工程樁自平衡試驗后注漿處理與應用分析

殷開成，王磊，戴欣，謝禮飛

（1.南京賽寶液壓設備有限公司，江蘇 南京 211164；2.南京東大自平衡樁基檢測有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

近年來基樁自平衡法靜載試驗在試驗條件受限的情況下，發揮了非常重要的作用，特別是隨著住建部JGJ/T 403—2017《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》和各地方規程的發布實施，自平衡靜載測試技術獲得了廣泛的推廣和應用。

自平衡法試驗是對預埋在樁身的特制荷載箱進行加載，樁身從荷載箱處分為上、下兩段，互相提供反力進行測試[1-3]。試驗后上、下段樁雖然仍由荷載箱連接在一起，但是對于工程樁采用自平衡法試驗產生的樁身裂隙，部分業內外人士缺少加固處理的經驗或者不清楚荷載箱處樁身承載力情況，擔憂基樁加固后是否可以正常使用。

本文主要從荷載箱結構設計的角度，對工程樁自平衡試驗后能否繼續正常使用的問題進行討論，并且結合工程實踐經驗，給出荷載箱處裂隙加固處理的建議方法及質量控制要素。

1 荷載箱位置加固的必要性

灌注樁試樁在自平衡試驗后形成的上、下段樁抗壓承載力各占整樁極限承載力的一半，即樁身因荷載箱加載產生的縫隙將導致豎向抗壓承載力減半，未經過處理時樁頂施加的荷載僅由上段樁承擔。而封閉荷載箱的液壓管路并不能作為長期有效的措施來保證下段樁承載力的發揮。因此，自平衡試驗后的工程樁必須對荷載箱處裂隙加固處理。

荷載箱處裂隙可以參照樁身缺陷的注漿加固處理方式，通過預埋專用注漿管路，在自平衡試驗后進行注漿施工并控制其質量。注漿的主要目的是修復荷載箱打開處的樁身間隙，該注漿又可細分為荷載箱內部注漿與荷載箱外部注漿兩部分，其中，前者可彌補少部分的樁身完整性和提高樁身強度，后者可彌補大部分的樁身完整性并提高樁的承載力。

根據雙荷載箱測試發現，自平衡試驗過程中會有樁周巖土體進入荷載箱處裂隙，將荷載箱閉合位移和原張開量對比發現以荷載箱殘余張開量計的填充率在50%~60%，因此，注漿時應考慮此特殊性，進行針對性設計，以保證注漿效果。

2 注漿裝置設計與安裝

制定工程樁自平衡法靜載試驗方案時應考慮荷載箱的位置及注漿要求，荷載箱應設計有注漿結構，注漿裝置與荷載箱一體加工和安裝。

在荷載箱與鋼筋籠焊接以及成樁施工過程中，應按試驗方案進行注漿管的布置和安裝。

2.1 荷載箱處注漿管設計

荷載箱上預留注漿連接管的設計，主要考慮以下幾點：是否兼作其他檢測管；密封性；出漿口的打開性能和出漿效果。

如利用其他檢測管兼作注漿管，則首先保證相應的檢測要求，在荷載箱加載時出漿口不應同步打開，避免外界泥沙進入，影響檢測效果。

荷載箱出廠前，注漿連接管應注水檢驗密封性，確保連接管、出漿口的密封性和焊接質量。

出漿口打開的可靠性，可由其與荷載箱打開面的一致性來保證，即出漿口應位于荷載箱的打開面。

出漿效果指出漿口的數量或大小應充分保證加固注入水泥漿的正常流通。從工程實踐發現，出漿口數量不宜少于2 個，孔口直徑不宜小于8 mm。

根據上述要求，出漿口設計可分為打開式（敞開式）和逆止式2 種結構類型，如圖1 所示。

圖1 出漿口類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouting outlet types

1）打開式。該結構形式的注漿連接管在試驗前為封閉狀態；荷載箱加載過程中，隨著位移的產生，出漿口在荷載箱下板處被同步打開，試驗后可通過此開口注漿。

在技術要求上，該注漿連接管在荷載箱下板位置切有槽口，該槽口的設計深度大于管壁厚的一半，以保證槽口處為預留管的最薄弱截面，即唯一斷開處，同時根據管徑和壁厚計算其拉斷力為加載值的2%~5%，用以保證不影響荷載箱的加載。

2）逆止式。該結構形式的注漿連接管上設有支管及逆止閥，出漿口通過逆止閥設置為封閉狀態；荷載箱加載后逆止閥出口位于樁身間隙處，形成注漿的出漿口，能夠保證清水和漿液的正常流通。

