后注漿技術(shù)在南水北調(diào)中線工程基樁施工中的應(yīng)用

李書群，吳宏軍

后注漿技術(shù)在南水北調(diào)中線工程基樁施工中的應(yīng)用

李書群，吳宏軍

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

灌注樁后注漿是一項(xiàng)土體加固技術(shù)與樁工技術(shù)相結(jié)合的樁基輔助方法，可用于各類鉆、挖、沖孔灌注樁，分為樁側(cè)后注漿與樁端后壓漿2種，在解決土體擾動(dòng)、樁底沉碴和樁周泥皮降低樁基承載力方面效果好。本文通過(guò)南水北調(diào)工程某大型渡槽灌注樁專項(xiàng)載荷試驗(yàn)成果，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，研究應(yīng)用灌注樁樁端后壓漿技術(shù)，并提出施工技術(shù)要求，為類似工程提供參考。

灌注樁后注漿；南水北調(diào)；施工技術(shù)要求

1 工程概況

南水北調(diào)中線干線工程布置多座輸水渡槽，其中邯邢段共布置大型跨河渡槽5座，單跨跨度30～40m，上部結(jié)構(gòu)重7000～10000 t，上部荷載較大，多采用樁基礎(chǔ)，樁徑1.3～1.7m。

邯邢段總干渠地處太行山山前傾斜平原與丘陵過(guò)渡地帶，渡槽工程區(qū)上部多為第四系上更新統(tǒng)卵石或泥礫地層，下部為第三系(N1)泥巖、礫巖地層或二疊系泥巖砂巖交互地層，地質(zhì)條件復(fù)雜。

2 后注漿技術(shù)加固機(jī)理

基樁成孔過(guò)程中，易產(chǎn)生土體擾動(dòng)、樁底沉碴和樁周泥皮過(guò)厚問(wèn)題，嚴(yán)重影響樁基承載力。灌注樁后注漿基于所注漿液的膠結(jié)凝固、與之相關(guān)的巖土體加密增強(qiáng)及樁基承載力發(fā)揮機(jī)理改變的加固機(jī)理，進(jìn)而提高樁基承載力。其注漿效應(yīng)在一次注漿實(shí)施過(guò)程中相互交織，只有主次之分，無(wú)明顯界限。漿液在高壓作用下對(duì)沉碴及樁周土產(chǎn)生劈裂、滲擴(kuò)、填充、壓密、固結(jié)等作用，不但使樁端持力層在一定范圍內(nèi)原本松散的碎石、土粒和裂隙膠結(jié)成一個(gè)高強(qiáng)度的結(jié)合體，而且在樁周形成脈狀結(jié)合體，其效應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)述如下。

(1)充填膠結(jié)效應(yīng)：巖土體空隙有漿液填充，充填固結(jié)后市巖土體強(qiáng)度與剛度大幅度提高。

(2)加筋效應(yīng)：巖土體中網(wǎng)狀漿液填充結(jié)石體及注漿劈裂過(guò)程中伴生的土體固結(jié)與化學(xué)硬化，使樁周與樁端巖復(fù)合土體能有效的傳遞與分擔(dān)荷載，進(jìn)而提高總側(cè)阻力與總端阻力。

(3)固化效應(yīng)：注漿液和樁周泥皮與樁底沉渣發(fā)生物理化學(xué)作用而固結(jié)，能提高端阻力與側(cè)阻力，并起到一定的擴(kuò)徑與擴(kuò)底作用。

(4)壓密效應(yīng)：樁側(cè)與樁端土體不同程度壓密，特別是樁端壓密，使樁端阻力提前發(fā)揮，提高承載力。

總之，樁基后壓漿可以改善持力層條件、提高樁周側(cè)摩阻力，從而提高樁基承載力。

3 樁底壓漿專項(xiàng)試驗(yàn)

為確定渡槽樁基受力特性，工程實(shí)施前，在現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)外相似地層條件位置，進(jìn)行了3根試驗(yàn)樁專項(xiàng)載荷試驗(yàn)，以確定樁基技術(shù)參數(shù)。

3.1 專項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，試驗(yàn)位置選擇接近渡槽跨中開闊區(qū)域，在渡槽軸線東、中、西間隔10m布置了3根(S1、S2、S3)試驗(yàn)樁，進(jìn)行載荷試驗(yàn)，以便獲得樁的極限側(cè)摩阻力及驗(yàn)證樁端后壓漿效果，確定樁基設(shè)計(jì)參數(shù)。試驗(yàn)方案如下：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件和先導(dǎo)孔成果，試驗(yàn)樁樁徑采用1500mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，樁長(zhǎng)32m。

