（岩土工程专业论文）灌注桩后压浆作用机理研究.pdf

j 丘塞銮亟太堂亟堂缱论塞生塞揸蔓 中文摘要 灌注桩后压浆技术是有效提高灌注桩单桩承载力的施工技术。各种相应的测 试也都表明，该技术的应用使灌注桩的承载力得到了更好的发挥，节省基础处理 的费用，经济技术效益显著。因而，在国内很多地区，各种后压浆技术得到了广 泛应用。 通过钻孔灌注桩后压浆桩浆液与桩侧、桩端土体及桩体的作用机理进行探讨， 研究后压浆对提高桩基承载力的性状、作用机理和影响因素及如何更好地应用到 工程实践中。 通过对已有的应用后压浆技术的灌注桩的测试结果进行统计分析，进一步认 识其作用机理。对应用后压浆技术的混凝土灌注桩单桩承载力提高系数进行讨论， 分析了桩径、桩长及压浆土层等因素对其影响，为应用该技术提供一定的参考。 关键词：后压浆桩；作用机理；渗透；承载力 p o s t - g r o u t i n gi sa ne f f e c t i v ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yt oi m p r o v eb e a r i n gc a p a c i t y o fc a s t - i n - p l a c ep i l e m a n yc o r r e s p o n d i n gt e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eu s a g eo ft h i s t e c h n o l o g yc a ne x p l o i tt h ea d v a n t a g eo fc a s t - i n - p l a c ep i l ea n ds a v et h ef e eo f f o u n d a t i o n t r e a t m e n t , b r i n go b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t s v a r i o u st ) p 伪o fp o s t - g r o u t i n gt e c h n o l o g y a r ew i d e l yu s e di nm a n y p a r t so fo u rc o u n t r y t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ei m p a c t i n gm e c h a n i s mo ft h ec e m e n tf l u i da n dt h es o i l a r o u n dt h ep i l ea n dp r o v i d e st h eg u i d a n c af o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a n dt h i sc a n i m p r o v et h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fp o s t - g r o u t i n g t h r o u g hs t a t i s t i ca n a l y s i s o f t e s t i n g r e s u l t so f c a s t - i n - p l a c ep i l e su s i n g p o s t - g r o u t i n gt e c h n o l o g y , t h em e c h a n i s mo fp o s t - g r o u t i n ga r ed i s c u s s e dm o r e t h e i m p r o v e m e n tc o e f f i c i e n to f t h ep i l eu s i n gp o s t - g r o u t i n gt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d , a n dt h e e f f e c to ft h ep i l es i z ea n dp r o p e r t yo fs o i la r ea n a l y z e d , t h e s ec o u l dp r o v i d es o m e 他f e r 锄t ot h eu s a g eo ft h i st e c h n o l o g y k e y w o r d s ：g r o u t i n gp i l e ；m e c h a n i s m ：p e r m e a t i o n ：b e a r i n gc a p a c i t y ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：勿矗为 签字日期：弘8 年月石日 导师签名缸1 嵋 签字日期：泖吕年月，口日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位做储躲勿叫签字吼2 0 0 秽年月压日 致谢 论文工作是在导师崔江余教授的悉心指导下完成的。