile-end grouting pile reinforcement mechanism， the relationship between quantity and time， etc.， in order to provide references for future similar engineering construction.

關鍵詞： 灌注樁；后注漿；靜載

Key words： cast-in-place piles；post grouting；static load

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0105-03

0 引言

沿海地區填海造陸不斷擴展，高層建筑建設中基礎所受荷載越來越大，大直徑鉆孔灌注樁的應用日益廣泛。往往施工洗孔過程中很難清除樁端沉渣，嚴重制約著工程樁的承載力有效發揮。樁端后注漿是工業與民用建筑、道路橋梁等工程領域中用于提高單樁承載力、減小樁基變形的一項新技術。樁端后注漿是指在鉆孔灌注樁澆筑完成后，通過預先埋設在鋼筋籠里的注漿管，向樁末端進行高壓注漿，對樁端的沉渣及樁端的樁周土層起到滲透、填充、劈裂及固結等多種形式組合的不同作用。固化末端沉渣及周邊土層，改善樁與巖、土之間的邊界條件，從而提高樁的承載力并減少沉降量。

1 工程概況

平潭協和醫院（一期）工程位于福建省平潭綜合實驗區金井灣，總建筑面積154310.62m2，其中地上建筑面積114130.38m2，地下建筑40180.24m2。共設置有門診樓、住院樓、臺胞救治中心、放療樓、地下車庫、感染樓、動力中心、垃圾收集站、污水處理站。容積率為0.95，建筑密度為17.72%，綠地率36.95%。

場地各土層分布及其物理力學參數如表1所示。基礎設計采用后注漿鉆孔灌注樁，樁徑為1200mm，持力層為中風化花崗巖，且樁端進入持力層不小于1m，單樁水泥注入量不小于2500kg，注漿壓力不小于3MPa，單樁豎向抗壓承載力特征值為7800kN。為準確評價工程樁的實際承載力，選取4根靜壓試驗樁進行分析研究，編號分包為Z1、Z2、Z3和Z4，其中Z4沒有進行樁端后注漿。4根試樁的基本施工參數見表2。

2 樁端注漿加固機理

樁端注漿加固過程包括兩個部分，即力學反應和化學反應過程，在不同的施工階段，他們所起的作用不同。在剛開始注漿階段，起主要作用的是力學機理。其反應過程為：預先在樁端埋設注漿鋼管壓注水泥漿液，水泥漿液會在一定的注漿壓力下首先滲透、填充到松散的樁端沉渣間隙中，與沉渣混合在一起并固結成一體，有效解決了孔底沉渣的問題。水泥漿液進一步向樁端持力層中滲透，在樁端形成擴大頭，擴大頭隨著壓漿的進行不斷增大，對樁端持力層起壓密作用，同時還提高了樁端的承壓面積，大大提高了鉆孔灌注樁的單樁豎向承載力。

在完成上述步驟后，樁端持力層土體和水泥漿液得到了充分滲透接觸，之后起主導作用的變成了化學機理，具體如下：水泥的主要成分是SiO2、CaO等，這些氧化物通過不同的排列組合能夠形成不同的水泥礦物，比如硅酸二鈣、硅酸三鈣等，與水發生水解和水化學反應，將加固土里的含水量降低了，使土顆粒間的膠結增加了。拌合水泥與土顆粒后，水化會產生一些水化物，比如CSH（水化硅酸鈣）、Ca（OH）2等。溶液中的Ca2+含量增加，與土顆粒發生陽離子交換作用，等量置換出K+和Na+，形成水泥與較大土顆粒的團粒結構，填充、固化了土顆粒間的空隙，形成了具有高強度的一個整體。

3 注漿量與時間的關系

樁端后注漿是指鉆孔灌注樁在下放鋼筋籠時預埋注漿管并灌注混凝土成樁，然后在成樁一定時間后對注漿管開塞并向樁端高壓注入水泥漿，以加固樁端地層，固化樁端沉渣，從而提高單樁承力，減小沉降的一種施工技術。確定注漿量時應綜合考慮多項因素，包括設計要求、沉渣量、樁長、樁徑、滲透性能、樁端樁側土層類別等。在注漿過程中，樁底可灌性的變化直接表現為注漿壓力的變化。可灌性好，注漿壓力則較低，反之，則注漿壓力較高。顯然，注漿壓力會呈現出一個動態波動范圍，而注漿量和時間近似呈線性增長的關系。一段時間后，被注土體下漿液濃度和注漿量會越來越高，隨之增加的還有注漿壓力。需要注意的是在實際的注漿過程中，通常首選考慮注漿量因素，其次再考慮注漿壓力因素，這兩項因素都必須安排專人進行現場情況記錄。

