后壓漿法對橋梁單樁承載力增強效應研究

嚴偉飛， 尚佩， 陳永生， 廖東輝

(1.浙江省大成建設集團有限公司， 浙江 杭州 310006；2.中交二公局 第二工程有限公司， 陜西 西安 710119)

橋梁工程中，樁基承受橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞給墩臺的巨大荷載，除承受豎向、水平荷載、彎矩等靜力荷載外，特殊情況下還承受地震等動力荷載，樁基承載力至關(guān)重要。然而樁基施工中經(jīng)常會遇到不利地質(zhì)條件或地質(zhì)變異等情況，不得不通過加固提高樁基承載力。后壓漿法通過注漿管向不良地質(zhì)區(qū)注入水泥漿，可使端承樁地基承載力得到增強。黃生根等研究發(fā)現(xiàn)鉆孔灌注樁壓漿后樁基承載力可靠度指標得到大幅提高。張成等認為樁端后壓漿工藝可行，能提高端承樁樁底承載力。該文以浙江鰲江特大橋北引橋9#樁基施工為工程背景，通過單樁豎向抗壓靜力荷載試驗研究樁端后壓漿法對樁基承載力的增強效應。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鰲江特大橋北引橋長710 m，橋跨布置為(12×30+7×50) m，上部結(jié)構(gòu)采用30、50 m先簡支后連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用實體墩、樁基礎。北引橋9#墩里程樁號為K330+375.98，左幅4根基樁，分別為9a-0、9a-1、9b-0、9b-1,設計樁徑φ1.5 m，樁頂標高1.1 m，樁底標高-25 m，樁長26.1 m。均為嵌巖樁，入巖深度不小于2.5倍樁徑，設計要求9#墩單樁豎向抗壓承載力特征值不小于6 000 kN。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察資料，地基土層自上而下為：1) 粉質(zhì)黏土。厚0.8 m，灰黃色，軟塑，飽和，含大量植物根系，韌性、干強度中等，搖震反應無。2) 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。厚5.2 m，黃灰色，流塑，飽和，切面粗糙，含少量貝殼碎片，局部夾薄層粉土，韌性、干強度高，搖震反應無。3) 淤泥。厚12.5 m，灰色，流塑，飽和，含少量貝殼碎片，局部夾薄層粉土，干強度、韌性高，搖震反應無。4) 含粉質(zhì)黏土。厚1.1 m，灰色，軟塑，飽和，切面粗糙，含大量貝殼碎片及大量礫砂，細紗，韌性、干強度高，搖震反應迅速。5) 塊石。厚4.8 m，灰色，中密，飽和，粒徑20～30 cm含量60%～70%，2～10 cm含量10%～15%，中粗砂充填，分選性差，膠結(jié)性差，鉆進易漏漿及塌孔。6) 中風化凝灰?guī)r。厚6.2 m，青灰色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀，巖質(zhì)堅硬(見圖1)。

圖1 鰲江特大橋北引橋9#樁基單樁巖層剖面圖(單位：m)

根據(jù)取芯結(jié)果，9#墩位及周邊墩位地質(zhì)情況異常復雜，地下巖層跌宕起伏，局部存在地質(zhì)突變情況，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石抗風化、軟化能力差，巖體承載力及摩阻力較差，樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值小于2 MPa。采用摩擦樁進行計算的單樁軸向受壓承載力為4 800 kN，僅為承載力特征值的80%。因此，對9#墩左幅基樁樁端進行后注漿處理。

2 后壓漿施工

2.1 后壓漿法工作原理

后注漿法是利用氣壓或液壓的方式把能凝固的漿液均勻注入填料地層中，漿液以填充、擠密等方式驅(qū)走土顆粒中的水分和空氣并填充其位置。經(jīng)過一段時間后，漿液將原來松散的土顆粒膠結(jié)成整體，使土基得到加固，提高土基承載力。后注漿設備主要包括儲槳桶、上料機、攪拌器、壓力傳感器、流量傳感器、壓漿輸送管、實時數(shù)據(jù)采集設備和樁基壓漿裝置等(見圖2)。

圖2 后注漿設備示意圖

2.2 施工工藝

采用常規(guī)的注漿施工方法，注漿管為φ32鋼管，頂端高出地面不小于100 mm，并用堵頭封嚴，防止泥漿等雜物進入。每根樁在取芯孔里設置1根φ32(外徑)×2.75 mm(壁厚)鋼管作為注漿管，管與管之間用絲扣連接牢固。注漿噴頭焊接于注漿管底端，注漿噴頭管的外側(cè)打9個10 mm小孔后纏防水膠布密封，在每個孔的下端焊接墊片，保護注漿孔不受擠壓破壞。注漿管噴頭見圖2。

圖3 注漿管噴頭示意圖(單位：m)