崔江余老师严谨的治学 态度和高尚的敬业精神无时无刻不影响着我的学习和生活。非常感谢崔江余老师 给我提供了很多的工程实践的机会和指导。两年的硕士生活，在崔江余老师的指 导和教诲下，我不但在学术水平上有了很大的提高，而且也积累了一定的工程实 践经验。 在撰写及完成过程中，得到了师兄胡佳忠和唐亮的热情帮助。另外，还得到 黎岩、李皆准、席连海、吴立等同学的大力支持。在这里，向这些同学表示衷心 的感谢! 送一分特别的感谢给我的家人。二十年来在父母的支持和无微不至的关怀下， 自己才得以顺利地完成学业。在此向他们表示深深的感谢l 最后，我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位专家、教授，感谢你们 在百忙之中给予的指导! 1 1选题的背景和意义 1 1 1问题的提出 1 绪论 随着城市建设的发展，高层、超高层建筑大量兴建。在工程设计与施工中， 如何选择合理、经济、安全的地基处理方式在土地资源日趋紧张的今天显得尤为 重要。大直径灌注桩因具有承载力高、无振动、无挤土、造价低等优点，在基坑 中得到广泛的应用。但是，地层土壤存在孔隙、土壤具有可压缩性、孔底存在沉 渣等许多不可明确计算的因素，使桩的承载力存在不同程度的削弱，实际承载力 和设计值有较大出入。随着对地基基础的承载力要求越来越高，只有把灌注桩的 桩长、直径加大，才能达到提高承载力的目的，这时，桩身混凝土体积也成倍增 加，十分不经济。如何有效地大幅度提高单桩承载力、缩短施工工期、减少支出， 就成为我们的课题。随着灌注桩后压浆技术的出现和兴起，这些问题都得到了很 好的解决和改善。 灌注桩后压浆是在桩成桩并达到一定强度后，通过埋设在桩身的注浆管，将 具有固化能力的浆液( 如纯水泥浆、掺合外加剂的水泥浆等) ，压入桩端或桩侧。 这些浆液经过渗透、填充、置换、劈裂、压密及其附近桩侧土体的物理力学性质， 清除了桩底沉渣和桩周泥皮对桩的不利影响，改善了桩一土界面条件，使桩的承 载力和桩侧阻力得到不同程度的提高，桩的沉降得以减小，桩的承载性能得到改 善。 国外于1 9 6 1 年将低端压力注浆技术首次应用在m a r a c a i b o 大桥桩基工程 中【1 】此后此项技术得到不断创新和发展。国内最早应用该技术的是北京市建筑工程 研究所 2 1 ，该所于1 9 8 3 年对2 根直径分别为1 2 8 m n ，桩长为2 4 3 m ，和直径3 4 0 c m 、 桩长为2 5 1 m 的小规格桩进行了试验。2 0 世纪9 0 年代中期，灌注桩后压浆施工技 术在全国得到推广应用。 如何更好地研究灌注桩后压浆作用机理，对在实际工程中节约成本，控制工 期和质量有重大地意义。 本课题通过对压浆桩工作机理的系统分析及该种桩在实际工程中的应用，验 证了压浆桩可以提高桩竖向承载力，减小沉降，具有工艺简便、效果明显、投资 小效益高等特点。它的推广应用能改善普通桩材料消耗大而承载力低的缺陷，并 可降低施工难度，加快施工进度，从而创造了良好的社会效益和经济效益。为设 计和施工提供了可靠的依据。 1 1 2 选题的意义 深入研究灌注桩后压浆作用机理的意义在于： ( 1 ) 充分把握桩基承载力的内涵以及压浆对桩基影响的本质： ( 2 ) 控制施工中既有桩基的影响程度，确保上部结构的安全及正常使用； ( 3 ) 在桩一土相互作用的基础上，利用球形扩散理论和有效应力分析解释后 压浆灌注桩承载力提高的原因。 1 2灌注桩后压浆技术的研究历史及现状 1 2 1 后压浆灌注桩的国外研究状况 采用后压浆技术提高单桩承载力在国外已有近4 0 年的历史。最早的报道是在 1 9 6 1 年，在委内瑞拉的m a r a c a i b o 大桥的桩基施工中，工程师们通过预置装置实 现了桩底灌浆，以提高钻孔灌注桩承载力：7 0 年代初，b o l o g n e s i 和m o n e t t 将一种 预加荷载压力腔装置用于p a r a n ar i v e r 的桥基上，并在第八届国际土力学与基础工 程会议上提交了论文，在这次会议上，英、德、法等国的代表也分别发表了采用 灌浆法提高钻孔灌注桩承载力，减少桩项沉降的研究论文，工程师们不仅开发出 各种各样的装置实现灌浆，而且开始探索灌浆与桩径、桩长之间的关系以及桩底 灌浆对侧摩阻力的影响等；1 9 7 5 年，在美国德克萨斯的举行的海滨技术会议上， g r o u a e n t 和g a b a i 首次阐述了他们的有关二次灌浆对大直径灌注桩性能影响的试 验研究；1 9 8 4 年，s l i w i n s k 和f l e m i n g 做了桩底压力灌浆桩的现场试验研列3 1 。 