Z1、Z2、Z3樁端注漿量隨時間變化趨勢相似，為節省篇幅，只列出Z1樁現場實測的注漿量隨時間的變化曲線圖，如圖1所示。

4 單樁豎向抗壓靜載試驗分析

本工程試樁靜載試驗采用堆載–反力架裝置，測試靜載由安裝在樁頂的油壓千斤頂進行逐級加荷，千斤頂所需的反力由混凝土預制塊堆重平臺承擔。測試加荷方式為慢速維持荷載法，將4臺5000kN級千斤頂并聯，以保證其同步加載，每級荷載增量均為1560kN，最大測試荷載均加至15600kN。

樁頂沉降是在樁頂用千分表或位移傳感器測量得到。樁端沉降則是預先在打樁時沿鋼筋籠內側埋設外徑 66 mm的水管，然后在66mm水管內下放33 mm水管，再在樁頂33 mm水管上設測點得到。

4.1 不同荷載下的樁頂和樁端沉降量

由于三根采用后注漿的試樁Z1～Z3在各項參數上的差距不大，為節約篇幅，本文只對試樁 Z1進行討論。同時本文還選取了未注漿試樁Z4進行對比分析。Z4的初次靜載試驗已經完成，Z1的是在試驗后期完成的，結果兩者在多項數據上都存在較大差別，試樁Z4的最大加載值為15600kN。試樁Z1和Z4的荷載-沉降關系曲線如圖2所示。

分析圖2發現，荷載較小的情況下，荷載-沉降曲線表現為線性關系，后來隨著荷載的增加，沉降增速也不斷增加，該曲線開始表現為非線性。當荷載較小時樁端沉降值為0，這是因為此時樁頂即產生沉降，而沉降只有在一定荷載下才會出現。

分析圖2發現，在荷載同樣是15600kN的情況下，未注漿的試樁Z4其樁端沉降約為21.13mm，樁頂沉降約為41.58mm，而樁端后注漿的試樁Z1其樁端沉降為2.88mm，樁頂沉降為16.63mm，由此可知樁端后注漿能夠降低沉降量，固化樁底沉渣，對于提高施工效果和質量具有較大益處。

按照規定試樁 Z1～Z3分別將荷載加到了4800kN，發現雖然樁端開始慢慢出現一些沉降量，但其值都比較小，分別是0.13mm，0.09mm，0.12mm。而未注漿的試樁Z4不同，其在荷載為3500kN的情況下樁端沉降就漸漸出現了，其值約為0.3mm。由此可知，與未注漿的試樁相比，注漿的試樁樁側摩阻力更高，樁側土的性狀更強，從而大大提高了樁的承載能力，具有較強的應用價值。

4.2 樁身壓縮量測算

利用實測樁頂、樁端沉降數據可以確定樁身壓縮量S，其值可以通過下式獲得：

S=S1-S2 （1）

式中：S1 代表樁頂沉降實測值，S2代表樁端沉降實測值。

利用式（1）得到的試樁 Z1～Z4的樁身壓縮量見表3。由表3可知，在未達到樁的極限承載力之前，對持力層是中風化花崗巖的樁基（樁長35m左右）而言，單樁沉降的一個重要組成部分就是樁身壓縮量。即使面對樁頂荷載低于樁極限承載力的情況，采用樁端后注漿的試樁其樁身壓縮量也能占樁頂沉降的75%以上。因此，對于持力層是中風化花崗巖的樁而言，設計其樁端后注漿長樁時，樁身壓縮量是必須考慮的因素之一。

5 成果總結

①未注漿的樁端和樁頂沉降值要遠高于樁端后注漿的樁端和樁頂沉降值。由此可知，樁端后注漿能夠降低沉降量，固化樁底沉渣，具有良好的應用價值。

②當荷載較小時樁端沉降值為0，這是因為此時樁頂即產生沉降，而沉降只有在一定荷載下才會出現。

③采用后注漿的試樁加載到4800kN時，樁端剛開始有沉降量出現，但其值都比較小，分別是0.13mm，0.09mm，0.12mm。而未注漿的試樁Z4不同，其在荷載為3500kN的情況下樁端沉降就漸漸出現了，其值約為0.3mm。由此可知，與未注漿的試樁相比，注漿的試樁樁側摩阻力更高，樁側土的性狀更強，從而大大提高了樁的承載能力，具有較強的應用價值。

④對本工程中持力層是中風化花崗巖的樁基而言，樁身壓縮量是單樁沉降的主要組成部分。采用樁端后注漿的試樁在樁頂荷載低于樁極限承載力時，樁身壓縮量占樁頂沉降的75%以上，而未采用樁端后注漿的試樁樁身壓縮量占樁頂沉降的比例遠小于采用樁端后注漿的。

參考文獻：

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[3]張嘉鑫，賀可強，豐占海，李晶，張朋.沿海地區大孔徑鉆孔灌注樁施工孔壁穩定性數值模擬研究[J].工程建設，2016（05）.