注漿成型擴(kuò)底PHC管樁設(shè)計(jì)與施工

饒 航

上海市建工設(shè)計(jì)研究總院有限公司 上海 200235

擴(kuò)底樁通過樁底擴(kuò)大頭增加了有效承載面積，提高了樁基承載力，進(jìn)而顯著提高了材料利用效率。后注漿工藝?yán)娩摻罨\或管樁內(nèi)預(yù)先埋設(shè)的注漿管，在成樁后2～30 d內(nèi)用高壓泵進(jìn)行高壓注漿，漿液通過滲入、劈裂、填充、擠密等作用與樁體周圍土體結(jié)合，固化樁底沉渣和樁側(cè)泥皮，起到提高承載力、減少沉降等效果。

目前擴(kuò)底樁多采用機(jī)械成型工藝施工，施工工藝環(huán)節(jié)多、施工設(shè)備投入大、施工質(zhì)量控制難；后注漿工藝過程中水泥漿液不受約束，無序滲流造成注漿效果離散性大。針對傳統(tǒng)擴(kuò)底樁和傳統(tǒng)后注漿工藝的缺陷，開發(fā)了擴(kuò)底樁注漿成型新工藝，即注漿成型擴(kuò)底樁[1-3]。

1 注漿成型擴(kuò)底PHC管樁設(shè)計(jì)

1.1 注漿成型工藝原理

1.1.1 參數(shù)確定

注漿成型擴(kuò)底預(yù)應(yīng)力混凝土管樁既可用于承壓，又可用于抗拔。樁身參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括：注漿成型擴(kuò)底PHC管樁選型、管樁拼接、擴(kuò)大頭的材料和幾何尺寸、注漿材料和大小。

1）成孔直徑：注漿成型擴(kuò)底預(yù)應(yīng)力管樁成孔直徑不宜小于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁外徑D0＋100 mm。

2）樁長：用作摩擦型抗壓樁時，樁的長徑比不宜大于120；用作端承型樁時，樁的長徑比不宜大于100。對注漿成型擴(kuò)底預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，其長徑比計(jì)算時，取預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身直徑。當(dāng)樁穿越厚度較大的淤泥等軟弱土層或承臺底面以下有液化土層時，應(yīng)考慮樁的穩(wěn)定性及對承載力的影響。

3）PHC管樁選型：注漿成型擴(kuò)底預(yù)應(yīng)力管樁樁身強(qiáng)度按國標(biāo)圖集10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》，并應(yīng)滿足以下要求：

① 應(yīng)選用AB型或B型、C型管樁。

② 當(dāng)?shù)叵滤虻鼗翆炷痢摻詈弯摿悴考懈g作用時，不得選用外徑300 mm管樁。

③ 受拉（抗拔）樁或承受水平荷載的管樁基礎(chǔ)工程，不得選用外徑300 mm管樁。

④ 注漿成型擴(kuò)底PHC管樁承壓時，長徑比不宜大于100。當(dāng)管樁穿越厚度較大的淤泥等軟土層或可液化土層時，應(yīng)考慮樁身的穩(wěn)定性及其對承載力的影響。

⑤ 用作受拉（抗拔）樁的管樁，應(yīng)根據(jù)工程情況或設(shè)計(jì)要求，除設(shè)置端部錨固筋外，應(yīng)選用加厚的端板，并增大端板的焊接坡口尺寸。

4）束漿袋設(shè)計(jì)：束漿袋直徑和高度可按下列規(guī)定確定：

① 束漿袋設(shè)計(jì)高度一般取6～12 m，進(jìn)入中、低壓縮性土層不宜小于4 m。

② 束漿袋直徑D=d0＋0.4 m。d0為樁身設(shè)計(jì)有效直徑，注漿成型擴(kuò)底PHC樁即為管樁外徑。

5）注漿設(shè)計(jì)：束漿袋內(nèi)注入的水泥砂漿強(qiáng)度等級不應(yīng)小于M5。注漿材料均應(yīng)采用P.O 42.5級水泥砂漿漿液，水灰比控制在0.55～0.60之間，灰砂比不宜大于1∶1，也不宜小于1∶5。束漿袋內(nèi)設(shè)計(jì)注漿量V=π(D2－d02)Lg/4，Lg為束漿袋設(shè)計(jì)高度。

