（岩土工程专业论文）灌注桩后压浆技术的机理与功效研究.pdf

摘要 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 泛的应用。 然而，人们对于后压浆的作用机理的认识不尽相同，以往的一些公式因应用 了过多的假设己不再适用。为此，本文提出了在土体骨架不可压缩的条件下应用 非线性有限元软件对压浆过程进行动态模拟的方法，通过数值模型分析对压浆过 程中浆液在土体中的渗透范围以及影响浆液在土体中渗透的主要因素进行讨论， 为设计和施工提供一定的依据。模拟中以桩底中心压浆为主，在桩身尺寸、浆液 粘度、压浆压力、土层性质等方面对压浆过程的影响作用进行了研究，并讨论了 桩底外沿双管压浆方法与桩底中心压浆方法的异同之处。 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，迸一步认 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；渗透；作用机理；提高系数 a b s t r a c t p o s t 铲o u 矗n gi sa i le 日色c t i v ec o n s t n _ l c t i o nt c c l l i l 0 1 0 9 yt 0i m p r o v eb e a r i n gc a p a c i t y 0 f c a s t - i n p l a c ep i l e m a i l yc o r r e s p o n d i n gt c s t i i l gr c 叭l t s 碱c a t em a tt h el l s a g eo f t h i s t e c h i l 0 1 0 9 yc 锄e x p l o i tt 1 1 ea d v a i l t a g eo fc 勰“n 巾l a c ep i l e 孤ds a v et h ef o f f o 吼d a t i o n 订e a 衄e n t ，b r i n go b v i o u sc c o n o m i cb e n e 丘t s v a f i o u st y p 髂o f p o s t - 粤d u 血1 9 t e c l l i l o l o g ya r ew i d e l yu s e di nm a n yp a n so f o u rc o u n 奶 h o w e v e r ；t l l ec o 瑚【p r e h e n s i o n so f t l l em e c h a n i s mo f p o s t 一目o l n i n ga r ev e r yd i 行踟t t h ee x i s t i n gf b n n u l a sa r en o ta p p r o p r i a t e ，b e c a u s et o om a i l yp r e s 啪p t i o 璐a r c 璐c d t h e r c f o r e ，am e t h o du s i n gn o n l i i l e a rf e ms o 脚a r et os i m u l a t et l l ep r o c e s so f g r o u t i n gu n d c rm ep r c s u m p t i o n o fs o i li m p r e s s i b l ei sp r o p o s e d t l l r o u g ht l l ea n a i y z e o ft h en 啪e r i c a lm o d e l ，m em a i nf h c t o r st l l a te f r e c tt h ep e n e 劬t i o nm g ea n dt l l e p e n e t r a t i o nf o n no f 粤d u tp e l l e 订a t i n g i i ls o i ld 嘶n gt l l ep r o c e s so