总之，自6 0 年代以来，国外的工程技术人员对后压浆技术做了大量的试验研 究，并在许多工程中得到推广使用，获得许多有实用价值的结论： 2 ( 1 ) 在砂质粘土中，极限荷载可以大大提高； ( 2 ) 在循环荷载作用下，具有较好的复原性，几乎不存在永久残余变形； ( 3 ) 极限荷载与所注入的水泥浆量之间具有直接关系。 同时，也开发出了各具特色的压浆装置和压浆工艺，总的说来可分为三类： ( 1 ) 在桩内设置设备：置于桩底的有压浆腔、扁千斤顶、呵一型管、预载箱等， “预载箱 在瑞士、开罗、泰国等地是其最具有代表性的压浆设备： ( 2 ) 浇筑混凝土后在桩底、桩侧灌浆：这种方法应用最为普遍，许多国家都在 实际工程中采用了该方法： ( 3 ) 施工之后桩侧固结：该方法仅仅是对桩侧土体进行灌浆处理，作为有缺陷 桩基的一种补救措施使用，经过灌浆处理，桩侧摩阻力可以得到大幅度提高。 1 2 2 后压浆灌注桩的国内研究状况 国内学者在近几年结合工程原位测试发现，压力灌桩不仅能提高桩的端阻力， 而且还能有效地改善桩一土相互作用，并进一步指出其承载机理类似于扩底桩。 另外一些学者在1 9 9 8 年发现桩液的胶结作用和桩脉劈裂土体现象，固结桩脉体象 树根一样插入周围岩土介质中，促使桩侧摩阻力和桩底承载力大大提高。中国科 学院武汉岩土力学研究所姚海林博士( 1 9 9 8 ) 【4 】，根据原位测试结果分析了后压浆钻 孔灌注桩的荷载传递规律和大面积堆载试验对承载力的影响；何飞( 2 0 0 0 ) 【5 】就钻孔 灌注桩后压浆在高层建筑基础中的应用情况，分析了影响承载力的因素以及提高 承载力的机理并提出了其设计计算的原则；郭志业等( 1 9 9 9 ) 【6 】，通过几例钻孔灌注桩 经桩底压装和地基土水泥灌浆后发现桩侧摩阻力提高1 4 0 ，单桩竖向承载力提高 3 6 - 4 0 ，沉降量减少2 0 8 0 ，并且还发现，地层颗粒越粗，承载力提高越大，沉 降量减少越多；庄心善、杨雪强( 1 9 9 9 ) 【9 】根据室内模型试验的结果，分析了砂粘土 地基中钻孔灌注桩桩侧压浆，桩端桩侧联合压浆对提高桩基承载力及改善土体性 能的影响，并建议了后压浆钻孔灌注桩的承载力公式；张忠苗、吴世明( 1 9 9 9 ) o o 】 通过对杭州、宁波等软土地区以砾石层为持力层的钻孔灌注桩桩底压菜的机理及 效果进行了对比分析，得出了一些有益的结论。这些研究工作无疑对充实灌注桩 后压浆技术的理论及实际应用有着非常重要的借鉴意义。 2 0 世纪9 0 年代以来，后压浆技术在国内得到蓬勃发展，在建筑工程中得到较 3 广泛的应用。 目前，国内现有技术主要分两类，一类是西南交大开发的桩底设置胶囊，通 过内导管向囊中压入水泥浆形成扩头，并挤压加密周围土体，桩侧压浆由预设于 钢筋笼的袖阀式钢管冲破混凝土保护层实施压浆；另一类是由中国建筑科学研究 院地基所开发的预置管式单向阀与内导管组成的后压浆装置，成桩后2 天、3 0 天 内进行桩侧、桩底压浆。 1 2 3 后压浆灌注桩的优缺点 后压浆灌注桩的优点为： ( 1 ) 保留各种灌注桩的优点； ( 2 ) 采用桩端压力压浆工艺，可改变桩端虚土( 包括孔底扰动土、孔底沉淀土、 孔口与孔壁回落土等) 的组成结构，形成水泥土扩大头，可解决普通灌注桩桩端有 虚土这一技术难题； ( 3 ) 采用桩侧压力压浆工艺，可破坏消除桩土之间的泥皮，改善桩周土的物 理力学性质，从而大幅度提高桩侧摩阻力； ( 4 ) 压力压浆时，可测试压浆量、压浆压力和桩顶上抬量等参数，既能进行 压浆桩的质量管理，又能预估单桩承载力； ( 5 ) 施工方法灵活，压浆设备简单，适应性广，便于普及。 缺点为： ( 1 ) 需精心施工，否则会造成压浆管被堵、压浆管被包裹、地面冒浆和地下 窜浆等现象； ( 2 ) 需注意相应的灌注桩的成孔和成桩工艺，确保其施工质量，否则将影响 后压浆工艺的效果； ( 3 ) 压力压浆必须在桩身混凝土强度达到一定值后方可进行，故增长施工周 期。但当施工场地桩数较多时，可采取合适的施工流水顺序以缩短工期； ( 4 ) 水泥消耗量大，一般每根桩需水泥1 0 3 0 吨； ( 5 ) 由于场地土质的差异，压浆效果也存在差异，因此压浆后各根桩的承载 力也存在一定差异，不利于保证各桩承载力的均匀性。 4 1 3论文主要研究目标及内容 本论文主要以手头上大量桩基础后压浆承载力实验数据为背景进行上述研 究。 主要研究方法是： ( 1 ) 统计归纳，对实验数据进行归纳统计分析 ( 2 ) 理论分析 主要研究内容： ( 1 ) 利用球形扩张理论 球形孔扩张理论自1 9 4 5 年被v e s i c 提出后，在岩土工程领域里得到了广泛的 应用。如用来分析桩的承载力、旁压试验、静力触探等土工问题。r b u r e t f i e l d 等( 1 9 6 8 年) 首次将平面应变条件下的柱形孔扩张理论用来解决桩体贯入问题； r a n d o l p h 等用圆孔扩张理论结合有限元分析了粘土中沉桩产生的应力及随后的固 结：c a o 等( 1 9 9 6 年) 采用圆孔扩张理论，并结合修正剑桥模型分析了旁压试验、静 力触探等土工原位测试问题 1 棚；樊良本( 1 9 8 1 年) 【1 3 1 分析了关于打桩引起的土位移 及土中应力状态的变化；唐世栋( 1 9 9 0 年) 分析了桩基承载能力的问题。 