該類注漿連接管一般為檢測兼用管，在試驗前后均需保持密封，因此連接管采用套管拉伸結構，在外管上端開孔連接支管后安裝逆止閥，其中支管長度按逆止閥出口緊靠荷載箱下板設計，逆止閥的封閉壓力控制為1.0~2.0 MPa，既能保證檢測管的密封性，也能保證出漿口正常打開。

2.2 注漿管規格

預埋注漿管宜采用準20~32 mm 鋼管，壁厚不宜小于2 mm。如以檢測管兼做注漿管時，其規格應同時滿足其他檢測的要求。

2.3 注漿管數量

部分標準提出注漿管的數量不少于2 根。結合工程經驗，綜合考慮施工便利和注漿效果后，宜按樁徑大小進行注漿管數量的布置：樁徑不大于1.0 m 時設置2 根，大于1.0 m 時設置2 根以上[4]。

在自平衡試驗中，很多情況是利用其它檢測管（如聲測管、位移管等）兼做注漿管，若兼做注漿管的數量滿足要求時，可不增加專用注漿管。

2.4 注漿管安裝

注漿管按上述方式在荷載箱處連接安裝，上部注漿管與每節鋼筋籠對接后，沿主筋綁扎固定至樁頂。下放鋼筋籠時，每節注漿管內均需注水檢查安裝質量，避免因滲漏造成混凝土漿液堵管。

3 注漿要求

3.1 漿液的配制

1）水泥選材。漿液的基本要求是固結體強度不低于樁身強度，一般可用P.O42.5 或P.O42.5R普通硅酸鹽無結塊的雙檢水泥[4-5]。

2）漿液配比。水灰比一般為0.5~0.6，并可摻入一定量的微膨脹劑[4-6]。根據以往試驗，28 d后的水泥凈漿試塊在水灰比為0.5 時，抗壓強度達到35 MPa 以上；水灰比為0.55 時，抗壓強度達33 MPa 以上；水灰比為0.6 時，抗壓強度約為27 MPa。因此，注漿時應嚴格控制水灰比，避免漿液固化后的強度低于樁身混凝土強度。

3）水泥漿性能要求。初凝時間3~4 h，稠度17~18 s，7 d 強度逸20 MPa。

4）漿液配制程序。先放水，再均勻加水泥，宜采用中高速攪拌，攪拌時間大于2 min，攪拌好的漿液具有良好流動性，不離析，不沉淀，并用16 目紗網過濾，防止雜物堵塞注漿孔及注漿管路[6]。

3.2 注漿步驟及要求

1）注漿前清管。注漿前從其中一個注漿管內注清水至其它管冒出清水后停止，其作用主要有兩點：一是檢查和清理注漿管道；二是盡可能沖出因荷載箱打開間隙產生負壓吸入的土體雜質[4-5，7]。

2）壓力注漿。通過高壓膠管連接壓漿泵與工程樁的一根注漿管，當回漿管內冒出正常的漿液后，封閉回漿管口，進行壓力注漿，注漿壓力控制為臆0.5~2.0 MPa[4-5，8]。

3） 注漿量。若僅考慮填充荷載箱處樁身間隙，其理論注漿量與樁身截面面積乘以間隙張開量相對應（間隙張開量指殘余位移量），注漿時可按理論注漿量的3~5 倍進行注漿。

4）注漿流量。控制在100 L/min 內。

5） 壓漿終止。以壓漿壓力、壓漿量雙重控制，若特殊要求可按常規樁側注漿要求進行注漿，注漿完成后應保壓5 min 以上方可拆卸注漿管。

4 注漿可靠性分析

4.1 樁身強度

4.1.1 抗壓強度

以樁徑1 000 mm 的鉆孔灌注樁為例，根據近幾年傳統型荷載箱出廠約400 例的工程實際參數，對荷載箱的數量及極限承載力均值統計如表1。

表1 荷載箱分類統計Table1 Classification statistics of loadcell

根據表1 可見，該樁型抗壓極限承載力平均值約為10 000 kN，其荷載箱型號則為CH-10 000 kN，一般采用6 個額定推力為850 kN 的YG165型液壓缸組成，荷載箱空腔截面積（即液壓缸空腔截面積之和）占該試樁截面積的16.3%。