ff o u t i n ga r e d i s c u s s e d ，觚ds o m ea d v i c e sa r ep r o p o s e df o rd e s i g n 锄dc o n s m l c t i o n h lt 1 1 e s i m u l a t i o n ，粤d u t i l l ga tm e c c i l t c ro f m ep i l eb o t t o ma r em a i n l yd i s c u s s e d ，t l l ee 日b c to f p i l es i z e ，v i s c o s i t yo f 铲o u t ，p r c s s u r co f g r o u t i n g 锄dp m p e n yo f s o i lt ot l l ep r o c e s so f p o s t g r o m i n ga r cr e s e a r c h c d ，锄dd i 虢姗tb e 脚e g r o u t i n ga t 也ee d g e o fp i l e b o 们mw i t l l 铆og r o l n i n gp i p e 撒dg r o u t i i l ga tm ec 锄t e ro f p i l eb o ma r ea l s o d i s c u s s c d 1 1 l r o u g h s t a t i s d c 姐a l y s i s o f t e s t i n g r e s u l t so fc 蠲t i n _ p l e p i l c su s 吨 p o s t g r o u t i n gt e c l l l l o l o g y ，t l l em e c h a l l i 锄o fp o s t 孕d u t i n ga r ed i s c u s s c dm o r e t h e i n l p r o v c n l e n tc o e 伍c i e mo fm ep i l el l s i n gp o s t _ 铲o u t i i l gt c c h n 0 1 0 9 yi sd i s c l l s s e d ，a n d t h ee 疵c to fn l ep i l es i z ea n dp m p c n yo fs o i la r e 锄a l y z e d ，t h e s ec o u l dp r o v i d es o m e f 打e n c et ot l l el l s a g eo f t l l i st e c 圭1 1 l o l o g y k e yw o r d s 乎d u t i i l gp i l e ；p e h n e a 虹o n ；m e c h a n i 锄；i m p m v e m e mc o e 伍c i 咖 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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工业大学或其它教育机构 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。 躲盈良吼 关于论文使用授权的说明 4 劬1 6 f o 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：! 量眭垄里日期：兰盟堑：! ! 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着我国高层和超高层建筑的发展，越来越多的工程需要采用深基础。混凝 土灌注桩作为深基础的一种形式，因其承载力大、施工设备简单、沉降速率缓慢 及沉降量小且均匀等特点，在高层建筑工程、桥梁工程、港口及水利工程中被广 泛运用。而回转钻孔法施工，因其噪音低、振动小、桩长桩径可以自由选择、稳 定性好、进尺快、泥浆排放量少等诸多优点而被普遍采用。