(2)造孔應(yīng)采用膨潤(rùn)土制備泥漿，按規(guī)范要求清孔。為保證試驗(yàn)中樁能發(fā)生滑移，在混凝土澆筑前樁底沉入不小于30cm厚褥墊層。

(3)樁內(nèi)布置3根灌漿管(兼作聲測(cè)管)至樁底，并在管底設(shè)置橡皮堵頭，混凝土澆筑初凝后應(yīng)進(jìn)行疏通，保證灌漿得以進(jìn)行。

(4)試驗(yàn)樁預(yù)定最大加載量22000kN。試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行，第一階段為獲得樁的極限側(cè)摩阻力，試驗(yàn)應(yīng)加載至樁體滑移破壞，然后卸載，檢測(cè)試驗(yàn)樁在不注漿條件下的極限側(cè)摩阻力。第二階段為驗(yàn)證壓漿效果，將樁底褥墊層沖洗干凈，之后進(jìn)行高壓灌漿，待注入漿體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行第二次加載至破壞或試驗(yàn)最大加載量。

(5)在試驗(yàn)樁樁身設(shè)置鋼筋計(jì)，樁底設(shè)置土壓力計(jì)，確定分層土的極限側(cè)摩阻力、樁端承載力。鋼筋計(jì)布設(shè)在地層巖性變化位置(包括基巖風(fēng)化界面)及樁頂、樁底(較厚的單一巖性土(巖)層內(nèi)也應(yīng)設(shè)置鋼筋計(jì))，每個(gè)觀測(cè)斷面沿120°設(shè)置鋼筋計(jì)3只，與豎向鋼筋同徑，鋼筋計(jì)和土壓力計(jì)觀測(cè)應(yīng)與加載過(guò)程的沉降觀測(cè)同步進(jìn)行。根據(jù)先導(dǎo)孔成果，S1試驗(yàn)樁共布設(shè)10個(gè)鋼筋計(jì)斷面，S2、S3試驗(yàn)樁均布設(shè)9個(gè)鋼筋計(jì)斷面，每根試驗(yàn)樁底部布設(shè)3個(gè)土壓力盒。

3.2 試驗(yàn)成果

2011年11～12月完成了試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，第一、二階段靜載荷試驗(yàn)S-Q曲線如圖1、2所示，成果匯總見表1。

表1 第一階段、第二階段靜載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖1 第一階段靜載荷試驗(yàn)s-Q曲線

由S1試驗(yàn)樁第一、二階段軸力匯總表中歸一斷面與V9斷面軸力之差得到各分級(jí)荷載下的總側(cè)摩阻力及其平均值，如圖3-4所示。

由S1試驗(yàn)樁第一、二階段所測(cè)得土壓力盒應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算出各階段每級(jí)荷載下的樁端阻力，如圖5-6所示。

圖2 第二階段靜載荷試驗(yàn)s-Q曲線

通過(guò)以上圖表對(duì)比，S1試驗(yàn)樁第一階段試驗(yàn)情況下，2者之和與分級(jí)荷載不大相同，但第二階段試驗(yàn)2者之和與各分級(jí)荷載基本保持一致，偏差不大，這驗(yàn)證了本次試驗(yàn)計(jì)算側(cè)摩阻用的鋼筋計(jì)數(shù)據(jù)合理。

土壓力盒數(shù)據(jù)作為鋼筋計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與鋼筋計(jì)反映規(guī)律基本一致。

圖3 S1試驗(yàn)樁第一階段靜載荷試驗(yàn)鋼筋計(jì)折算分析

圖4 S1試驗(yàn)樁第二階段靜載荷試驗(yàn)鋼筋計(jì)折算分析

圖5 S1試驗(yàn)樁第一階段靜載荷試驗(yàn)土壓力盒分析曲線

3.3 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

參考《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取樁側(cè)土的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值：壤土層40kPa，卵石層160kPa，風(fēng)化巖層80kPa。試驗(yàn)樁成果揭示：壓漿前卵石層各組鋼筋計(jì)分層樁周極限側(cè)摩阻力17.57～128.35kPa，建議值47kPa；風(fēng)化巖層各組鋼筋計(jì)分層樁周極限側(cè)摩阻力9.74～113.44kPa，建議值32kPa。壓漿后，卵石層各組鋼筋計(jì)分層樁周極限側(cè)摩阻力16.81～172.69kPa，建議值87kPa，是壓漿前的1.85倍；風(fēng)化巖層各組鋼筋計(jì)分層樁周極限側(cè)摩阻力16.52～209.18kPa，建議值88kPa，是壓漿前的2.75倍。