后压浆桩的球形扩张理论和柱形扩张理论是目前用于解释在中砂以上的地基 中进行渗透注浆的两个有代表性的理论。球形扩张理论的计算模式如图1 1 所示， 其计算假定为： 被注浆的砂土为均质的和各向同向的。 浆液为牛顿体，一般把符合牛顿内摩擦定律即切应力与剪切变形速度成线 性关系的流体称为牛顿流体。 浆液从注浆管底端注入地基土中。 浆液在地层中呈球状扩散。 c 刁 、 l 、 y , x ：y c 地下水位 喜 3 灼虚包 o 乐!泰一胥 图1 1 球形扩张理论的计算模型图 利用此假定可以求出浆液在桩端的扩散半径。 ( 2 ) 对实验数据进行归纳分析 根据测读的各级荷载作用下桩身各截面的平均应变值g ，( i 为测点截面编 号，j 为桩顶荷载等级) 及桩顶累计位移和求出试桩的桩身轴力及桩侧摩阻力， 绘制出桩身轴力传递曲线和桩沉降分布曲线，以便于分析在荷载作用下试桩的受 力性状。 ( 3 ) 通过以上两种情况承载力分析对比，提出了后压浆桩的注浆量和承载力 的建议公式，为工程实践提供可靠的理论依据。 ( 4 ) 对灌注桩后压浆桩技术进行全方面的阐述。 1 4 本章小结 简要介绍了后压浆桩的发展过程，以及国内外的研究状况，后压浆桩优缺点 以及研究过程中存在的问题，针对现存问题提出了本文的研究内容及方法。 6 2 钻孔灌注桩的后压浆技术 2 1后压浆技术的原理 2 1 1 后压浆对桩侧阻力的增强机理 由影响钻孔灌注桩单桩承载力的因素分析可知，降低桩侧摩阻力主要因素是 护壁泥皮的影响及桩身混凝土固化时缩径。桩侧压浆可以破坏消除泥皮，充填桩 侧混凝土与桩侧周围土体间的间隙，提高了桩侧混凝土与桩周土体的粘结力，从 而提高桩侧摩阻力。 桩在竖向荷载作用下桩身向下位移通过桩土间的侧阻力带动桩侧土位移，相 应地，在桩周环形土体中产生剪应变、剪应力。该剪应变、剪应力一环一环向外 扩散，见图2 1 。离桩轴n d ( n - - 8 1 5 ，d 为桩直径，n 随桩顶荷载水平和土性而变， 土软n d , ，土硬1 1 大) 处剪应变减d , n 零。离桩轴心任一点r 处的剪应变应力为： 图卜l 桩侧土剪切变形 7 专等土g d 0 = i 吼 z ， 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 铲g 南 。h ) = 旦丝 l + d l n ( 2 n ) g 一桩侧土的剪切模量； 扇、肛桩侧土的变形模量和泊松比； 既一桩土相对极限位移； 2 1 2 后压浆对桩端阻力的增强机理 解，可将其统一表达为： = o c n o + 乞7 峨 ( h ) c = ( g 一1 ) c o t a p ( 2 - 5 ) 乞= 错 ， 式中：色、乞一形状系数，随土的内摩擦角增大而增大，其值为o 5 2 - 1 2 0 ； c 一桩端附近土的内聚力： 8 小j l 一桩端平面以上土的有效重度和桩的入土深度； 以、m 一分别反映土的内聚力c 、桩底平面以上边载( 竖向压力咖影响的条 形基底无量纲承载力系数，随土的内摩擦角增加而增大。 jl 厂 胍 勰 t e r z q 9 9 h i ( 1 9 4 3 ) 卜1 q y e r h o f ( 1 9 5 3 ) 图2 _ _ 2 几种桩端土破坏滑动面图形 由式( 2 - 4 ) 可知，在桩的几何尺寸相同的条件下，极限端阻力值随桩端土的强 度参数c 值增大而提高。后压浆对端阻的增强机理可归纳为这样四点：其一，后压 浆对桩底沉渣、沉淤的加固，首先消除了桩底“软垫 的挤出刺入破坏；其二， 后压浆对桩端上下一定范围土体产生的搿充填胶结效应一或“加筋效应使滑动 面范围复合土体的c 、难显著提高，从而扩大了滑动体，增大了吼，。值；其三， 桩端的一定“扩底效应一使总端阻力q 增大；其四，桩端土刚度因注浆而提高， 引起桩侧阻力的发挥机理变化，并使发挥值增大。 2 2岩土注浆的原理及计算 岩土注浆是一门行之有效的地基( 土层) 加固技术，迄今已有2 0 0 年的发展史， 被广泛地应用于土木、水利、矿山等工程领域。注浆又称为灌浆，是将一定的材 料配制成可流动的浆液，通过压送设备压入到土层空隙和岩层裂隙中，使其扩散、 胶凝、固化，从而改善地基土( 土层) 的物理和力学性质的地基( 土层) 处理方 法。按照流动浆液与土体相互作用的方式可分为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆。 9 j 壁塞銮通太堂亟堂焦i 金塞 2 2 1渗透注浆 渗透注浆( 见图2 _ - 3 ) 是指浆液在压力的作用下，使浆液充填土体的空隙和 岩石的裂缝，将空隙中的自由水与空气排挤出去，浆液与土体凝固固化后成为结 石体，从而达到加固土体的作用。渗透注浆基本上不改变原土体的结构和体积， 注浆压力较小，适合注入到中砂( 粒径大于0 2 5 r a m 的颗粒超过全重的5 0 ) 以上 的土质或有裂缝的岩石。