随着近年来施工机具、 施工技术的不断改进和完善，灌注桩中存在的断桩、缩颈、露筋、塌孔等主要质 量问题得到了有效抑制。同时，由于施工方法自身的缺陷也给混凝土灌注桩带来 了一些不可避免的缺点，如桩底虚土难清理，使桩尖持力层不可靠，桩身孔壁泥 皮松软光滑从而影响摩擦力的发挥。再加上高层、大荷载建构筑物的兴起，对桩 的承载力要求也越来越高，如何在桩径、桩长受限制的情况下满足承载力要求， 这一切都给灌注桩地基处理施工工艺提出了新课题、新要求。 影响钻孔灌注桩单桩承载力的主要因素有以下几个方面。首先，孔壁泥皮阻 碍桩身混凝土与桩周土体的粘结，起到润滑作用，降低了桩侧摩阻力。第二，施 工中无论怎样二次清孔，孔底沉碴仍是不可避免的，特别是在土质松散地层中施 工时，即使经过特别仔细清孔，清孔后至浇筑混凝土之前这段时间内也会沉淀一 些沉渣，孔底沉碴厚度一般为1 0 5 0 c m ，最厚可达l o o c m ，是影响单桩承载力 和建筑物沉降的最重要的因素之一。第三，混凝土初灌时，由于导管细而长、落 差大，混凝土出现离析现象在桩底部形成“于碴石”、“虚尖”，影响桩底混凝 土强度。第四，由于桩身混凝土的固结发生体积收缩，使桩身混凝土与孔壁间发 生间隙，减少了桩侧摩阻力。而且在成孔过程中都普遍存在对孔壁和孔底土层的 扰动。这些方面的作用都影响了钻孔灌注桩承载力的发挥。同时静载试验表明， 钻孔灌注桩的端承力仅占其极限荷载的1 5 3 5 ，桩侧摩阻力与桩端阻力的发挥 存在不同步现象。要充分发挥桩侧摩阻力只需数个毫米的桩顶位移，而要充分发 挥桩端阻力的作用，需要0 1 o 3 倍桩径的桩顶位移，而这么大的位移在工程上 是不允许的。因此桩达到破坏时，桩侧摩阻力往往得了到充分发挥，而桩端阻力 却潜力尚大，这也是桩承载力上不去的原因之一。设法加大桩的端承力，从而提 高桩的整个承载能力，也就成为解决问题的关键之一。 钻孔灌注桩后压浆技术就是针对上述问题而开发的技术，它的实施对于单桩 承载力的提高相当显著。该工法采用水泥浆通过在桩底或桩侧预埋压浆管路，用 高压将浆体强行压入桩底或桩侧土层中，一方面对桩底沉渣附近土层、桩侧泥皮 北京工业大学工学硕士学位论文 起到渗透、填充、压密、固化等作用，使之形成一种高强度的土体结构，从而消 除形成的“软垫效应”：另一方面随着注浆压力的增加，浆液还会不断地向桩端 土体渗透，与之固结，使桩端形成扩大头，提高桩端承载力，从而提高单桩承载 力。该技术的使用可以提高钻孔桩单桩承载力、降低建筑物沉降量、节约工程成 本，是一种比较先进的施工技术。 压浆技术最初产生并应用于加固工程或防渗工程中，是将一定材料配置成浆 液，用压送设备将其灌入底层或缝隙内使其扩散、胶凝或固化，以达到加固地层 或防渗的目的。1 8 0 2 年，法国人查理贝里格尼在修理d i e p p e 冲刷闸时，用一 种木制冲击装置，人工捶击方法向地层积压粘土浆液，被称为压浆的开始。此后， 法国在1 9 世纪中叶，应用这种压浆方法对建筑物的地基进行加固，这种方法相 继传入英国和埃及。这一期间，压浆技术处于原始的萌芽阶段，注入方法简单， 浆液主要是粘土、火山灰、生石灰等简单材料。英国的基尼普尔在1 8 5 6 1 8 5 8 年间，用水泥作为压浆材料，进行了一系列的压浆试验，并获得了成功，这是第 一次用水泥材料压浆。之后以水泥作为压浆材料进行注浆的技术得到了广泛的应 用。荷兰采矿工程师尤斯登在1 9 2 0 年首次应用水玻璃、氯化钙双液双系统二次 压注法，被认为是应用化学压浆技术的开始。随着压浆的技术的蓬勃的发展，该 技术也开始被应用于灌注桩基础。后压浆灌注桩技术在国外应用较早，在二十世 纪二十年代，英法德等国就开始了这方面的生产实验等工作，总结发明了一些有 效的旌工工艺，如：压力腔法、压力箱法、压力注塞法、侧壁喷射灰浆法等。后 压浆灌注桩是在普通灌注桩基础上发展起来的一种新型桩。它是在钻孔、挖孔或 冲孔等各种形式的灌注桩成桩之后，通过埋设在桩身中的注浆管，将能够固化的 浆液( 如纯水泥浆、水泥砂浆、掺加外加剂的水泥浆、化学浆液等) 均匀地注入 桩身侧面或桩端底层，减少和消除成桩过程中产生的隐患对承载力的不利影响， 改变了桩端、桩侧附近土体的物理力学性质，使桩端阻力和桩侧摩阻力得到不同 程度的提高，桩的沉降得以减小，桩的承载能力明显提高。