微型鋼管注漿樁在棧橋工程上的應用

隨著我國城市化進程的加快，越來越多的建設項目需要在空間狹小、地質結構復雜的場地進行。這些項目的基礎施工往往會面臨一個兩難的局面，采用大直徑樁難以滿足狹窄的施工條件，采用小直徑樁又難以滿足上部構筑物的承載力要求。這種情況下，微型鋼管注漿樁作為一種小徑高強的樁型，在施工工藝和承載力兩方面得到了較好的平衡。

微型鋼管注漿樁一般是指樁徑≯300 mm的鋼管樁，與普通鋼筋混凝土灌注樁類似，采用小型鉆機成孔，用鋼管代替普通鋼筋籠并在鋼管內進行壓力注漿，最終達到水泥砂漿完全包裹住鋼管的效果。目前在全世界范圍內，微型鋼管注漿樁應用的案例并不多，尚處于實踐引導理論發展的階段，在國內還沒有出臺專門的設計標準和施工規范[1]；但是由于這種樁具有樁徑小、穿透力強、橫截面單位面積承載能力高、施工方便等優點，目前在施工場地狹窄、地質結構復雜的工程中，往往成為唯一的選擇。

微型鋼管注漿樁在橋梁基礎上的應用，已有一些相關的案例[2～4]。本文以廣東省某河邊景觀棧橋工程為背景，介紹了微型鋼管注漿樁在廣東粵北地區的應用情況，重點是在介紹設計方案的基礎上，對在河道中施工的技術要點及注意事項進行分析歸納，旨在為今后類似工程提供參考和借鑒，促進這種樁基型式在國內的應用。

1 工程概況

廣東省粵北某市江邊北岸的明代古城墻是歷史文化遺產。本工程是在古城墻的外側做一條長約300 m、寬3～5 m的棧橋，建成后可以作為人行通道和景觀觀賞平臺。

2 工程難點

古城墻的外側有一條與其平行走向的污水箱涵，距離2 m左右，這就導致大型施工機械無法進場操作，而且考慮到大直徑樁基在鉆孔時可能會對古城墻造成擾動，嚴重時可能會引起古城墻的坍塌。經比選，棧橋基礎采用了微型鋼管注漿樁，直徑為220 mm，長約7 m。見圖1和圖2。

圖1 棧橋斷面

工程場地地質情況簡單，勘探孔揭露地層為第四系人工填土（沖填）層（Qml）及白堊系砂巖（K）。地下水分為上層滯水和基巖裂隙水，江水對鋼筋混凝土均有微腐蝕性。見表1。

表1 土層主要力學參數

3 微型鋼管注漿樁的設計

3.1 工作原理

微型鋼管注漿樁主要由鋼管和鋼管內外的水泥砂漿組成，兩者共同作用，相輔相成。一方面，在荷載作用下，鋼管發揮雙重作用，縱向受壓，鋼管能夠約束管內的砂漿樁體，在側向約束和縱向壓力下，樁體三向受壓，極大提高了砂漿樁體的抗壓強度，樁身承載力也相應提高；另一方面，水泥砂漿能夠保護鋼管免受周圍環境腐蝕，延長鋼管壽命，同時可以提高樁身摩阻力，增加豎向承載力。兩者形成合力，提高了樁身的抗彎剛度，減少了樁身細長導致縱向彎曲失穩的可能性。

微型鋼管注漿樁的承載力由兩部分組成，分別是樁周土的摩阻力和樁端承載力。樁周摩阻力由鋼管外側的砂漿凝固體與土體摩擦產生，由于砂漿凝固體與鋼管之間存在界面粘結力，所以這部分力最終會傳遞給鋼管和鋼管內的砂漿；樁端承載力一般是由樁端的基巖提供，由于基巖抗壓強度遠大于樁周土的摩阻力，所以微型鋼管注漿樁的承載力主要由樁端力提供。

3.2 計算內容

在樁基的設計中，所有樁基均需要進行承載力和樁身強度計算。由于目前國內沒有針對微型鋼管注漿樁專用的規范，文獻[1，5]中對這種樁型也沒有提及，所以樁基的計算內容均參考混凝土灌注樁和鋼管樁來進行。

1）樁身承載力計算

式中：Rk——樁身承載力；

φ——樁身穩定系數，根據樁身屈曲計算長度lc和直徑d確定，計算樁身屈曲長度時需要考慮樁頂約束情況、樁身露出地面的自由長度lo、樁身入土長度h、樁側和樁底的地質條件等因素；

φc——成樁工藝系數，參考文獻[1]中關于擠土灌注樁的規定，建議取0.6；

A——鋼管截面積；

Ac——鋼管內的混凝土截面積。

2）單樁豎向承載力特征值計算

式中：Ra——單樁豎向承載力特征值；

K——安全系數，取2；

Qsk——單樁總側阻力特征值；

Qpk——單樁總端阻力特征值；

μ——樁身周長；

qsik——樁第i層土的側阻力特征值；

li——土層厚度；

qpk——極限端阻力特征值；

Ap——樁端面積。

3.3 計算結果

根據平面布置，本工程共需要216根微型鋼管樁，樁頂需要能承受≮170 kN的荷載。由于采用了?168 mm×8 mm的無縫鋼管，樁身填充材料采用水泥漿高壓灌注，水泥漿強度等級為M25，樁身承載力Rk達到了420 kN。工程地質情況良好，地面以下3 m左右即為巖石地基，所以該處樁基按嵌巖樁設計，樁身進入中風化砂巖＞4 m。經驗算，單樁豎向承載力也滿足要求。