此類常規荷載箱內部空腔面積占試樁截面的比例為10%~20%，以上述荷載箱為例，計算荷載箱處樁身截面承載力，液壓缸外徑205 mm，內徑165 mm，不考慮液壓缸內注漿。表2 為液壓缸筒與其導致樁身混凝土截面削弱的承載力對比。

表2 荷載箱截面處抗壓承載力Table 2 Compressive bearing capacity at section of loadcell

由表2 對比可知，雖然環形的液壓缸筒截面積僅為液壓缸整體替代的混凝土截面積的35.2%，但其抗壓強度是混凝土的15.09 倍，液壓缸截面抗壓承載力相當于原混凝土截面抗壓承載力的5.31 倍。

表3 中液壓缸規格為組成常規荷載箱的主要系列，其占據樁身截面積約35%，將荷載箱處樁身抗壓強度與常規樁身抗壓強度對比。

表3 荷載箱截面處抗壓強度Table 3 Compressive strength at section of loadcell

根據表3 可知，常規荷載箱的液壓缸不會削弱樁身抗壓承載力，反而將荷載箱位置的樁身抗壓強度提高1.17~1.88 倍。

另由表2、表3 中數據可知，對常規荷載箱不進行液壓缸內部注漿的承載力便高于同等樁身截面，因此對液壓缸內部注漿的意義不大。但是，如果采用中低壓（臆30 MPa）加載類型的荷載箱，因其液壓缸筒的鋼管壁薄，且相同荷載下缸筒直徑變大，所以液壓缸筒截面與其占據的混凝土截面比更小，導致其液壓缸筒不能彌補樁身該截面混凝土缺失造成的承載力削減，試驗后應考慮對荷載箱內部注漿，以彌補缸體薄弱造成的樁承載力損失。

4.1.2 抗剪強度

以表1 中典型荷載箱為例，某試樁主筋為HRB400 螺紋鋼，直徑22 mm，數量20 根。另液壓缸活塞截面約為液壓缸筒截面的2 倍，選取液壓缸筒參數計算樁身抗剪承載力，結果見表4。

表4 荷載箱截面處抗剪承載力Table 4 Shear bearing capacity at section of loadcell

由表4 數據可知，即使不計樁身注漿截面的抗剪承載力，僅液壓缸筒的抗剪承載力也為常規樁身混凝土與主筋的抗剪承載力之和的3.1 倍，表明荷載箱處樁身抗剪承載力未削弱，滿足抗剪強度要求。

4.1.3 實際受力狀態

荷載箱一般置于樁的中下部，該處樁身主要承受豎向荷載。按樁承載力發揮機理，該處軸力很小，而由以上分析得知，該處加固后的樁身抗壓強度遠高于常規樁身截面，故不影響工程樁的正常使用。

當樁受橫向力時，一般情況下深度大時剪力為0；即使荷載箱處仍有剪力，液壓缸可承擔該荷載。

4.2 樁側承載力

試驗后荷載箱處產生的裂隙，相當于一道樁側壓漿環管，對荷載箱外部進行注漿時，也相當于增加了一道樁側注漿工藝。漿液首先可以填滿荷載箱處混凝土的縫隙，其次也將縫隙內部分未清理完全的土體雜質進行固化增強，充足的注漿還可以對荷載箱附近的樁側土體滲透，提高側摩阻力[2]。其注漿效果如圖2 所示。

圖2 荷載箱處樁身注漿效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of grouting effect at section of loadcell

按照我國樁基規范，進行樁側注漿可大幅提高對應土層的側摩阻力，依土層的不同，提高幅度在40%~250%之間[2，6，9]。另自平衡試驗后注漿處理的驗證性試驗結果表明，進行荷載箱外部樁身注漿后再次由傳統靜載試驗測得的樁承載力比原自平衡試驗測得的承載力提高19%以上，也就是說，試驗樁經過注漿處理后承載力可顯著提高[10]。

5 結語

1）工程樁采用自平衡法靜載試驗后，為保證其安全使用，必須對荷載箱處裂隙進行注漿加固處理。

2）荷載箱處注漿管設計為打開式、逆止式兩種，結構符合相應試驗、其他檢測和注漿的要求。

3）結合工程經驗，給出了注漿管埋設、漿液材料和配制要求以及注漿步驟等質量控制建議。

4）荷載箱位置的樁身抗壓強度、抗剪強度均明顯高于試樁本身的強度。

5）注漿可有效修復自平衡靜載試驗產生的樁身間隙，且樁身抗壓、抗剪強度均有所提高，樁側土體承載力也有所提高，工程樁可以正常使用。