后注漿工藝是決定壓漿效果的關(guān)鍵，需嚴格遵循相關(guān)施工手冊，其工藝流程見圖4。

2.3 注漿壓力和注漿量控制

2.3.1 注漿壓力及流量控制要求

注漿過程采用注漿壓力及流量雙控措施。

圖4 樁基后壓漿施工流程

(1) 注漿量控制。對于直徑1.5 m的樁，樁端壓漿量為4.5 t，持荷5 min后停止注漿。

(2) 注漿壓力控制。注漿壓力根據(jù)土層性質(zhì)及注漿點深度確定，風化巖、非飽和黏性土及粉土的注漿壓力宜為5～10 MPa，飽和土層的注漿壓力宜為1.5～6 MPa，軟土宜取低值，密實黏性土宜取高值。若注漿壓力達到控制壓力，并持荷5 min，同時達到設計注漿量的80%，則可認為滿足設計要求。

該工程樁端注漿壓力為1.5～2 MPa，壓力達到設計值后持荷時間不少于5 min。為保證壓力真實有效，注漿泵壓力傳感器需經(jīng)過標定。為減少管路系統(tǒng)對注漿壓力的負荷，注漿泵與注漿孔距離不大于50 m，并確保注漿過程中注漿管路不產(chǎn)生彎折。現(xiàn)場注漿壓力及流量見圖5。

C1、C2、D1、D2為現(xiàn)場實際壓力設定值。

規(guī)范要求注漿流量不大于75 L/min。從圖5來看，該工程最大注漿流量為69.8 L/min，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范，注漿壓力和注漿量滿足以下條件之一時可終止注漿：1) 注漿總量和注漿壓力均達到設計要求；2) 若注漿壓力未達到控制壓力，但達到控制壓力的80%，應增加設計壓漿量的120%后終止壓漿；3) 若注漿壓力未達到控制壓力的80%，應增加設計壓漿量的150%后終止壓漿。

2.3.2 注漿量及注漿壓力估算

注漿量按JTG D63-2007《公路與橋涵工程地基基礎設計規(guī)范》計算確定，單樁注漿量Gc為：

Gc=apd

(1)

式中：ap為樁端注漿量經(jīng)驗系數(shù)；d為樁徑。

該工程樁基注漿量設計值為4.5 t。因壓漿量是經(jīng)過理論計算得出，且不同地質(zhì)條件壓漿量會不同，漿液注入量與用料計算只是一個估計值，最終應以實際注漿量為準。該工程實際注漿量及注漿壓力見表1。

表1 注漿量及注漿壓力

3 荷載試驗及結(jié)果分析

9#墩樁基試驗荷載采用堆載法，反力系統(tǒng)采用扇形架+砂包形式，加載系統(tǒng)采用液壓千斤頂，數(shù)據(jù)分析采用全自動靜載樁基測試分析儀。采用逐級等量加載方式，每級荷載施加后，在第5、15、30 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀一次，直至樁頂沉降達到穩(wěn)定為止。分級加載的最大值不小于設計單樁承載力特征值的2倍，即12 000 kN。9a-0號樁位移測試結(jié)果見表2，Q-s、s-lgt曲線分別見圖6、圖7。

表2 9a-0號樁基位移測試結(jié)果

注：沉降量以向下為正、向上為負。

圖6 9a-0號樁基承載力Q-s曲線

圖7 9a-0號樁基s-lgt曲線

由表2可知：9a-0號樁最大沉降量為21.28 mm，最大回彈量為10.94 mm，回彈率51.4%。

按規(guī)范要求，該樁最大單樁豎向極限承載力可取荷載試驗最大值。由圖6、圖7可知：9a-0號樁的Q-s、s-lgt曲線均未出現(xiàn)異常。在達到設計要求的最大試驗荷載12 000 kN時，樁頂累計位移量為21.28 mm，卸載后樁頂殘余沉降量為10.34 mm。根據(jù)JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》，單樁豎向抗壓承載力特征值可取單樁豎向抗壓極限承載力的一半，即6 000 kN。經(jīng)樁底壓漿后單樁豎向極限承載力達6 000 kN，滿足設計要求。

4 結(jié)論

(1) 通過壓漿，漿體的壓力作用使樁底虛土壓密，一方面可消除高壓縮性軟墊的影響，另一方面可消除由成孔造成的樁底虛土應力松弛的負作用。

(2) 壓漿可改變土體的受力狀態(tài)。樁尖部分土體先受壓，然后卸載，在進行壓樁時土體處于再壓縮狀態(tài)，模量提高。

(3)鉆孔灌注樁成樁后應用樁底壓漿技術(shù)將水泥漿液均勻壓注入樁端土體，可改善樁周邊界條件和樁底砂土工程特性，提高樁基承載力，減小樁基沉降量。