在国内8 0 年代，桩 底后压浆技术已在桩基补强加固中得到应用。进入9 0 年代，很多地区均进行了 桩底后压浆试验，后经中国建筑科学研究院地基研究所总结、研究、开发，形成 了比较完整的泥浆护壁灌注桩后压浆技术，并于1 9 9 4 年取得了该技术的专利， 目前已在全国各地广泛使用。后压浆技术也从桩底压浆发展到桩底、桩侧联合压 浆。使用范围从桩基加固发展到工程桩提高单桩竖向承载力以及解决嵌岩桩岩层 破碎带等领域。由于这种方法具有工艺简单，效果显著，投资小，效益高等特点， 因而在我国得到了广泛的应用“。 我国目前对于灌注桩后压浆技术的作用机理的认识尚没有明确的理论依据， 相关的学术性研究也比较少。对后压浆灌注桩的承载力计算也没有明确的规范， 通常对后压浆灌注桩的承载力计算往往只能根据以往的施工经验。本文从此出 发，结合北京市教委项目课题，对灌注桩后压浆技术的作用机理进行比较深入的 2 第1 章绪论 探讨，并在大量统计的基础上提出后压浆灌注桩的承载力的提高系数，为该技术 的应用提出合理化建议，为以后的工程提供设计施工依据。 1 2 研究意义 钻孔灌注桩后压浆技术作为一种比较先进的施工技术，具有提高钻孔灌注桩 单桩承载力、降低建筑物沉降量、节约工程成本等诸多优点，其功效已被大量的 工程实践所证明。但是在应用的过程中，设计人员没有明确的理论依据，国家对 于这一比较先进的施工技术的设计也没用明确的规范，只能根据个人设计经验和 本地的施工经验进行估计。根据施工场地的不同单桩的承载力的提高量从2 0 1 0 0 不等，为了保证工程的安全，在桩的设计中往往会留有比较大的安全储备， 从而造成不必要的浪费。并且压浆量、浆液渗透范围及桩承载力等方面的计算方 法也有不同的认识，这就需要在理论上给与阐述。在施工的工程中，施工的各项 参数的选用也没有明确的规定，而施工参数的选用会对后压浆灌注桩的承载力产 生很大的影响，这也需要有理论依据给与指导。 本文结合北京市教委项目课题，对灌注桩后压浆技术的作用机理进行比较深 入的探讨，并讨论施工参数的选取对于压浆效果的影响，同时在统计的基础上提 出后压浆灌注桩的承载力提高系数的参考值，对实际的设计和施工具有明显的理 论指导意义。 1 3 灌注桩后压浆技术的研究历史及现状 由于后压浆技术在国内外都有研究，对后压浆技术的作用机理和功效的认识 也不断的深入。到目前为止，提出了很多的公式和理论。 1 3 1 灌注桩后压浆技术作用机理的研究现状 1 3 1 1 后压浆技术的工程分类 按压浆管埋设方法，后压浆灌注桩可以分为桩身预埋注浆管和钻孔埋管注浆 两种。桩身预埋注浆管可以将注浆管设置在桩中部，也可以设置在桩身侧面；钻 孔埋管注浆一般是在桩身承载力不能满足要求和进行桩基事故处理时所采用的 方法。 按压浆工艺分类，后压浆可以分为开式压浆和闭式压浆两种。开式压浆是指 浆液通过注浆管直接压入桩底端。浆液与桩底沉渣、桩端周围土体呈混合状态， 有时会产生劈裂注浆。该方法加固范围大，浆液与周围土体发生混合劈裂、填充、 渗透等作用，在桩端形成类似于复合地基的扩大头。闭式压浆就是将浆液压入桩 底端预制的弹性良好的腔体内，随着注浆压力和注浆量的增大，弹性腔体逐渐膨 3 北京工业大学工学硕士学位论文 胀、扩张，在桩端下土层中形成浆泡。浆泡的产生及其逐渐扩大会对桩端沉渣及 桩端土层进行有效压密，这样即可以对桩端土层进行局部加固。 按压浆位置分为：桩底后压浆和桩侧后压浆。桩底后压浆又分为：有腔和无 腔两种。有腔桩底后压浆技术是桩底设有注浆腔( 由胶囊、圆钢板、连接管及河 卵石组成) ，浆液先注入注浆腔，达到一定压力后使腔体胀裂向周边扩散，其优 点是质量好保证，但工序较多。无腔桩底后压浆技术则没有注浆腔，是在注浆管 端部装有压浆阀，浆液直接向外喷射，施工较方便，但有时压浆阀易堵塞影响注 浆。 