当处理对象范围内有砂和粘土的交界面时，浆液可能在 交界面扩散，甚至沿交界面流出。 岩土加固体的特征为：水泥浆在压力作用下渗透到岩土的空隙中，水泥与土 体( 岩石) 发生固化化学反应，形成一种新的“结合体一。 注入土体的适用条件为： 可注指标n 满足： = 里生 1 0 一1 5 m m ( 2 _ 7 ) d 8 5 式中：d 1 s 为砂粒石土由小到大的粒径分布曲线图中小于粒径含量1 5 所对 应的粒径； 皿5 注浆材料中小于粒径含量8 5 所对应的粒径。 普通水泥的最大粒径一般为6 0 l o oum ，水泥标号越高，d 8 5 越小，可注指标n 越大，可注性越好。对于砂砾，日， 0 6 1 0 r a m ，满足n 1 0 - - 1 5 的条件。 粒度越不均匀，粒径越大，可注性越好。 土体的渗透系数k 2 x 1 0 一3 1 0 - 1 c m s 时； 对于渗透压浆提高承载力的原因主要有： ( 1 ) 对浆液渗透范围内的土体性质进行了改善。在压浆后，渗入土体内的浆 液通过发生化学凝胶作用、填充胶结作用、离子交换作用，对桩周的土体进行加 固，使桩周的土体密度、强度、刚度得到大幅提高，很好的解决了桩底的沉渣、 虚土以及泥皮对桩承载力所带来的不利影响。 1 0 透区 图2 - - - 3 渗透压浆示意图 ( 2 ) 加大了桩身尺寸。对于桩端渗透压浆，入渗的浆液同桩端的土体形成浆 土胶结体，由于新形成胶结体强度较高，相当于形成了扩大头，加大了桩端的支 撑面积，提高了桩端承载力。对于桩侧的渗透压浆，在静压力的作用下，不稳定 的泥皮被破坏，和水泥浆一起形成水泥粘土浆，然后重新胶结成型。胶结体不仅 消除了泥皮的不利影响，而且形成了强度较高，半径较大的环形胶结体，相当于 加大了压浆部分的桩身直径，扩大了桩一土接触面结，并且形成类似竹节桩的形 状，提高了桩侧的承载力。 2 2 2 劈裂注浆 土体劈裂注浆是指在压力的作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度， 引起岩石和土体的破坏和扰动，使其沿着垂直于小主应力的平面发生劈裂( 见图2 叫) ，劈裂压力与土体的初始应力与抗拉应力成正比，劈裂后地层中原有的裂隙 和空隙张开，形成新的裂隙和空隙，从而水泥浆进入到新的空隙和裂隙中，使得 浆液的可灌性和扩散距离均增大，一般来说，劈裂注浆所需的注浆压力高于渗透 注浆所需的压力。 图2 - - 4 劈裂压浆示意图 劈裂注浆加固体的特征为：水泥浆劈裂进入土体，在土体中形成明显的网状 ( 脉状) 结石体，该网状( 脉状) 结石体对原土层起到“加劲 作用。 2 2 3 压密注浆 压密注浆是用较稠的浆液，在浆液压力作用下，在注浆点处集中形成近于圆 形的浆泡，通过浆泡挤压土体，使土体挤密，近端土体将发生塑性变形，单位体 积减小，密度增加，远处土体发生弹性变形，从而提高土体的力学性能。 压密注浆适用于加固土体较小的土体，压密注浆多发生在浆液较稠和快速注 浆的前提条件下。 压密注浆固结体特征为：加固体水泥含量较大，固结体为水泥结石，强度很 高，加固体体积相对较小，加固土体的范围较小，固结体与土体之间具有较为清 晰的分界面，固结体周围一定范围内的土体的密实度得到了提高。 压密压浆提高承载力的原因主要有： ( 1 ) 浆液的置换作用。浆液完全取代了压浆扩散范围的土体，与渗透压浆不 同，压密注浆使用的浆液极稠，浆液在土体中运动是靠挤走周围的土，起置换作 用，而不向土内渗透。对于桩底压浆，在浆液凝固形成结石体后，与桩体结合形 成扩大的桩头，增大了桩底尺寸扩大了承载面积，提高了承载力。同理对于桩侧 压浆，结石体相当于扩大了桩径，同样提高了桩承载力。 1 2 7 糍浆管 签 一 芬。 参 i - 一， 鼙避 - ， 。一 图2 - - - 5 压密压浆示意图 ( 2 ) 浆液的挤密作用。经以往的研究证明，向外扩张的浆泡将在土体中引起 复杂的径向和切向应力体系。紧靠浆泡处的土体将遭到严重的破坏和剪切变形， 并形成塑性变形区，在此区内的土体的密度可能因扰动而减小；离浆泡较远的土 体基本上发生弹性变形，而使土体的密度有明显的增加。现场观测发现，紧靠浆 泡处的密度并不增加，但离浆泡0 3 m - 1 8 m 内有挤密作用，在这个压密带内，距浆 泡愈远，则挤密愈差；且于非饱和土中压浆时挤密效果更明显。挤密作用提高了 土体的密度，增加土体的强度，提高了桩的承载力。 ( 3 ) 土体的变形性质均一化。压浆浆泡的形状一般为球形或圆柱形。在均匀 的土体中浆泡的形状相当规则，而在非均匀土体中则很不规则。在非均质地基中， 浆液总是挤向不均地基中的薄弱土区，从而使土体的变形性质均一化。浆体的最 终尺寸受地基土的密度、含水量、力学特性、地表约束条件、注浆压力、注浆速 率等因素控制。均一化的土体为桩提供更高的承载力。 ( 4 ) 对桩施加预应力。在桩端进行压密压浆时，浆球内的压力不断增高，该 压力对桩端施加了一个向上的作用力，使桩身有向上抬的趋势，桩周产生方向向 下的负摩阻力，这相当于在桩端施加了预应力。