沖鉆孔灌注樁注漿施工工法及承載力研究

胡建發(fā)

(福建省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司)

沖鉆孔灌注樁的后注漿技術(shù)將注漿管與鋼筋籠連接在一起，通過成孔作業(yè)、放置鋼筋籠，最后高壓注入水泥漿。水泥漿在壓入樁側(cè)和樁端的過程中，固化樁底沉積物和樁側(cè)泥皮，增強(qiáng)樁底的穩(wěn)定性，承載力得到顯著提升[1]，有效降低基礎(chǔ)的沉降量，在高層建筑中應(yīng)用越來越廣泛。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，分析后注漿技術(shù)提高承載力機(jī)理，研究沖鉆孔灌注樁關(guān)鍵技術(shù)。

1 項(xiàng)目概況

寧德天行萬安苑項(xiàng)目，總建筑面積為99970m2，占地面積32481m2，包括8幢18層的住宅樓、1幢17層的住宅樓及部分沿街商鋪，地下室共1 層，為停車場(chǎng)和設(shè)備用房。高層建筑采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本地震加速度值為0.05g。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。沖鉆孔灌注樁適用于各種地層，可獲得較高的單樁承載力，樁身長(zhǎng)度、樁徑選擇范圍大，樁身長(zhǎng)度易控制，單樁承載力高，穿透能力強(qiáng)，能克服振動(dòng)干擾和擠土效應(yīng)，且對(duì)周圍建筑物影響較小。根據(jù)地質(zhì)初勘數(shù)據(jù)，場(chǎng)地巖土體自上而下分述如表1所示。

表1 場(chǎng)地巖土地質(zhì)數(shù)據(jù)

2 樁端后注漿技術(shù)

沖鉆孔灌注樁是高層建筑常用的基礎(chǔ)。樁端后注漿技術(shù)，利用壓漿機(jī)械，向持力層進(jìn)行壓力注漿，水泥漿與土體結(jié)合，強(qiáng)化樁端承載力，固化樁底沉積物和樁側(cè)泥皮，增強(qiáng)樁底的穩(wěn)定性，有效解決樁底沉渣以及泥皮過厚的問題。

2.1 樁端后注漿機(jī)理

注漿前，在鋼筋籠的兩側(cè)預(yù)先埋設(shè)注漿管，然后進(jìn)行加壓。樁側(cè)受壓時(shí)，樁端形成了一個(gè)球形的泥漿區(qū)，沿著四周向土體擴(kuò)散，徑向擴(kuò)散增大了樁徑，豎向的擴(kuò)散增加了樁身長(zhǎng)度。經(jīng)過穩(wěn)定的持力層過濾后，樁身四周的土體，其滲透性大幅降低，成為具有密封性的填充區(qū)[2]。填充區(qū)形成了封閉空腔，樁身側(cè)面形成泥皮，在1～2MPa 的注漿壓力下，填充區(qū)區(qū)域穩(wěn)定，注漿結(jié)束。樁端后注漿機(jī)理如圖1所示。

2.2 樁側(cè)漿液擴(kuò)散機(jī)理

樁側(cè)泥漿的擴(kuò)散，可視為徑向滲流。水泥漿主要在兩個(gè)方向上滲流，一是沿樁身四周的間隙向上擴(kuò)散，一是向樁身四周的土體擴(kuò)散，增加樁身四周的摩阻力。水泥漿在軸向壓力的作用下，對(duì)樁側(cè)的土體造成一定的徑向收縮，水泥漿迅速填充這部分收縮，如圖2所示。

圖2 樁側(cè)漿液擴(kuò)散機(jī)理

2.3 樁端后注漿提高承載力的機(jī)理

⑴后注漿技術(shù)提高樁端阻力

后注漿技術(shù)可以改善土層的密實(shí)度，沖鉆孔施工過程中，水泥漿注入持力層，使砂石滲透進(jìn)松軟的土體，實(shí)現(xiàn)土體固化，夯實(shí)持力層[3]。壓力注漿施工，在樁端產(chǎn)生一個(gè)半球形的樁頂，有效的擴(kuò)大樁端的承載面積，改善樁端的承載能力。水泥漿經(jīng)高壓注入樁底，相當(dāng)于施加預(yù)應(yīng)力，極大的提高樁端力和樁側(cè)摩阻力，提高持力層的強(qiáng)度，使基礎(chǔ)的沉降均勻，減少總沉降量。

