技术论文冲孔灌注桩桩底后注浆技术及预应力管桩后注浆灌芯补强技术在桩基工程中的应用终稿

附件 5技 术 论 文（ 或 技 术 报 告 ）姓 名： 杨 志 军 现从事专业： 施 工 管 理 现 任 专 业技 术 职 务： 工 程 师 拟 报 专 业技 术 职 务： 高 级 工 程 师 中国一冶集团有限公司2016 年 月 日冲孔灌注桩桩底后注浆技术及预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术在桩基工程中的应用摘 要 通过福建某城市广场桩基工程实例，介绍冲孔灌注桩桩底及预应力砼管桩灌芯补强两种后注浆技术的工作机理、施工工艺和控制要点，探讨上述两种技术在沿海复杂地质条件下桩基工程中 应用的实际效果和意义。关键词 冲孔灌注桩桩底后注浆 预应力砼管桩后注浆灌芯补强 工作机理 施工工艺流程 质量、经济及工期效益分析前 言近年来作为国家建筑业新技术之一的灌注桩桩底后注浆技术开始逐渐在桩基工程中全面应用并显现优势，特别是福建沿海以圆砾层为持力层的冲孔灌注桩，通过后注浆技术的应用对提高其承载力、减小其沉降量、降低成本和缩短工期均有着明显的效果。同样，作为新兴技术的预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术对处理福建沿海复杂地质条件下因桩位偏差明显和桩身完整性存在缺陷而导致单桩抗拔承载力不足的预应力管桩，质量、经济和工期效益也十分显著。本文通过福建某城市广场桩基工程实例对上述两种后注浆技术的工作机理、施工工艺和控制要点进行阐述和介绍，对所取得的工程效果进行对比和总结。1 工程概况1.1 建筑概况福建某城市广场工程位于该市核心区，总用地面积 26666.7m2。工程共含1#、2#（含裙楼） 、3#、4#主楼及地下室，其中主楼及裙楼的地上建筑面积为106660m2，地下室建筑面积为 57525.2 m2。针对本工程施工部位的不同及基坑实际情况，将其划分为东区（3#、4#楼及其周边地下室）和西区（ 1#、2#及裙楼及其周边地下室） ，两区以 23 轴为分界线，如下图所示：东、西区主楼区域工程桩设计为冲孔灌注桩，桩尖采用后注浆技术进行土体加固，以减少桩基沉降，提高单桩承载力。除各栋主楼区域外的裙楼及地下室部分，桩基采用 PHC500-125-AB 型预应力砼抗拔管桩，桩深约 40-46 米；因基底以下淤泥及淤泥质土深达 20 余米，且地质情况复杂，施工过程中部分管桩出现了桩位偏差较大和桩身不完整等缺陷，导致单桩抗拔承载力不足；经采用预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术对出现问题的管桩进行补强，保证了桩身的完整性，并达到了设计要求的抗拔承载力。1.2 地质情况该工程地貌类型属于滨海冲积平原地貌单元，场地内地层由上而下分 9 层（见表 1） 。表 1 工程地质物理力学特性表编号 土层名称 厚度/m 状态 含水量%重度(kn/m)孔隙比e0压缩模量E/Mpa桩周土侧阻力标准/kPa桩底底阻力标准/kPa1 杂填土 1.5-2.3 可塑 17.52 粉质粘土 0.8-2.0 可塑 36.8 17.8 1.03 4.04 303 淤泥 1.7-5.7 流塑 58.5 15.7 1.581 2.13 124 淤泥质粉 土 2.4-5.6 软塑 29.8 18.5 0.835 3.92 155 淤泥 12.4-19.3 流塑 57.6 15.6 1.596 2.04 126 卵石 2.4-11.5 中密 19.5 15 757 砾砂 6.2-17.9 稍密 19.5 5 65 15008 圆砾 29.8-33.4 中密 19.5 12 70 30009 强风化花 岗岩 最大 6.1 碎块状 20.0 15 1202 冲孔灌注桩桩底后注浆施工技术的应用21 桩底后注浆的工作机理钻孔灌注桩桩底后注浆技术是指在钻孔灌注桩成桩后，通过预留在桩身的注浆管，将水泥浆通过压力均匀地注入桩底土层对桩底沉渣进行加固，同时对桩底及桩身一定范围内的土体通过渗入、劈裂和压密注浆进行加固，从而改善持力层受力状态和荷载的传递性能。通过桩底球形体扩张作用、桩底沉渣固结作用和桩底产生群桩加强作用大幅提高单桩承载能力，减少桩基沉降量。