随着浆液的凝固、硬化，浆液压 力将会有所消散，但未消散的压力就由桩体自重和桩侧负摩阻力来承担。当桩受 向下竖向荷载作用时，此负摩阻力将平衡部分荷载，使桩端阻力得到了提前发挥。 ( 5 ) 增加桩周法向应力。由于桩端压力压浆形成扩大头，挤压桩端土体，增 加了桩端即周围土体的法向应力，法向应力的提高使桩的侧摩阻力得到了提高。 压密压浆提高承载力的同时也有一些问题需要注意： ( 1 ) 压密压浆常用于粉细沙土、粉土层中，粘土地基中若有适宜的排水条件 也可以采用。如在排水条件不好的土体中采用压密压浆，会引起很高的孔隙水压 力，待孔隙压力消散后土的密度才会提高，这时必须采用较低的压浆速度。 ( 2 ) 桩底的压浆压力的施加，使桩端阻力得到了提前发挥，但是该压力不能 过大，否则会使桩的上抬量过大，加大桩侧达到极限摩阻力时的桩顶沉降，对灌 注桩承载力发挥是一个不利因素。所以，在钻孔桩压浆时一定要控制桩身上抬量， 控制压浆后桩侧负摩阻力的大小。通过压密压浆桩承载力的机理分析，可以看出， 压密压浆不仅对桩端阻力有显著提高，而且对桩侧极限摩阻力有较大影响。所以， 在后压浆施工时，要严格按照施工工艺的要求，精心施工，充分发挥压密压浆对 承载力的有利因素，消除不利影响。 2 2 4 后压浆桩注浆量计算 地下土层的复杂性，加上施工过程的影响，准确地计算合理压浆量比较困难。 实际中，常用下列几种经验公式来估算合理压浆量。 ( 1 ) 文献1 明中论述的注浆量计算公式 g c = 口p d + a r s 耐 ( 2 8 ) 式中： 口p 、q 一分别为桩底、桩侧注浆量系数，= 1 5 - 1 8 ，q = 0 5 0 7 ；对 于卵、砾石中粗砂取较高系数； 旷桩侧注浆断面数； d 桩直径( m ) ； q 一注浆量( t ) ； 当仅为桩端后压浆时，以g c - - 口p d 计算。 此公式为经验公式，针对一般桩径的钻孔灌注桩而言比较实用。但是在目前 的大型桥梁工程的设计时，钻孔灌注桩往往是主要桩型，并常常采用超长大直径 钻孔灌注桩，所以其经验系数取值有很大的出入。 ( 2 ) 文献【2 4 】【2 5 】提供的合理注浆量q q - k i 曩( 2 呻) 式中： 1 4 啡浆量( t ) ； k _ 综合影响系数，1 o 一1 5 ，松散地层取大值，反之取小值； 卜理想压浆高度，2 - 5 m ，大桩时取大值，反之取小值； 卜桩横断面面积。 此公式为经验估算公式，无明确意义，且系数取值人为因素大。一般仅用作 压浆前大概估算用。 ( 3 ) 合理压浆量v y ：p a r d 3( 2 _ 一1 0 ) 式中： v 一压浆量( 册3 ) o 口考虑浆液析水性质的系数， 时取大值，大于1 0 时取小值5 考虑不同桩底土层的系数， 亚粘土、残积土层、粉土可取1 6 1 8 ； d 桩径( m ) 。 通常取1 1 5 1 2 5 浆液析水率小于1 0 中细砂、卵石、强风化岩可取1 4 1 6 ， 此公式意义不明确，不易理解。最大的问题是公式确定的是压浆浆液体积量 m 3 ，而对浆液的配合比没作限制，给设计施工带来很大的随意性，压浆效果也很 难保证。 ( 4 ) 建科院合理压浆量g 0 g 0 = 万( 玎+ 善，l o d 3 ) ( 卜1 1 ) 式中： g 0 压浆水泥量( t ) ； h _ 桩底压浆时浆液沿桩侧上返高度( m ) ，桩底单独压浆时可取1 卜 2 0 m ，桩侧土层为细粒土时取高值，粗粒土时取低值； 卜包裹于桩身表面的水泥结石厚度( m ) ，可取o 0 1 0 0 3 桩侧土层为 细粒土及正循环成孔时取高值，粗粒土及反循环成孔时取低值； d 桩径( m ) ； 孝一水泥充填率，对于粘性土、粉土、粉细砂取0 2 0 3 ，于卵石、砾 石、中粗砂取0 5 0 7 ； ，1 0 一桩底土的天然孔隙率。= l + e o ，为天然孔隙比。 此公式意义为t 压浆量由桩端与桩侧两部分相加组成。但端部的水泥量计算 可能把几何系数合到f 中，使整个公式和尾参数意义不明确。此公式在实际中应用 的较多。 ( 5 ) 2 5 】【凋文献注浆量计算公式 对于桩端压浆量来说，应确保压浆量达到或超过设计要求。桩底浆液注入量 可根据桩端的持力层的岩土性状、沉渣量等因素按下式计算： q = a , , r r 2 h f l n( 2 一1 2 ) 式中： q 一每根桩浆液注入量( m 3 ) ； a 一浆液损耗系数，取1 1 1 3 ； 瞅液有效扩散半径( m ) ； h 一需要加固段高，一般取0 5 1 m ： n _ 孔隙率和裂隙率； 一浆液填充系数，0 4 0 9 ； 此公式根据钻孔中扩散半径和加固段高，综合考虑了注浆的空隙率，根据计 算其体积确定需要的混凝土立方量。该公式考虑了空隙率和浆液充填系数，具有 客观的物理意义。但是，由于钻孔和注浆都是隐蔽工程，空隙率和浆液的充填系 数都很难确定，这是理论计算公式，没有考虑施工中一些参数的影响作用，如土 的上抬等，与实际情况有一定的偏差。所以这个公式不具备现实意义。 