⑵后注漿技術(shù)提高樁側(cè)摩阻力

持續(xù)的注漿高壓力下，水泥漿在樁端處形成膨脹區(qū)，注漿后期，水泥漿沿著樁側(cè)的空隙向上返流，通過擠壓作用，減小泥皮對(duì)樁側(cè)阻力的影響，增加樁身與土體間的摩擦，進(jìn)而增加樁側(cè)阻力[4]。在壓力作用下，水泥漿在樁身周邊形成“泥漿脈”，改善周圍土體的力學(xué)性能，提高單樁的承載力。

3 樁端后注漿承載力研究

3.1 承載力計(jì)算

后注漿鉆孔灌注樁的單樁承載力包括三個(gè)方面，加強(qiáng)段的樁身側(cè)阻力、不加強(qiáng)段的樁身側(cè)阻力和樁端球狀區(qū)的擴(kuò)散阻力[5]，單樁極限承載力可按式⑴計(jì)算：

式中，R為樁身半徑，m；qi為鉆孔灌注樁的單位側(cè)阻力，kN/m2；hj為第i層土的厚度，m；r，擴(kuò)大頭部的半徑，m；qj鉆孔灌注樁的單位端阻力，kN/m2；hj為后注漿增強(qiáng)段高度，m。

3.2 樁身長(zhǎng)度和樁徑對(duì)承載力的影響

為了研究不同參數(shù)對(duì)單樁承載力的影響，利用Flac3D 有限元分析軟件建立數(shù)值仿真分析模型，保持樁徑為0.8m 不變，得到不同樁身長(zhǎng)度情況下的承載力分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同樁身長(zhǎng)度情況下的承載力分析

與未注漿的普通樁相比，采用后注漿技術(shù)的單樁，其承載力得到顯著提升。樁身長(zhǎng)度為5m 的單樁，承載力由420kN提升至716kN，承載力提升70.5%。隨著樁身長(zhǎng)度的逐步提高，樁端后注漿的單樁承載力提升效果逐漸減緩，至樁身長(zhǎng)度達(dá)到30m時(shí)，承載力提升32.7%。因此，樁身長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好，樁底達(dá)到穩(wěn)定持力層2m 以下，可滿足工程需要。

同樣的，保持樁身長(zhǎng)度10m 不變，得到不同樁徑情況下的承載力分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同樁徑情況下的承載力分析

樁徑對(duì)承載力的影響，與樁身長(zhǎng)度對(duì)承載力的影響類似，樁徑為0.6m時(shí)，普通樁的承載力為490kN，樁端后注漿的單樁承載力為830kN，提升69.5%。隨著樁徑的逐步增大，承載力的提升效果逐漸減緩，樁徑為1.5m時(shí)，承載力僅提升了24.6%，與增加的施工成本相比，性價(jià)比不突出。因此，推薦選用樁徑0.8m或1.0m。

3.3 水泥漿品質(zhì)和注漿量的影響

在保持樁徑、樁長(zhǎng)不變的情況下，彈性模量較高的水泥漿，經(jīng)高壓注漿得到的單樁，可獲得較高的承載力。彈性模量Ec 分別為800MPa 和1200MPa 的荷載曲線如圖3所示，相同的樁徑條件下，彈性模量為1200MPa的混凝土樁，均大于彈性模量為800MPa 的混凝土樁，在承載力方面明顯優(yōu)于低彈性模量的混凝土樁。

圖3 荷載曲線

注漿量對(duì)承載力的影響，主要體現(xiàn)在灌注樁的體積上，表現(xiàn)為樁身長(zhǎng)度和樁徑的組合。注漿量越多，承載力的增幅越大，隨著水泥漿的注入，注漿區(qū)域與地基的接觸越多，單樁的承載性能越好，基礎(chǔ)的沉降量越小。不同注漿量的沉降量曲線如圖4所示。