1 3 1 2 后压浆技术提高桩基承载力的机理研究 常规灌注桩由于施工工艺和混凝土的固有特性会降低但桩承载力，如：成孔 过程中使用泥浆护壁，必然会在孔壁形成泥皮，从而降低了桩侧摩阻力：由于孔 底沉渣并不能被完全清除，使桩端阻力不能充分发挥；由于泥浆的浸泡使得桩侧 的土体变松软，降低了桩侧摩阻力：混凝土固结后有一定的收缩性，使得桩和土 之间的胶结性变差，从而降低了桩承载力；在灌注桩身混凝土时，由于灌混凝土 导管长而细，且管内充满泥浆液体，桩身混凝土首灌时在导管内落差大，流动时 间长，会导致首灌混凝土离析，在桩底处会产生“虚尖”、“干碴石”等弊端， 使桩端混凝土强度降低，从而影响单桩承载力。为提高桩基承载力，通常采用加 大孔径或孔深，或增加桩数的方法，但这势必使投资增加或施工难度加大。应用 钻孔灌注桩后压浆技术可以显著地提高钻孔灌注桩的单桩承载力，该技术之所以 能提高钻孔灌注桩单桩承载力，其主要机理如下： ( 1 ) 桩底压浆提高单桩承载力的机理分析 在向桩端压注水泥浆时，水泥浆液是由下而上渗透的，浆液首先渗透到桩底 疏松的沉渣间隙中，继而对沉渣和被扰动的桩端土体进行挤密、充填和固结。这 样在桩端部位形成了强度较高的复合固结体，当桩端( 底) 采用石子胶囊时，则 形成强度相对更高的混凝土体，从而消除了桩底沉渣对单桩承载力的不利影响， 提高了桩端承载力和减小了桩的沉降。水泥注浆液在高压下不断地向受泥浆浸泡 而疏软的持力层中渗透、挤密和劈裂，使持力层的强度和变形模量得到大幅度的 提高，而且形成以浆脉网络及桩底复合胶结材料组成的梨形体，相当于对钻孔灌 注桩进行扩底而形成扩大头，即增大了桩端的受力面积和桩端阻力，使桩端的承 载力得到提高。水泥浆液将充填由于灌注桩身混凝土离析而形成“虚尖”“干渣 石”等不利桩端的间隙和孔隙，增加了桩端混凝土的强度。随着注浆压力逐渐升 高，水泥浆液的可灌性和扩散距离逐渐增大，在桩端底面以上受影响的竖向范围 内，水泥浆液沿桩孔壁上返，劈裂开阻碍桩身混凝土与桩周土进行粘结的泥皮， 并与泥皮发生物理化学作用呈现固化效应，这样在桩端周围受影响范围内形成厚 度为2 2 0 r 啪的水泥结石套，消除了泥皮对单桩承载力的不利影响，也相应增大 了灌注桩的桩端部位处的直径，从而提高了桩端部位处的桩侧摩阻力。当桩端处 4 第l 章绪论 的水泥浆液渗透力受阻和制约时，形成的梨形体内的浆液压力不断升高，在此高 压液体的作用下，将给桩底面施加向上的反力，当钻孔灌注桩承受向下的垂直荷 载时，此反力将承担部分荷载，即提高了桩端阻力。 ( 2 ) 桩侧压浆提高单桩承载力的机理分析 在桩侧处压注水泥浆液，在压浆泵的高压作用下，水泥浆液在桩侧处挤压密 实桩周土体，并渗透进桩周土体，形成竹节状的浆泡，具有竹节桩效应，提高桩 侧摩阻力；水泥浆液楔入到桩身和孔壁的环状问隙中，使疏松的泥皮挤压密实固 结，消除了桩周因泥皮对侧阻力的影响，从而改善了桩土的关系，同时增大了桩 的平面几何尺寸，使桩的侧摩阻力得以充分发挥和相应提高；浆液在高压作用下， 经劈裂、渗扩、填充、压密、固结等作用，改善桩端土，桩周土的物理力学性能， 从而使单桩承载力得到大幅度的提高帅1 。 1 3 1 3 压浆渗透范围研究现状 压浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的，对浆液的单一流 动形式进行分析，建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。在对压浆 技术的机理进行探究的过程中人们发现，浆液在地层中往往以多种形式运动，而 且这些运动形式随着地层的变化、浆液的性质和压力变化而相互转化或并存。如 在渗透注浆过程中存在劈裂现象，在劈裂注浆过程中存在渗透流动，在压密注浆 过程中存在劈裂或渗透流动。尽管浆液在地层中运动形式很复杂，但它在一定条 件下总是以某种流动形式为主。 在比较松散的土层中以较低的压力进行压浆时，浆液的扩散将主要以渗透为 主，这就使浆液的渗透影响范围成为首要关心的问题。在以往的研究中，通过对 压浆过程进行不同程度的简化，推导出了一些反映浆液渗透范围、注浆时间与注 浆压力之间关系的公式。 ( 1 ) 马格( m a a g ) 公式 马格1 9 3 8 年，首先推导出浆液在砂层的渗透公式，即马格( m a a g ) 公式。 