新型定壓開關防堵式壓漿閥研究與應用

羅國龍，田 龍，李華龍，龍 剛，劉 剛，張志偉，代子洲，郭弘鵬，盧慧忠

(中建三局集團有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著我國高層建筑、大型橋梁等工程的興建，鉆孔灌注樁具有承載力高、施工方便、工期短、造價低、施工可靠性高等優點，在結構基礎工程中被廣泛應用。但鉆孔灌注樁由于施工期間需泥漿護壁，樁端往往存在孔底沉渣和樁周泥皮，地層土壤中也存在孔隙導致土壤有一定壓縮性，從而導致樁底不密實，使得鉆孔灌注樁的實際承載力低于設計預期且具有較大提升空間和注漿提升必要性，因此目前業界普遍采用后壓漿技術提高樁基承載力。

西安奧體大橋為2021年第十四屆全運會配套工程，其橋梁主塔為高達123m的空間異形結構，承受荷載較大且受力復雜，設計在主塔樁基上使用后壓漿技術，并要求壓漿閥具有防堵、防串漿等功能，目的是確保樁基承載力得到有效提高，縮短樁長，降低造價，同時減小基礎在河道內的施工難度。該工程沿線地質主要是砂土，樁基持力層更是中粗砂和礫砂等，按JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》中第6.3.4條，砂土地基尤為適合采用樁基后壓漿技術，其樁側承載力提高系數達2倍左右。此舉可大大縮短樁長，降低河道內深樁基的施工難度和成本。

然而，傳統的鉆孔灌注樁后壓漿技術由于壓漿閥不具備防堵、全方位出漿及定壓打開、卸壓關閉等功能，實際壓漿施工過程中，鋼筋籠自重導致壓漿閥被壓入沉渣底部并擠死底部出漿口而造成堵塞，使得壓漿無法完成。另外，由于常規壓漿閥及其工藝無法實現定壓打開、卸壓關閉功能，實際施工過程中往往存在低于設計壓力施工、偷工減料等行為。同時，不同壓漿管間存在串漿、漏漿問題，導致漿料壓力不足，無法完全填充樁端附近空隙，樁基承載力得不到足夠提升。

為解決上述不足，西安奧體大橋對一種新型定壓開關防堵式壓漿閥進行了研究與應用，并形成了有實用價值、同類型橋梁首創的施工工藝和施工經驗(見圖1)。

圖1 西安奧體大橋主墩樁基效果

1 新型定壓開關防堵式壓漿閥工作原理

鉆孔灌注樁成樁后，安裝、調試壓漿泵、壓漿管、新型定壓開關防堵式壓漿閥。壓漿時，合理控制壓力、持荷時間，使壓漿泵中的漿液通過漿液輸送管輸送到閥體時，漿液會先在閥蓋積聚，形成一定的壓強后，漿液會推動閥蓋向下打開，彈簧被壓縮；同時，閥蓋的中軸下壓，下銷釘沿內軸的弧形孔向下移動，帶動內套筒旋轉，從而使得外套筒底與內套筒底出漿孔重合，外套筒側與內套筒側出漿孔重合，漿液流出；當漿液灌滿樁底縫隙后，閥蓋上下壓差逐步減小，彈簧逐漸回彈，內套筒旋轉回原來位置，閥體關閉，從而壓漿達到設計量，使灌注樁承載力達到設計要求。

其中，該壓漿閥底部和側壁的出漿孔不會完全密封，如果在灌漿前閥體內滲入漿液，漿液便會在重力和土層吸附力作用下從出漿孔間的間隙排出，解決了閥體內存在漿液導致壓漿閥內外壓強差變小，彈簧達不到可壓縮強度，閥蓋不打開的問題；該壓漿閥采用內置花口旋開，可避免常規壓漿閥由于鋼筋籠自重壓制導致的無法開啟問題；同時，該壓漿閥內套筒底部開設有內套筒出漿孔，側壁上開設有內套筒側出漿孔；外套筒底部開設有外套筒出漿孔，側壁上開設有外套筒側出漿孔，使得壓漿方向更多元(見圖2，3)。