为了能够更直观地评价上述公式，现以苏通大桥一期试桩s l 为例，结合具体 工程数据，代入上述注浆量计算公式，进行计算对比，以更好地了解各公式的优 缺点。如表2 1 所示。 1 6 表2 - - 1 不同注浆量公式对比评价 公式实际注计算注精确优点缺点 浆量( t )浆量( t )度( ) g c = q 2 43 53 1 4 3 计算简单，取算值偏小，不适 值容易，考虑用于该类超长 土层的影响。大直径桩 q = l f 7 83 51 2 2 0 3 考虑到桩长该处精度不高； 的影响，不仅l 值取值不确 仅适用于中定性太大，不容 短桩。对超长易把握；没考虑 桩也有很好到土类的影响 的适用性。 y ：, b a i r d 3 3 43 53 1 1 该处精确度浆液析水率不 6 高。考虑持力好把握 层不同土性 影响。 q = g ( h t d + 孝n o d 3 ) 3 5 考虑影响因h 值变化幅度太 素较全面。大，结果影响较 大；参数多，确 定困难 q = 舡r 2 h p n 3 5 考虑影响因参数难确定；为 素较全面。理论计算公式， 没有考虑施工 中的一些影响 因素，如土的上 抬 据以上对比评价，每个公式都有其优缺点和需补充、完善之处。 1 7 2 2 5 注浆量计算建议 根据上述注浆量公式对比评价，本文提出新的注浆量计算公式，取其优点， 尽量避免其缺点，采用形如q = 口p d 注浆量计算公式，但对系数选择口，不同的经 验值，以对超长大直径钻孔灌注桩有很好地适用性。口。的选取是根据一些实际工 程在试桩中实测的工程数据( 见附录b ) ，以桩径为变量，以土层性质为类，对注浆 量数据进行对比分析、归纳总结，以得出一个经验系数哪的取值范围。由于试桩 都属于超长大直径钻孔灌注桩，且是经验公式，考虑到施工中很多的影响因素， 没有对实际问题进行理想化和一系列的假定，所以此公式具有很大的现实价值。 对附录b 数据进行处理，归纳出经验系数口。的取值。以下详细介绍处理原则： ( i ) 附录b 中，详细列举了4 7 根桩的直径和相对应注浆量的关系，并且按 照土层进行分类。对于这类数据的处理具体如下： 1 1 平均值：叉：型l n 中误差：m = 1 击( 五一_ 2 ) 平均中误差：m ： 4 n 变异系数：艿：竺 z ( 2 ) 文献伫8 1 详细介绍求解这类回归问题的方法。文中提出回归分析以最小二 乘法为基础，其所建立的回归直线误差( 标准差) 最小，但它的计算一般是比较复杂 的。为了简便计算，在准确度要求不太高或实验数据线性较好的情况下，可采用 平均值法。本公式是有关直径和注浆量这两个变量的关系，拟出形如q = 口口d 的 正比例线性方程。故本文在分析时采用回归分析中较简便的求法平均值法。 由于各试桩工程所收集的数据因施工因素、人为因素等的影响，所选数据有 一定的离散性，所以在实际处理过程中，选用2 倍的标准差法检验其异常值，在 一x + 2 m x 一x 2 m 范围之内，为正常值，在此范围之外作为异常值舍弃，以保证 9 5 的保证率。然后再计算平均值、标准差和变异系数及变化范围。直到所有数值 均在x + 2 r e x x - 2 m 内，求其平均值、中误差和平均值中误差。为了让计算结果 更精确，本文在处理这些数据时引用平均值中误差，将最后结果表示为i m ，即 最终取值范围为【x 一肘，x + m 】。 由对附录b 数据进行分析统计和线性回归分析，得到如下统计图2 _ 6 和增长 系数图表2 _ 2 。 图州( a ) 图掷( b ) 1 9 图搠( c ) 图2 - 一6 ( d ) 图掷( e ) 图2 - - 6 不同土层注浆量经验系数回归直线 表2 - - 2 各不同土层注浆量的增长系数 持力层粘土粉砂细砂中砂粗砂卵石 平均值2 2 82 8 42 5 42 3 63 4 32 6 3 中误差o 4 70 7 90 5 4o 6 50 7 80 4 2 算术平 均值中0 1 9o 3 0o 1 7o 2 80 3 50 1 1 误差 取值范 2 0 8 2 4 72 4 4 _ 3 1 32 3 8 2 6 92 3 0 2 6 33 0 8 - 3 7 8 2 5 2 2 7 4 围 变异系 o 2 1o 2 8o 2 lo 2 80 2 30 1 6 数 本文推荐公式的经验系数如上表所示，在计算超长大直径钻孔灌注桩桩端后 压浆注浆量时，可用该公式：q - - t t p d 经验系数取值范围如表2 - - 3 ； 表2 - - 3 经验系数取值范围 持力层粘土粉砂细砂中砂粗砂卵石 取值范围 2 1 2 5 2 5 _ 3 22 4 2 72 3 2 73 1 _ 3 8 2 3 2 8 2 1 ( 3 ) 本公式评价 ( 1 ) 优点 本公式计算简便，参数取值容易。 适用于超长大直径钻孔灌注桩注浆量的计算。 考虑到土层对注浆量的影响。 本公式为经验公式，考虑到施工中很多的影响因素，没有对实际问题 进行理想化和一系列的假定，所以此公式具有很大的现实价值。 ( 2 ) 缺点 本公式考虑到土层对注浆量的影响，但影响趋势不太明显。如粉砂的 系数取值整体偏大于细砂，这与理论不相符合。