圖4 沉降量曲線

未注漿的樁基，其沉降量是最大的，灌注樁直徑2m，樁長(zhǎng)2m 的地基的沉降量次之，灌注樁直徑3m，樁長(zhǎng)3m 的地基的沉降量最小。而且，隨著荷載的逐步增大，沉降量的差異更加明顯，樁端后注漿技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯著。

4 鉆孔灌注樁注漿施工

4.1 沖鉆孔

沖鉆孔是后注漿灌注樁的關(guān)鍵工藝，主要包括成孔、清孔、終孔和清孔檢測(cè)等工序。

⑴成孔

成孔應(yīng)保證垂直度偏差小于1%，鉆機(jī)安裝應(yīng)保證水平周正。開鉆前認(rèn)真校正孔位中心。成孔時(shí)，鉆機(jī)要對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)測(cè)定的樁中心，逐漸旋進(jìn)鉆孔[6]。鉆進(jìn)過程中應(yīng)經(jīng)常測(cè)驗(yàn)孔徑和孔形，嚴(yán)控成孔質(zhì)量，確保鉆機(jī)平穩(wěn)。

⑵清孔

清孔的主要作用是更新已經(jīng)成孔的內(nèi)部泥漿以及孔內(nèi)鉆渣，減少鉆孔底部的沉淀量，以防樁底的沉淀過多而影響灌注樁的承載力。清孔時(shí)應(yīng)持續(xù)置換泥漿，清除孔底所有的沉淀砂土，孔底部0.5m 范圍內(nèi)的泥漿含砂率應(yīng)小于8.5%。

4.2 鋼筋籠制作與安裝

制作前應(yīng)將鋼筋徹底去除銹蝕，并用拉直設(shè)備調(diào)直，主應(yīng)力筋應(yīng)采用整根鋼筋。確需接長(zhǎng)，應(yīng)采用焊接方式，焊接連接區(qū)段為35d且不小于0.5m[7]。若鋼筋籠長(zhǎng)度大于10m，應(yīng)分為若干段分別制作。分段之間的主應(yīng)力筋的接頭應(yīng)錯(cuò)開，兩個(gè)接頭之間的間距應(yīng)大于0.5m。吊裝鋼筋籠時(shí)，應(yīng)對(duì)準(zhǔn)樁孔中心，按樁位中心定位，嚴(yán)格保證鋼筋籠的垂直度。

4.3 注漿

導(dǎo)管埋置深度，一般為2～6m，必須連續(xù)進(jìn)行壓力注漿，嚴(yán)禁中途停止施工。注漿過程中，應(yīng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管內(nèi)的水泥砂漿的下降情況和水位變化，及時(shí)測(cè)量混凝土面高度。注漿結(jié)束時(shí)，導(dǎo)管外的泥漿及所含渣土稠度增加，比重增大，可小幅度的上下串動(dòng)導(dǎo)管，確保灌注順利進(jìn)行。

5 結(jié)語

結(jié)合寧德天行萬安苑項(xiàng)目，分析沖鉆孔灌注樁注漿技術(shù)及工程應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

⑴樁端后注漿技術(shù)，利用壓力注漿，強(qiáng)化樁端承載力，固化樁底沉積物和樁側(cè)泥皮，增強(qiáng)樁底的穩(wěn)定性，有效解決樁底沉渣以及泥皮過厚的問題；

⑵后注漿技術(shù)的單樁，承載力得到顯著提升。隨著樁身長(zhǎng)度、樁徑的增大，承載力提升的效果逐漸減緩，推薦工程中樁徑為0.8m 或1m，樁身長(zhǎng)度保證樁底嵌入穩(wěn)定持力層2m 以下；相同條件下，彈性模量較高的后注漿灌注樁的承載力明顯優(yōu)于低彈性模量的樁，注漿量越多，承載力的增幅越大，基礎(chǔ)的沉降量越小。