圖2 定壓開關防堵式壓漿閥結構示意

圖3 定壓開關防堵式壓漿閥實際效果

在施工中，該壓漿閥可充分利用聲測管進行鉆孔灌注樁的后壓漿施工，只有在聲測管中的漿液在閥蓋上達到一定壓強后，彈簧才會開始壓縮，通過測量聲測管中漿液的壓強值是否達到彈簧的壓縮強度，可防止施工中少灌漿或不灌漿等偷工減料現象發生，保證樁的質量和承載力。當漿液灌注到壓漿閥中，在高壓和重力作用下，漿液會推動壓漿閥的閥蓋向下移動，帶動內套筒轉動后使得底部出漿孔順利打開，這些漿液經過滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結等物理或化學形式單獨或共同作用，形成一個密實的結實體，改善了樁-土界面條件，使樁的承載力和樁側阻力得到不同程度的提高，樁的沉降得以減小，大大提高鉆孔灌注樁的樁基承載力，有效減小樁的沉降量，進而解決沉渣、泥皮等工程通病。

2 新型定壓開關防堵式壓漿閥研究與應用

2.1 現場施工工藝流程

根據現場條件，初步確定新型定壓開關防堵式壓漿閥現場使用工藝流程，指導現場有序施工：制作加工→隨機抽取試件→試件現場同條件測試→現場安裝→現場施工。

2.2 現場實施應用

2.2.1試件現場同條件測試

在工廠批量加工前，應該對試件進行抽檢，現場按施工方案在施工同等條件下進行試驗，即對壓漿閥用注漿機注水進行壓力試驗，工作壓力取3.0～6MPa。通過試驗結果進行壓漿閥結構、施工安排分析優化，以保證后期施工質量與效率。

2.2.2現場安裝、驗收

現場安裝時，樁端注漿用聲測管作為注漿管，將其綁扎在鋼筋籠內側隨鋼筋籠下入孔底。本工程樁徑2.5m，設4根聲測管，呈十字交叉型。新型壓漿閥上套筒頂部通過螺紋與聲測管相連，聲測管與漿液輸送管一端相連；漿液輸送管的另一端與壓漿泵相連，因本工程樁基檢測管兼后壓漿管，鋼筋籠焊接時要保證各項要求到位，同時必須保證壓漿閥比鋼筋籠端部多出30cm，并保證壓漿閥和聲測管的絲口與牙具制作達到設計要求。同時，檢查壓漿閥外部孔洞處貼的防漏膠布是否完整，以免因混凝土灌注而將洞口堵塞影響壓漿效果，如圖4所示。

圖4 安裝示意與現場效果

現場安裝完畢后，應組織各參建方進行實體安裝驗收，項目技術部定期做好技術復核工作，確保新設備、新工法按施工方案合理施工，保證施工質量。

2.2.3現場實施研究應用

1)漿液配制 ①壓漿水泥 采用P·O42.5級普通硅酸鹽無結塊的雙檢水泥。②強度要求 7d強度≥10MPa。③水泥漿性能要求 漿液的水灰比0.5～0.7，隨著壓漿的進程先稀后濃；初凝時間為 3～4h，稠度12～15s。④嚴格控制漿液配合比，攪拌時間≥2min，漿液進入儲漿桶時必須用16目紗網進行2次過濾并對聲測管進行注水沖洗，防止雜物堵塞壓漿孔及管路。⑤外加劑 摻入一定量的微膨脹劑(配合比根據試驗確定)，確保漿體無收縮。本工程在制漿過程中正值冬天，發現氣候對制漿具有較大影響，通過總結，當制漿氣候冷時，需將水泥漿的溫度控制在5℃以上，以避免將冰、雪等摻入混合材料。另外，如果制漿氣候炎熱，則需將漿料溫度控制在40℃以內，并做好防熱防曬工作。從混合到使用水泥漿的時間必須在4h內控制。如果有大量灌漿且集中，則建議建立1個制漿站以實現集中制漿和傳輸。

2)持續時間 5min。

3)壓漿流量 宜≤75L/min。

現場施工時，實行壓漿量與壓力雙控，以壓漿量(水泥用量)控制為主、注漿壓力控制為輔。若注漿壓力達到控制壓力，并持荷5min，同時達到設計注漿量的80%，也可認為滿足了設計要求。

4)出現下列情況之一時應改為間歇注漿，或調低漿液水灰比：①注漿壓力長時間低于正常值；②地面出現冒漿或周圍樁孔串漿。

5)每根壓漿管在每一循環過程中必須保證壓漿施工的連續性，壓漿停頓時間>30min，應對管路進行清洗。

6)為減少管路系統對注漿壓力的損失，注漿泵與注漿孔口距離宜≤30m，并確保注漿過程中注漿管路不發生彎折。

7)按本工程施工經驗，注漿前要用清水(高壓)打通通道，注水暢通后再注水泥漿。壓漿前需檢查設備是否正常運轉，檢查攪拌好的水泥漿稠度與初凝、終凝時間及配制的水泥漿是否滿足壓漿需要。