1.1.2 承載力計(jì)算

1）抗壓承載力計(jì)算：驗(yàn)算時應(yīng)考慮樁身材料強(qiáng)度、成樁工藝、吊運(yùn)與沉樁、約束條件、環(huán)境類別諸因素，除按本節(jié)有關(guān)規(guī)定執(zhí)行外，尚應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2011《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50017—2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。注漿成型擴(kuò)底預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Q'd應(yīng)滿足Q'd≤(0.75～0.85)fcApc－0.37Aσpc，fc為樁身混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Apc為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身橫截面面積，σpc為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身截面上混凝土有效預(yù)加應(yīng)力。

2）抗拔承載力計(jì)算：注漿成型擴(kuò)底預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用于抗拔樁時，應(yīng)滿足下列規(guī)定。

① 對于嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的一級裂縫控制等級預(yù)應(yīng)力混凝土基樁，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下混凝土不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

② 對于一般要求不出現(xiàn)裂縫的二級裂縫控制等級預(yù)應(yīng)力混凝土基樁，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下的拉應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土軸心受拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

③ 對于允許出現(xiàn)裂縫的三級裂縫控制等級基樁，按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)大于按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定中的最大裂縫寬度限值。

3）水平承載力計(jì)算：建筑樁基單樁水平承載力的確定應(yīng)符合下列要求。

① 單樁水平承載力宜通過單樁水平靜載荷試驗(yàn)確定，水平靜載荷試驗(yàn)按現(xiàn)行上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ 08-11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

② 對于混凝土預(yù)制樁，可根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果取地面處水平位移為10 mm（對于水平位移敏感的建筑物取水平位移6 mm）所對應(yīng)的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。

③ 當(dāng)沒有進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)時，可按現(xiàn)行上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ 08-11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定對單樁水平承載力進(jìn)行估算。

1.2 樁身構(gòu)造設(shè)計(jì)

1.2.1 擴(kuò)底灌注樁樁身構(gòu)造設(shè)計(jì)

1）基樁形成前樁身構(gòu)造包含鋼筋籠、注漿擴(kuò)底裝置；基樁注漿擴(kuò)底成型后包含鋼筋混凝土樁身以及水泥砂漿漿體擴(kuò)大頭。其中，注漿擴(kuò)底裝置由擴(kuò)底注漿管和束漿袋組成，擴(kuò)底注漿管數(shù)量不應(yīng)少于2根，設(shè)置于雙層束漿袋內(nèi)（圖1）。

圖1 擴(kuò)底灌注樁注漿前樁身構(gòu)造、注漿后擴(kuò)大頭形成示意

2）擴(kuò)底PHC管樁樁身構(gòu)造設(shè)計(jì)：基樁形成前樁身構(gòu)造包含管樁、注漿擴(kuò)底裝置；基樁注漿擴(kuò)底成型后包含管樁樁身、水泥砂漿包裹層以及水泥砂漿漿體擴(kuò)大頭。其中，注漿擴(kuò)底裝置由擴(kuò)底注漿管和束漿袋組成，擴(kuò)底注漿管數(shù)量不應(yīng)少于2根，設(shè)置于單層束漿袋內(nèi)（圖2）。

圖2 擴(kuò)底管樁注漿前樁身構(gòu)造、注漿后擴(kuò)大頭形成示意

2 注漿成型擴(kuò)底PHC管樁施工技術(shù)

2.1 施工流程

注漿成型擴(kuò)底PHC管樁施工并不會根本改變傳統(tǒng)樁基的施工，而是在傳統(tǒng)樁基施工的基礎(chǔ)上穿插進(jìn)行注漿系統(tǒng)加工、安裝以及注漿成型等一系列工藝流程。

施工流程（圖3）：測量準(zhǔn)備→攪拌形成水泥土攪拌樁→鋼管樁（PHC管樁）上安裝束漿裝置→安裝注漿裝置→靜壓鋼管樁（PHC管樁）入水泥土攪拌樁→注漿擴(kuò)底成型。