马格作了下述假定：浆液从钻杆底部孔注入土体，注浆源为点源；浆液在 地层中呈球状扩散，如图1 1 ；浆液为牛顿体；被灌浆的砂土体为均质和各 向同性的。计算简图见图1 - 2 。应用达西定律，采用边界条件，= 时 = 日；，= 时 = ，得到了下面的公式： 有： q = 已知日一= 鱼，q = 丢石彳- 斤，同时考虑 ， ( 1 1 ) 即土一三。土，于是 r 0吒r 0 ，一、1坐倍 北京工业大学工学硕士学位论文 ：挚f _ 婆 ( 1 2 ) 1 3 鼢3 巩 。 式中：髟土的渗透系数( 册s ) ； q 浆液流量( 硎3 s ) ； 足。浆液在地层中的渗透系数( c m s ) ； 浆液粘度与水的粘度比； 4 渗透面积( c 埘2 ) ： 浆液的扩散半径( a ，1 ) ； 注浆点的地下水压力水头( 册) 厄注浆压力水头( 俐) ； 地下水水头和注浆压力水头之和( 册) ； 注浆管半径( 册) ； ，注浆时间( j ) ； n 电土的孔隙率； 心水的动力粘度系数( m p 口s ) ； 心浆液的动力粘度系数( m p 4 s ) 。 图1 1 点源注浆球面扩散示意图 f i g 1 1s k c t c ho f s p h e r ep e n c 仃a d o ng r o u 血g 一 一 j 亨 -l 山 佤 ：飞、 r 图1 ，2 马格公式点源注浆球面扩散计算简图 f i g 1 2s k e t c ho f c a l c u l a t i i l gf o rl m g ee x p r e s s i o l l s ( 2 ) 拉费尔和格林伍德公式 在马格公式的基础上，拉费尔( r a m e ) 和格林伍德( g r c e i l w o o d ) 推导出 注浆点源的球形扩散半径、浆液流量和浆液压力之间的关系式： 啊= 杀限一守书 s ， 6 第1 章绪论 浆液从注浆源( 钻杆底部) 扩散到半径为的球面所需的时间表示为： r = 鲁隰_ 1 - 譬 纠 c - 4 ， 式中：k 土的渗透系数( c i i l s ) ： 卢浆液粘度与水的粘度之比； 球形扩散半径，对于柱形注浆源= ，d ) ”2 ( 其中l 为桩长， d 为桩直径) 。 ( 3 ) 非溶性浆液球面渗透压浆扩散公式 前面叙述的渗透注浆公式都是将具有一定粘度的浆液运动状态看作是与地 下水运动状态一致的匀速运动。实际上在含水地层，压浆是驱水压浆，在浆液注 入而驱替孔隙水时，渗流运动将是减速运动。下式为当液面呈球面扩散时，考虑 浆液的渗透率和浆液饱和度的关系以及毛细压力的影响时的非溶性浆液渗透压 浆扩散公式： f ：! 兰l f 粤一当1 + 生 ( 1 - 5 ) p o p g pc 、k w k z 2k i r q 3 式中： 注浆管半径； 地下水影响半径； 善浆流区或水流区任意点半径： 足浆液饱和度； 也饱和度为时，浆液的渗透率； 屯。饱和度为s 。时，水的渗透率。 f 注浆时间( j ) ； 砂土的孔隙率； 儿水的动力粘度系数( 胍p 4 j ) ； 以浆液的动力粘度系数( 埘尸a j ) 。 ( 4 ) 柱面渗透压浆扩散公式 同样假设浆液为牛顿体，在采用花管式压浆管进行压浆时，将浆液的渗透范 围假定为柱状扩散，如图1 3 。简化为如图1 4 的计算简图，推导出了下面的公 式： ：= 三f ：监刿 ( 1 6 ) 仁1 丽而硒扛斧 u 击 式中： 足吒土的渗透系数( c n 妇) ； 户浆液粘度与水的粘度比； 7 北京工业大学工学硕士学位论文 7 ，浆液的扩散半径( c m ) ； 往浆点的地下水压力水头( c m ) ； ，l l 注浆压力水头( 锄) ； 日地下水水头和注浆压力水头之和( c m ) ； 注浆管半径( c m ) ； f 注浆时间( s ) ； 栉电土的孔隙率； 口柱状注浆长度。 