2.2.4應用過程中各種工況解析

1)壓力逐漸上升，但達不到設計要求的壓力 這可能是漿液在黏土中形成脈狀劈裂滲透，或漿液濃度低、膠凝時間長，或部分漿液溢出。

2)壓漿開始后壓力不上升，甚至離開初始壓力值呈下降趨勢 這可能是漿液外溢。

3)壓力上升后突然下降 這可能是漿液從注漿管周圍溢走，或注速過大，擾動土層，或遇到空隙等薄弱部位。

4)壓力上升很快，而速度升不上去 這表明土層密實或膠凝時間短。

5)壓力有規律上升，即使達到容許壓力，壓漿速度也變化不大 這表明壓漿成功。

6)壓力上升后又下降，而后再度上升，并達到預定的要求值 這可認為是第3種情況的空隙部位已被漿液填滿，這種情況也成功。

3 數據分析及研究

為充分驗證該新型定壓開關防堵式壓漿閥的施工效果，結合本工程施工經驗和研究成果，選取相同地質的西安地鐵16號線一期工程土建施工項目標段五鉆孔灌注樁工程進行應用研究，并進行橫向數據對比及分析，得出如下結論：該新型定壓開關防堵式壓漿閥施工效果良好，能有效避免傳統壓漿閥的各項弊端，起到防堵、防串漿作用，進而確保樁基承載力得到有效提高，縮短樁長，降低造價，同時減小基礎在河道內的施工難度。部分試驗檢測數據及結果如表1所示。

表1 樁基參數

1)承載力試驗 SZ1-1，SZ1-2在終止荷載8 800kN 作用下未發生破壞，Q-s曲線呈緩變型；SZ1-3在終止荷載10 120kN作用下，試樁發生破壞，最終沉降量>40.0mm，Q-s曲線出現陡降段，沉降持續增大，且不能穩定。因此，可認為在試驗條件下，SZ1-1，SZ1-2，SZ3-3的單樁豎向抗壓承載力極限值分別可取8 800，8 800，9 680kN,其特征值分別可取4 400，4 400，4 840kN。沉降數據如表2所示。

表2 沉降數據 mm

2)樁身應力測試 單樁豎向抗壓靜載試驗期間，對樁身進行了測試，根據測試結果，得到的樁身側阻力與樁端阻力實測值如表3所示。

表3 樁身側阻力與樁端阻力實測值

4 結語

1)通過運用此新型定壓開關防堵式壓漿閥，進一步克服傳統壓漿閥的各種缺陷，大大提高了鉆孔灌注樁的樁基承載力，有效減小樁的沉降量，進而解決了沉渣、泥皮等工程通病；也無須增大鉆孔灌注樁的樁長和直徑，在保證承載力的要求下甚至可減少樁基數量；并能充分利用聲測管進行鉆孔灌注樁的后壓漿施工；加之其本身造價低，從而降低整體施工造價，降低基礎成本。

2)本工藝通過運用這種整體性好、成本較低、可有效提高單樁承載力的定壓開關防堵式壓漿閥，克服了現有技術中存在的缺陷，減少了施工中遇到的各種施工困難，又能保證后壓漿工藝達到預期效果，進而確保樁基承載力，提高施工質量，不會造成返工；同時，其制造、安裝、拆卸方便，施工簡易，從而整體縮短工期。

3)本工藝充分利用聲測管兼用后注漿管的工藝，此款新型定壓開關防堵式壓漿閥具備防堵、多方位出漿及定位開啟、泄壓關閉的功能，可彌補普通壓漿閥的各種缺點，改善了現在工程中普通壓漿閥在深入樁底后，大多數出漿孔被阻塞，而又無法檢測的技術缺陷，有效保證了壓漿閥的可使用性，確保后壓漿工藝達到預期效果。

4)本工法充分通過現場實踐后壓漿技術控制達到壓漿量，滿足要求，壓漿效果整體上升。另外，本工法中壓漿閥整體結構為剛性構件，克服了現有技術中壓漿閥底部出漿孔易破壞變形的缺陷。可使壓漿閥的底部深入到沉渣或樁端土層中一定深度，使得漿液與沉渣和樁端土層充分作用，有效提高單樁承載力；并具有阻止漿液回流、防止施工過程中偷工減料等優點，因此具有施工質量可控性。