2.11 桩底球形体扩张作用钻孔灌注桩一般用半球形或锥形钻头，所以桩底呈圆球状。注浆孔在桩底形成扩散点，在压力作用下浆液从扩散点在土层空隙中向外扩散，浆液扩散量等于半球形孔穴体积的变化量。桩底注浆通过渗透、劈裂、挤密和胶结作用形成桩底球形体，增大了桩底受力面积，球形体由桩中间向四周密实程度逐渐减小（见图 1、2） 。 R31桩 体 半 径 2注 浆 密 实 区3注 浆 加 强 区图 :桩 端 球 形 扩 张 效 应 图 桩 体桩 端桩 端 球 形 扩 张 区桩侧摩擦加强区 桩侧摩擦加强区图 :桩 周 增 加 摩 擦 效 应 图图 1 中 R2 注浆密实区凝结的碎（卵）石相当于桩头半径 R1 的扩大，R3 注浆加强区相当于对桩底持力层的改善。2.1.2 桩周增加摩擦作用钻孔灌注桩施工过程中的泥浆护壁降低了桩体与桩周土体的摩阻力，桩底注浆在压力作用下，浆液从桩底沿桩侧向上，通过渗透、劈裂、充填、挤密和胶结作用，对桩周（特别是碎、卵石层）泥皮进行置换和空隙充填，在桩底以上部分桩周形成脉状结石体（见图 2） ，从而使桩侧摩阻力大幅度提高。2.1.3 桩底沉渣固结作用以圆砾(卵石)层作为持力层的灌注桩，清孔过程很难将桩底沉渣清理干净，沉渣影响桩底承载力的发挥和对沉降量的控制。桩底注浆通过浆液对沉渣的置换、挤密和固结作用改善或消除桩底沉渣的不良影响，大大减小了桩承重后的沉降量。2.1.4 桩底产生群桩加强作用在桩底，原本单独起作用的桩通过注浆使原来分散的桩底持力点通过水泥浆的固结作用趋于形成整体，产生群桩加强效应（见图 3） ，提高了整个建筑基础的承载能力。桩 端桩 体 地 下 室 底 板桩 体 桩 体桩 体桩 端 桩 体桩 端桩 体群 桩 效 应 区图 3:桩 底 产 生 群 桩 效 应 图土 体土 体 土 体 土 体2.2 桩型的选择和设计22.1 桩形的选择该工程主楼部分冲孔灌注桩桩径为 1100，单桩承载力特征值要求不小于7000KN，荷载要求高；由于是高层建筑，对沉降变形敏感；以 8 层圆砾层作为持力层，有效桩长约为 45m（进入持力层不小于 1.5m） 。设计经过对普通钻孔灌注桩和钻孔灌注桩桩底后注浆二种方案进行对比，考虑到 8 层圆砾土厚度最薄达 29.8m，为含粘性土圆砾石，最终选择了桩底后注浆方案，但需要对注浆孔、注浆量和注浆压力慎重设计并进行试桩验证。2.2.2 注浆参数的确定2.2.2.1 注浆孔的设计根据桩直径大小和桩底持力层空隙率大小沿着灌注桩钢筋笼周边一般均匀布置 2-4 个注浆管；桩径大、持力层空隙率小的桩，注浆管数量宜适当增加。考虑到本工程桩直径不是很大，桩底圆砾层中含有粘性土，为了保证注浆能够包裹桩底，沿钢筋笼圆周均匀设置 2 根 32 注浆管。2.2.2.2 注浆量计算注浆量 G c=apd+asnd式中： ap、a s-分别为桩底、桩侧经验系数，a p= 1.51.8，a s=0.5 0.7； 对于卵、砾石、中粗砂取较高值；n-桩侧注浆断面数；取 2d-桩直径(m)；d=1.1mGc-注浆量，以水泥重量计(t)。本工程中单桩注浆量理论估算值为 Gc=2.97t。对于独立单桩和柱距大于 6d 的群桩和群桩初始注浆的部分桩基的注浆量，应按上述估算值乘以 1.2 的系数。2.2.2.3 注浆压力注浆压力是桩底注浆效果好坏的关键，是由桩长和持力层特性决定的。要保证最终注浆压力小于桩上抬的摩阻力，防止注浆时桩身上移而破坏桩身及桩底，同时又要确保注浆量达到设计要求，形成设计要求的桩底效果。由于本工程持力的圆砾层中含有大量粘性土，影响浆液在桩底的扩散，所以在注浆过程的不同阶段注浆压力也不相同。开始阶段要克服粘性土的阻力，需要较大压力；平稳注浆阶段，所需压力较小；注浆结束阶段，由于浆液已充满桩底持力层及附近土体，所需压力也较大。根据试注浆和实践经验结合本工程桩长及地质情况，设置开始阶段注浆压力为 4Mpa，平稳阶段为 2Mpa，结束阶段为 3Mpa。最终经试注浆实验并报设计确认，注浆压力值不小于 2Mpa，单桩水泥用量不小于 2.7t，注浆流量不超过 75L/min；2.2.2.4 水泥浆的配比注浆原材料为 P.O 32.5R 早强水泥，水灰比根据注浆情况先稀后浓，浓浆为主。