图1 3 柱面注浆扩散示意图图1 _ 4 柱面注浆扩散计算简图 f i g 1 0s k e t c h o f c y l i n d c r p e n e 仃a n o n g r o u 缸g f i g 1 _ 4s k e t c h o f c a l c u l a 血g f b r c y l i l l d e rp e n e 把m o n 掣o u h l l g ( 5 ) 非溶性浆液柱面渗透压浆扩散公式 同样在考虑浆液的渗透率和浆液饱和度的关系以及毛细压力的影响后，如图 1 5 ，得到了非溶性浆液柱面渗透压浆扩散公式： r = 志胆料爿告+ 孚料爿爿， 式中：，0 注浆管半径o t 地下水影响半径； f 浆流区或水流区任意点半径； 屯饱和度为时，浆液的渗透率： 丸饱和度为s 时，水的渗透率。 第1 章绪论 饱 和 度 or or r 。 图l 一5 柱状压浆非溶性浆液扩散示意图 f i g 1 - 5s k e t c h o f c y l i n d c r p 曲e 衄d o n g r o u 伽g 由上面的介绍可以看出，在以往的对渗透注浆的分析中虽然提出了球面、柱 面压浆的渗透公式，但是这些公式都作了比较多的假定。比较重要的假定之一就 是忽略了桩的尺寸，而桩的尺寸效应对于浆液的渗透范围有着较大的影响，同时 认为浆液的扩散范围呈球形，这一假定对于注浆量，注浆时间等方面的计算结果 带来的影响也是不可忽略的。当前的压浆工艺中，压浆管的布置形式也不仅仅局 限于桩底中心压浆，使得前面公式假定更加不符合工程的实际情况。因此有必要 对压浆桩浆液的渗透范围提出新的算法。 1 3 2 灌注桩后压浆技术功效的研究现状 1 3 2 1 灌注桩后压浆技术功效 根据中国建筑科学研究院地基所的统计，采用后压浆技术后，单桩承载力可 提高4 0 1 2 0 ( 细粒土提高幅度小) ，在相应减少桩数的条件下，建筑物总 沉降量可减少3 0 5 0 ，并可显著减少差异沉降。在北京地区，由于地质上多 砂层和卵石层，压浆后单桩承载力增幅可保证达到6 0 以上，高可达到1 2 0 以 上。一些工程实例的实测对比表明，压浆与非压浆方案单桩承载力增幅较大，经 济效益明显。 虽然该技术有着明显的技术和经济效益，但是在实际的设计和施工中，由于 这项技术没有明确的规范，所以对于后压浆技术可以在多大程度上提高单桩竖向 承载力的认识仍有不同。 黄跃进通过对福州市龙泉大厦等5 个工程2 2 根桩后压浆桩与未压浆桩承载 力的对比研究说明：后压浆法适用于砂层、粘土、粉细砂、粉土夹粘土、岩石， 可提高桩基竖向承载力2 3 5 1 0 9 9 。对不同地区，不同土( 岩) 层、不同的 机具装置、不同的操作方法和参数，承载力提高幅度差距较大，应根据一定数量 的试验桩而定，亦可在大量工程实例总结分析的基础上进行同前提条件的类比 【“】 a 陈小明、林山通过对工程实践地总结证明，泥浆护壁灌注桩通过桩底后压浆 9 北京工业大学工学硕士学位论文 处理，桩端阻力和桩侧摩阻力都能得到正常的发挥，对于桩长在5 0 m 以内，桩 端持力层为第一、第二类的桩，单桩竖向承载力可提高5 0 1 1 0 ，降低桩基 造价2 0 4 0 ，有显著的经济效益和社会效益”1 。 中国建筑科学研究院地基所认为，进一步改进注浆装置，优化工艺参数与流 程，单桩承载力增幅进一步提高，对于细粒土达3 0 7 0 ，对于粗粒土达6 0 1 2 0 。 张阳明、管典志通过测试认为后压浆技术的应用可以使灌注桩的单桩承载力 提高6 6 6 1 0 0 。 周伟，李惠强通过测试认为后压浆技术可以使灌注桩的单桩承载力平均提高 2 2 “力。 阎立忠通过测试后认为采用桩端和桩侧双压浆，其单桩承载力提高达8 0 以上。 谢国新，袁莉明，任伟中认为采用后压浆技术不仅从根本上解决了泥浆护壁 钻孔灌注桩的三大缺陷，同时由于高压浆体的渗透、扩散、劈裂、充填，改善了 桩端桩侧土体的力学性质，并在桩端形成一定的扩大头。该技术的应用使泥浆护 壁钻孔灌注桩的承载力提高达2 7 5 倍。 王平，李志光，孙浩在太原地区从已完成试验工作的后压浆桩试验情况看， 认为单桩试验承载力一般都可以提高2 3 倍，最高可达4 倍o “。 谢耀峰、王云球等人通过对工程实践分析指出，后压浆工艺的单桩承载力， 对于细颗粒土可提高3 0 一7 0 ，对于粗颗粒土增幅达6 0 1 2 0 。由于后压浆使 单桩承载力提高，从而使桩数减少或桩长减短，工程量减少，桩基工程节约投资 2 0 5 0 ，经济效益是十分显著的。