在实际计算时，可以通过取 值来实现增长趋势的变化。 由于数据有限，并且数据本身由于施工条件、人为等因素，与实际可 能还有一定的偏差。需要收集更多的试验数据来修正。 2 3 后压浆桩的理论分析及计算 2 3 1v e s i c 球形孔扩张理论对后压浆桩的分析 本文主要利用v e s i c 球形孔扩张理论讨论计算钻孔灌注桩桩底压密灌浆提高桩 承载力的解析解。v e s i e 提出的球形孔扩张理论可以较好地解释桩端三维压密型灌 浆的作用机理。其结果可以用来分析压密灌浆的效果、影响范围、工艺参数等确 定问题。图2 1 ，2 _ 7 ，2 8 分别是扩张理论的示意图和模型简图。 ( 1 ) 假设 浆液在地层中呈球形扩散； 压浆点在桩底正中； 土体是各向同性质，服从摩尔库伦强度准则，塑性区内的土 体是可压缩的塑固体。即有塑性区平均体积应变为，塑性区以外的土体为弹性 体，具有变形模量e 和泊松比l ，。 假设球形孔穴的初始半径为，相应的浆液压力为p o 。球形孔穴扩张 后半径r u ，塑性区最大半径为0 ，在半径以外的土体仍保持弹性状态。 c 刁 i y y ，；v c 地下水位 0 革始左筮 o 乐1泰一弓 c 图2 - - - - 6 注浆管底端浆液呈球柱形扩散示意图 图2 - 7 计算简图图2 - - 8 力学模型 ( 2 ) 推导 在球坐标系中，球形孔扩张的应力平衡方程为： 堕+ 2o ，- o o = 0 d rr 其中q 、为径向和环向应力； 摩尔一库伦屈服条件为： 性区 p q 一= ( q + ) s i i l 缈+ 2 c c o s 伊= 0( 2 1 4 ) 将( 2 1 4 ) 代入( 2 1 3 ) ，得到球形孔的微分方程： 孕+ 旦粤粤+ 毒萼冬= 0 ( 2 1 5 ) 办厂1 + s i n 矽 厂( 1 + s i n 矽) 、。 解此微分方程，并考虑边界条件以确定积分常数，得： p 4 s f i n 矿 q = ( p u + c c o t 缈) ( 垒) 1 + 咖9 - c c o t c p = 0( 2 - 1 6 ) ，_ 式中p u 为球形孔内最终压力值。公式( 2 一1 6 ) 即为塑性x e , 范m 内径向应力 q 的计算公式，求得q 后，可由( 2 1 4 ) 可求得塑性区内的环向应力。塑性 区外的应力场可由弹性力学公式求得。通过弹塑性边界的径向位移及应力平衡条 件，并考虑到球形孔穴内荷载作用以前内具有各向同性的原存应力q 值，可得： ”酬夸篙= 业舞产， 并可得孔穴中最终压力p u 值计算公式： 见= 堑号掣白面4 8 9 一c c o t 缈 p 埘 假定塑性区内的平均体变为零，则引入刚度指标： = 面丽而e = 詈 g 一剪切模量( k p a ) ； s 一抗剪强度( k p a ) 。 修正的刚度指标0 ： 。= 南 ( 2 _ 1 9 ) ( 2 _ - 2 0 ) 塑性半径b 与孔穴最终半径r 的比值，即( 巧r ) 与刚度指标的关系， 在0 够4 5 。厕= 0 的条件下，存在下述关系； 乏= 振= 佤 ( 2 _ 2 1 ) 则( 2 1 2 ) 式可改为： 令 则得 令疋= ( 一1 ) c o t e 见= 她挚佴) 怒删缈 ( 2 1 3 ) ( 2 2 4 ) 则得见=幔+矿(2_25) p u 值即为球形孔穴的最终压力值。该值对于桩底灌浆钻孔灌注桩的灌浆设计 施工及承载力确定很重要的。从上式中可计算出桩端灌浆压力的最终值风 2 3 2v c s i c 球形孔扩张理论的试桩分析 基于2 3 1 节的v v s i c 理论分析，本节结合工程实例以验证v e s i c 理论对后压浆 灌注桩的分析正确性和准确度。 本次试验的两根桩端压力灌浆桩的桩端持力层均选在饱和、中密卵石层中， 桩周土层都以卵石层为主。表2 - _ 4 是试验场地的土层参数。 表2 - - 4 试验场地的土层参数 土的物理力学指标 土层名 岛 i ， 79 c 饱和、中密 3 4 o 2 22 14 0 00 卵石层 孔穴的最终半径凡取为浆液结石体的平均半径，由以下公式计算： 咒= ( 州 卿6 ， 式中：v 一灌浆量； 口浆液自然析水率。 由此算得伊河b 桩、洛河b 桩的孔穴的最终半径民分别为0 7 0 6 m , 0 4 1 7 m 。 茜 一 ，iy、-、 警一 0 3 g 叩一3 国 见 孔穴中心处的原存压力为该位置处上覆土层的自重压力，由于两试桩上覆土层相 差不大，综合取其平均重度为2 1k n m 3 ，则 q = 砌= 2 1 x 1 8 = 3 7 8 k p a 由公式( 2 1 9 ) 得； = 而丽丽3 4 丙0 0 0 丽= 4 3 9 3 由公式( 2 1 0 ) 得： ， 4 3 9 3 ，= = - - - - - 二- 一：= 一 埽1 + l 口 1 + 4 3 9 3 0 由于缺乏实测资料，故假设不同体积应变u ，算出相应的0 、b 和理论上的 孔穴中的内压力见值，列于表2 - _ 5 中： 表2 _ 5 计算值 u o oo 0 1o 0 2