4 微型鋼管注漿樁的施工

首先采用地質鉆機成孔，孔底一般需要進入中風化或微風化基巖內一定深度，然后在孔內安裝鋼管，最好采用壁厚≮8 mm的無縫鋼管，再用注漿管從樁基底部壓注水泥砂漿，使水泥漿從鋼管的內外返上來，最終形成鋼管水泥漿樁體。

4.1 施工準備

1）測量放線及鉆機就位。

2）鋼管的加工制作。

3）壓力灌漿系統的布設。

4.2 施工步驟

1）成孔。成孔是微型鋼管注漿樁施工中難度較大的工序。在施工中可能遇到一些特殊地層，如堅石層、拋石層、砂層等，除需要根據地層情況采用不同的鉆頭外，往往還需要采用一些特殊的技術措施。

2）鋼管安裝。需要先對樁孔進行清理，然后分段吊裝鋼管。鋼管長度由現場吊裝能力和施工空間確定，一般為2～3 m一節，鋼管之間的連接方式有螺紋對接和套管焊接兩種。在樁孔口把鋼管接駁好后，逐段放入樁孔內，直至觸底。

3）壓力注漿。進行水泥砂漿的配制，水灰比0.4～0.45，水泥漿強度在20 MPa以上；在樁孔中插入注漿管，一般采用金屬管，下入深度控制在導管下端口與孔底的距離≯50 cm并需配備壓力表；最后進行壓力注漿，注漿壓力宜為0.3～0.5 MPa。注漿過程中應保持注漿管不動，直到水泥漿從鋼管內外均返上來為止；把注漿管從樁孔中抽出，用鋼板密封鋼管口，加壓數分鐘，直至水泥漿從鋼管外再次溢出，這樣可以確保砂漿充滿鋼管的內外側。

微型鋼管注漿樁的施工關鍵點有兩個，一個是砂漿配合比，另一個是注漿工藝。將漿液從鋼管內壓進后，再經樁孔反壓上來，難度很大，所以砂漿配合比的成功設計是微樁施工的關鍵；另一方面，灌注工藝也需要控制好，假如灌漿速度太快，樁孔內的水和灰漿無法排出，就會形成斷樁；同時由于水泥砂漿直接沖刷孔壁，會導致孔壁土體塌落，形成樁身夾泥現象，嚴重時會造成堵管，這種情況在砂質地層尤其容易發生。所以一定要控制好注漿的壓力和速度，拔管要有序，注漿要連續。

4.3 質量控制

1）樁位。施工中嚴格控制孔位的偏差在3.5 cm之內，垂直度偏差應控制在1%以內。同時應注意鋼管的垂度，在下放鋼管時要采取相應措施；每段鋼管的自然彎曲偏差＜l/1 500。

2）采取措施保證成樁孔徑，應比設計樁徑略大。應保證護壁泥漿質量，避免造成縮徑、塌孔等情況。

3）嚴格控制樁長。樁長需要滿足地勘報告和設計圖紙的要求，在鉆孔過程中，若發現地質狀況與地勘報告不符，應停機并通知設計人員現場處理，以保證足夠的入巖深度。

4）由于鋼管比較重且堤岸地層中往往存在容易沉淀的砂層，所以鋼管安裝時必須在安全的前提下控制安裝速度，切忌鋼管擺動碰撞孔壁。

5）保證注漿質量。水泥宜采用不低于42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥；壓注水泥漿的金屬管下端與樁底距離≯50 cm；水灰比應按設計要求配制并且需要通過壓漿試驗來證明其可靠性，注漿壓力宜控制在0.3～0.5 MPa，待水泥漿從鋼管內外流出后，應保持數分鐘穩壓，以確保漿體的密實度；水泥灌漿應快速、連續進行，必須保證水泥漿在初凝前0.5 h填滿樁孔，完成整個灌漿過程。

6）樁頭維護。蓄水養護樁頭時間不得少于7 d。水泥漿達到強度后，進行承臺施工。樁過長時，要用氣體切割，不得使用電焊切割。

7）樁基施工完成并待樁身混凝土達到設計強度后，按文獻[5]規定對樁進行靜載試驗，檢驗樁數不少于總樁數的1%并不少于3根。見圖3。

圖3 樁基靜載試驗

5 結果

樁基施工過程順利，沒有發生質量事故。靜載試驗表明微型樁的承載力滿足設計要求。

6 建議

1）微型鋼管注漿樁作為一種新型的地基處理方法，雖然在多個工程中采用，但是理論研究較少，尚未列入國家規范。它在橋梁基礎、基礎加固、基礎托換，基坑工程的支護與事故處理，邊坡及公路、鐵路路基工程以及灌注樁事故處理等方面均可以發揮特定的作用，所以應結合工程實例多做研究，盡早列入國家規范的范圍。

2）由于微型鋼管注漿樁常常位于復雜的地下或水下環境中，若樁身水泥砂漿灌注質量不好，就會讓鋼管受到土壤內硫酸鹽和水中的硫酸根離子的腐蝕，所以需要特別注意鋼管的防腐問題。如果對鋼管的防腐處理不當，會直接降低微型鋼管注漿樁的使用壽命。經過對國內外一些工程案例的研究，這里建議樁身內的鋼管壁厚宜≮8 mm并在鋼管的外表面涂刷兩層防銹漆，同時適當增加鋼管外側的水泥砂漿保護層厚度。