稀浆（水灰比 0.65）渗透力强，便于加固预定范围周边地带。中等浓度浆液（水灰比 0.5）加固预定范围的核心部分，起充填、压实、挤密作用。2.3 施工工艺与技术方法钻孔灌注桩桩底后注浆施工工艺流程(见图 4)图 4 冲孔灌注桩后注浆施工工艺流程2.3.1 注浆管的制作与预埋注浆管和钢筋笼、声测管一同制作安装，采用 32 焊接钢管，用大一号的钢套管满焊联接，用铁丝将其与钢筋笼加劲箍绑扎牢固，沿桩孔全长布置，铁管顶高出钻孔口 500mm。在距管底 300mm 左右区域的管壁上钻取梅花形、间成孔注浆管和钢筋笼制作一次清孔注浆管和钢筋笼下笼二次清孔 混凝土灌注注浆管头制作预压开塞注浆封堵养护 成桩检测距 50mm、直径 5的射浆孔，在射浆孔上放图钉并用电工胶布加胶带包裹，形成单向阀（保证混凝土浇筑时水泥浆不会进入注浆管，压浆时水泥浆可以顺利从孔中压出） 。注浆管及钢筋笼等共同下放前做好清孔工作，确保注浆管下放至桩底最深处。下放浇灌导管要小心谨慎、轻吊轻放，确保注浆管不受损。浇灌混凝土前将注浆管上口封闭，以免水泥砂浆等异物进入而堵塞管路。浇灌水下混凝土时，必须随时观察注浆管的上浮情况，发现上浮应立即处理，以免影响注浆效果。2.3.2 注浆主要工序包括预压开塞、水泥浆压注和封闭注浆孔。施工设备主要有注浆泵、拌浆装置、输浆管和压力表，注浆泵采用最大压力为 10MPa、排浆量为5m3/h 的大型电动式泥浆泵（见图 5）图 5 注浆施工工艺实照2.3.2.1 预压开塞桩体混凝土强度达到 50%-60%左右时进行注浆管的预压开塞，以劈裂及清除射浆孔单向阀周围混凝土保护层，防止封堵射浆孔，确保注浆能顺利进行。本工程在成桩后第 3d 进行预压开塞，初始压力约 2Mpa 左右，按 23 级逐级加压，最大压控制在 8Mpa 以内，压水量控制在 0.6m3，出现压力表突然下降时，表明整个注浆管道和射浆孔已通。2.3.2.2 水泥浆压注通过混凝土试块确定桩身强度达到设计强度的 75时，具备注浆条件。注浆时，先向桩底注入稀浆液置换出桩底及注浆管道中的沉水，压力由小到大，浆液由稀到稠。通过观察注浆压力、注浆量和注浆皮管的变化控制注浆节奏。本工程注浆压力开始阶段由 2Mpa 逐渐增加至 4 Mpa 左右，平稳阶段逐步降至 2Mpa 左右，结束阶段控制在 3Mpa 左右；单桩总注浆量水泥浆液分数次注入，第一次注入 0.5m3稀浆（水灰比 0.65） ；第二、三次注入中浓度浆（水灰比 0.5） ；每次注浆的间歇时间 30 分钟。中浓度浆液注完 2 小时后注入浓浆（水灰比 0.45） ，浓浆注入时加大注浆压力，注浆结束后保持管内压力 10分钟后拆管。同一根桩的各个注浆管要依次、及时的实施注浆，禁止长时间间隔。2.3.2.3 封闭养护注浆完成后，卸下注浆接头，采用螺丝扣封堵注浆管；注浆后养护 15d 以上，以保证桩底注入的浆液与圆砾凝结加固。2.3.3 桩基础注浆顺序由于注入水泥浆流向的相对不确定性，在进行大量群桩施工中，要采用先周边、后中间的顺序进行注浆。对多桩承台采取外围桩先注、中间桩后注的顺序,达到封闭浆液外流的效果。进行中间桩的注浆时可以适当加大注浆量，以便最大限度的提高注浆效果。同时，注浆作业点与成孔作业点的距离不小于 20m，以免出现穿孔现象。2.3.4 注浆中常见问题及应对措施2.3.4.1 冒浆。在使用冲孔灌注桩后注浆技术进行压浆的过程中，通常会发生水泥浆沿桩周或桩侧冒浆的现象。如果水泥浆是在地面或者是其他桩上冒出，则说明本桩桩底的水泥浆已经饱和，施工人员可以停止压浆。如果冒浆是在本桩的侧壁而且冒浆量较小，则可以将压浆管用压力水或者是清水洗净，等到水泥浆凝结固化以后再重新压浆，减轻冒浆对于施工质量的影响。 2.3.4.2 单桩的压浆量不足及注浆管堵塞。施工人员在压浆的过程中最好进行一次性的压浆，压浆之前先对周围的桩进行注浆以形成封闭圈，在封闭圈的中间施工，保证桩位压浆的质量。此外，在施工的过程中偶尔会出现喷头堵塞打不开的问题，如果压力在 10Mpa 以上仍然难以打开喷头，那么不能再强行的增加压力，可以增大剩余可用注浆管的压浆量，以达到单桩的总注浆量；如果单桩所有注浆管均出现堵塞，报设计同意后可以根据实际情况加大周围桩的压浆量以满足整体设计承载力的要求。3 预应力砼管桩后注浆灌芯补强技术的应用3.1