圖6 S1試驗(yàn)樁第二階段靜載荷試驗(yàn)土壓力盒分析曲線

4 灌注樁樁端后壓漿設(shè)計(jì)

根據(jù)專項(xiàng)試驗(yàn)取得樁基土層參數(shù)，按照普通灌注樁設(shè)計(jì)，樁徑不變，樁長(zhǎng)需加長(zhǎng)到100～120m，不僅施工難度大、施工周期長(zhǎng)、投資較高，而且泥皮厚度與沉渣的不利影響加劇；按照樁端后壓漿樁基設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)僅需51.5～54.5m，投資較小，按試驗(yàn)施工工藝實(shí)施更可靠。

經(jīng)綜合分析，采取樁端后壓漿方案提高樁基承載力，四座槽墩樁基布置如下：A#槽墩承臺(tái)底高程67.50m，B#～D#承臺(tái)底高程64.50m，承臺(tái)長(zhǎng)28.6m，寬7.6m，厚2.5m。承臺(tái)下設(shè)兩排直徑1.7m灌注樁與承臺(tái)固接，每排7根，樁距、排距均4.2m。樁長(zhǎng)51.5～54.5m，相應(yīng)樁底高程10.0～16.0m，逐樁均布3個(gè)灌漿管，兼做聲測(cè)管。

4.1 樁基承載力計(jì)算

按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄N計(jì)算，摩擦樁后壓漿單樁軸向受壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算式為：式中，［Ra］—樁端后壓漿后單樁軸向受壓容許承載力，kN；βsi—第i層土側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，根據(jù)泥巖(砂巖)的地層條件、現(xiàn)場(chǎng)灌漿差異較大的情況和S1、S2、S3試驗(yàn)樁靜載荷試驗(yàn)成果專家咨詢意見和可灌性條件，取1.4，按照規(guī)范對(duì)樁端以上8m范圍進(jìn)行增強(qiáng)修正；βp—端阻力增強(qiáng)系數(shù)，根據(jù)造孔工藝、泥巖、砂巖的地層差異和弱～中等透水特點(diǎn)，選用1.7；單樁最大豎向承載力允許值13092～13217kN，考慮地震工況地基容許承載力調(diào)整系數(shù)后，滿足規(guī)范要求。

4.2 灌漿壓力

抗撥q′su為樁承壓摩擦力qsu乘ξ后可得到，所需最大灌漿壓力Pmax為：

式中，Pmax—最大灌漿壓力，kN；G—為樁自重，kN；A—樁端截面積，m2。

計(jì)算允許最大灌漿壓力6.95～7.73MPa，根據(jù)強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化的巖層條件，選擇灌漿壓力5MPa。

4.3 估算灌漿量

樁端置于強(qiáng)風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖中的大直徑樁，壓力灌漿時(shí)難以擴(kuò)徑，灌漿目的以加固樁端沉渣或樁端巖層中裂隙為主。在樁底形成灌漿體的直徑1.70m需注入純水泥漿液3.5 t，水灰比w/c=0.8。考慮到灌漿損失，注入純水泥量Gc=αp×d=2.5× 1.8=4.5t。

5 灌注樁后注漿施工

5.1 主要施工技術(shù)要求

(1)加強(qiáng)鉆孔灌注樁成樁控制要求。鉆孔灌注樁應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)工藝進(jìn)行施工，成孔泥漿指標(biāo)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)選定，并設(shè)置泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)，嚴(yán)格控制泥漿比重、粘度及膠體率等指標(biāo)。為減少卵石層成孔固壁影響，樁基成孔應(yīng)在基坑開挖形成作業(yè)面(鋼筋籠頂面+護(hù)筒高度)后進(jìn)行，改善成樁條件。

(2)后壓漿施工技術(shù)要求。樁端后壓漿單樁布置3根灌漿管兼做聲測(cè)管，深入樁底，采用3個(gè)回路均勻同步灌漿；壓漿前，通過(guò)壓水試驗(yàn)認(rèn)知樁底可灌性并疏通灌漿通道；漿液采用凈水泥漿，水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5，水膠比0.5∶1～1∶1，濃度應(yīng)由稀到濃，逐級(jí)變換調(diào)整；單樁壓漿量4.5t，樁底最大灌漿壓力5.0MPa，持續(xù)注漿壓力可采用2～ 3MPa，確保慢速、低壓、低流量注漿。