2.2 注漿成型施工技術(shù)

2.2.1 注漿系統(tǒng)

圖3 擴(kuò)底樁注漿成型施工工藝流程

注漿系統(tǒng)由注漿泵和注漿管路組成。注漿泵選用山東科工機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZB1-150型注漿泵，其最大工作壓力為5.0 MPa，額定流量為80～150 L/min。注漿管選用直徑1 mch（約25.4 mm）黑鐵管，采用螺紋連接，接頭處纏裹生料帶，注漿管底端采用特殊裝置密封，防止注漿管堵塞。

2.2.2 束漿裝置

束漿裝置呈長袋狀，采用高強(qiáng)維綸防水帆布縫制而成。維綸防水帆布經(jīng)向拉伸5 cm所需的力大于2100 N，緯向拉伸5cm所需的力大于1600 N。

2.2.3 注漿材料

注漿材料為水泥砂漿，強(qiáng)度不低于M5。為確保注漿施工順利進(jìn)行，水泥砂漿必須具備高流動性。為避免水泥砂漿硬化后產(chǎn)生大量泌水現(xiàn)象，影響擴(kuò)底樁承載性能，水泥砂漿必須具備低泌水性。另外，為保證水泥砂漿硬化前后體積基本一致，水泥砂漿必須具備低收縮性。

3 工程應(yīng)用

為了檢驗(yàn)注漿成型擴(kuò)底PHC管樁的實(shí)際應(yīng)用效果，選擇在上海建工醫(yī)院病房樓改建項(xiàng)目中進(jìn)行試樁試驗(yàn)。

3.1 樁基概況

該工程位于上海市虹口區(qū)，包含1幢6層病房樓以及1個1層地下車庫。

本次試樁樁數(shù)為6根抗壓樁，其中普通PHC管樁（SZ）3根；注漿成型擴(kuò)底PHC管樁（SP）3根（表1）。抗壓樁試樁采用φ400 mm的PHC管樁，外徑為300 mm，壁厚為70 mm，普通PHC管樁樁長31 m，注漿成型擴(kuò)底PHC管樁樁長28 m（圖4）。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本工程設(shè)計(jì)前抗壓試樁試驗(yàn)加載值不小于2 000 kN。從試驗(yàn)結(jié)果看，與普通PHC管樁相比，注漿成型擴(kuò)底PHC管樁在樁長節(jié)省3m長度的情況下，抗壓承載力比較接近。

表1 靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖4 注漿成型擴(kuò)底PHC管樁施工

3.3 工效與經(jīng)濟(jì)性

注漿成型擴(kuò)底樁在上海建工醫(yī)院病房樓改建項(xiàng)目的應(yīng)用取得圓滿成功，一個臺班可以施工4～5根工程樁，樁基造價較傳統(tǒng)PHC管樁降低逾30%，有力證明了注漿成型擴(kuò)底樁的優(yōu)異性能。

4 結(jié)語

與機(jī)械擴(kuò)底成型工藝相比，注漿擴(kuò)底成型工藝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1）工藝簡單。樁身施工完成后，將額定的高壓水泥砂漿注入束漿袋中即可在樁身底部形成擴(kuò)大頭。

2）設(shè)備簡易。注漿成型施工主要設(shè)備為常規(guī)注漿泵，設(shè)備來源廣、投入少。

3）質(zhì)量可靠。注漿成型工藝環(huán)節(jié)少，只要控制束漿袋制作和水泥砂漿注入質(zhì)量，施工質(zhì)量就有保障。

4）成本低廉。施工設(shè)備投入少，防水帆布束漿袋、黑鐵管等施工用材多為常規(guī)建筑材料，成本低廉。

5）土層適應(yīng)性強(qiáng)。不僅適用于易成型的硬土層，也適用于軟土層。

同時，通過大量的工程試驗(yàn)及工程應(yīng)用，也證明了注漿成型擴(kuò)底PHC管樁具有施工工效和承載性能高、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)的特點(diǎn)。