5.2 施工控制

樁基后壓漿施工過(guò)程應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1)樁底后壓漿在樁身混凝土超聲波檢測(cè)結(jié)束后進(jìn)行，壓漿前，應(yīng)先將孔底進(jìn)行疏通，確保漿液注入樁端地層。

(2)樁基壓漿時(shí)，同一根樁中的全部壓漿孔應(yīng)同時(shí)均勻壓入水泥漿，并隨時(shí)監(jiān)測(cè)樁頂?shù)奈灰坪蜆吨芡翆拥淖兓闆r。壓漿終止時(shí)間應(yīng)根據(jù)壓漿量、壓漿壓力和孔口返漿等因素確定。在壓漿10m范圍內(nèi)不進(jìn)行其它鉆孔樁的施工。

(3)樁基后壓漿的終止條件灌漿采取壓漿量與壓力雙控，以壓漿量控制為主，壓力控制為輔。當(dāng)壓漿量達(dá)到設(shè)計(jì)壓漿量或壓漿壓力達(dá)到控制壓力，并持荷5m in注入率小于1L/m in，可停止灌漿。

(4)壓漿分3次進(jìn)行，且依次按總壓漿量的40%、40%、20%循環(huán)壓入，壓水試驗(yàn)后應(yīng)立即進(jìn)行第一序灌注稀漿，初始注漿壓力可采用1MPa，水灰比可采用1∶1，第二序采用中等濃度水泥漿，水灰比采用0.7∶1，第三序采用0.5∶1濃漿液壓入，個(gè)別樁基據(jù)壓水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)整，確保了樁底漿液密實(shí)。

(5)若注漿量超過(guò)初定壓漿量較多，注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間低于穩(wěn)定灌漿壓力，或發(fā)生樁周冒漿、周圍樁孔串漿，可加入水玻璃速等速凝材料調(diào)低水灰比采用間歇灌漿，間歇間隔30～60min；或?qū)⒃撟{管用清水或壓力水沖洗干凈，等到原來(lái)壓入的水泥漿液終凝固化、堵塞冒漿、串漿的孔道后再重新注漿。

按照以上控制要求灌注樁壓漿成果如圖8所示。

圖8 渡槽槽墩后注漿量

總體上樁端巖質(zhì)較好，灌注量少，灌漿壓力已達(dá)到設(shè)計(jì)要求；多數(shù)樁基出現(xiàn)樁周冒漿現(xiàn)象；先期灌注樁體灌漿量較大。

5.3質(zhì)量檢驗(yàn)

(1)后壓漿完工后，應(yīng)提供水泥、水和外加劑的材質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告，壓力表鑒定證書、試壓漿記錄、設(shè)計(jì)工藝參數(shù)、后壓漿施工記錄、特殊情況處理記錄等資料。

(2)樁底沉渣厚度采用鉆芯法測(cè)定，并鉆取樁端持力層不少于0.5m巖土芯樣檢驗(yàn)樁端持力層，每個(gè)槽墩下不少于3根，采用鉆心法檢測(cè)及注漿管疏通過(guò)程中應(yīng)采取措施，嚴(yán)禁損壞樁頂及樁周鋼筋，確保壓漿質(zhì)量與樁體質(zhì)量。

5.4 效果

后壓漿灌注樁解決了樁基承載力的問(wèn)題，改善與恢復(fù)了基礎(chǔ)持力層條件。目前，渡槽工程輸水正常，渡槽先后經(jīng)歷了一次充水試驗(yàn)、二次充水試驗(yàn)、全線試通水試驗(yàn)，根據(jù)安全監(jiān)測(cè)結(jié)果，樁基礎(chǔ)采用后壓漿處理后，槽墩沉降量較小，承載力與變形均滿足了設(shè)計(jì)要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

鉆孔灌注樁樁底后壓漿經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下，不但可以提高樁基承載力、加快施工進(jìn)度和降低工程造價(jià)，還可以解決常規(guī)灌注樁無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜技術(shù)問(wèn)題，在工程中推廣后壓漿灌注樁意義重大、前景廣闊。

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TU473.1

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1672-2469(2017)03-0073-04

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.027

2017-01-17

李書群(1973年—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。