主要体现在：工期缩短，建设速度加快。 一般工期可缩短2 0 以上；建筑物沉降减小。后压浆桩基由于桩土整体性能增 强，沉渣消除，桩的贯入变形显著减小，沉降较非压浆桩基减小3 0 5 8 左右， 且有效地改善沉降不均匀性”3 。 1 3 2 2 灌注压浆桩竖向极限承载力计算公式 胡春林，李向东，吴朝晖等人经过工程统计提出了灌注桩后压浆桩竖向极限 承载力的建议计算公式( 公式1 9 ) ，并针对汉口地区提出了压浆桩的侧阻力增 强系数钰和端阻力增强系数f 。的建议值( 表1 1 ) 。并根据统计分析，指出当实 际压浆量达到合理压浆量时，后压浆灌注桩单桩承载力极限值增幅达到5 4 6 7 的可能性很大。 既= 以( “缸坞叫， ， b l l o 第l 章绪论 表l l 汉口地区后压浆桩的侧阻力增强系数9 0 和端阻力增强系数乞的建议值 t 曲l el ls u g g 郎t e d p a 勰t e 培o f l a t e f a la n de n dr e s i s t a l l c e s o f p o s t 孕d u t i i l g b o 佗d p 丑嚣 i i lh a n k o ua r e a 土类型e s i p 淤泥质土 1 1 一1 2 粘性土 1 2 一1 51 2 1 7 粉土 1 3 1 51 4 1 8 粉细砂 1 5 一1 91 8 2 5 中砂 1 6 1 9 2 o 2 - 8 粗砂、砾砂 1 7 - 2 22 2 2 9 砾石、卵石 1 7 之22 2 3 o 温济明根据工程实践提出了压浆桩的侧阻力增强系数知和端阻力增强系数 。的建议值( 表1 - 2 ) 嘲。 表1 2 压浆桩的侧阻力增强系数 t 曲l e l - 2 p 啪腓蠕断1 撕铂r e s i 8 黜eo f p 0 8 g r o u 吨b e d p 妇 土类型 5 i i 淤泥质土 1 2 1 5 粘性土 1 2 1 5 粉土 1 3 一1 6 粉细砂 1 3 。1 8 中砂 1 4 1 9 粗砂、砾砂 1 4 2 o 砾石、卵石 1 4 - 2 1 中强风化基岩 1 5 - 2 5 通过以上的介绍可以看出，后压浆技术的功效在不同的地区是有比较大的差 别，即使在同一地区后压浆的功效也是有差别的。尽管已经提出了一些有关后压 浆单桩承载力的计算公式，但是由于影响后压浆技术功效的因素比较多，所以其 单桩的承载力提高系数的取值也是不尽相同的。且在建筑桩基础技术规程上 没有合适的公式进行计算，所以有必要对应用后压浆技术的灌注桩单桩承载力提 高系数的取值进行讨论。 1 4 本文的研究内容及方法 1 4 1 目前方法上的缺陷及本文的研究内容 后压浆技术的应用使灌注桩的承载力得到了有效的发挥，节省基础处理的费 北京工业大学工学硕士学位论文 用，经济技术效益显著。因此，在国内很多地区，各种后压浆技术得到了广泛的 应用。然而，通过以上文献的介绍可以看出，人们对后压浆技术的研究主要集中 在定性的理论分析和经过了极大简化的公式分析方面。上述的渗透公式为我们认 识渗透注浆提供了有力的工具，但是这些公式引入了比较多的假设。在现实的注 浆过程中注浆的条件是比较复杂的，而且相对于压浆后形成的注浆结石体来说， 桩的直径是不能忽略的，桩端形状对灌浆产生的渗流场影响较大，使实际的渗流 情况不能简化为一个为点源径向渗流问题，所以上述公式不能很好地反映出灌注 桩后压浆施工中浆液在实际中的渗透情况。这对于认识后压浆技术的作用机理和 指导施工都是不足的。为此，有必要对这项技术进行进一步的分析和讨论，以达 到能够在一定程度上指导设计施工的目的。在后压浆灌注桩设计中也往往只是靠 地方的旌工经验确定后压浆灌注桩设计和施工的各项参数o “3 ”。为此，本课 题拟通过建立压浆过程的有限元模型，通过数值模型分析，对压浆过程中浆液在 土体中的渗透范围以及影响浆液在土体中渗透的主要因素进行讨论，为设计和施 工提供一定的依据。通过对已有的对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，提出应用该技术的合理化建议。 为了定量地了解后压浆浆液对桩体的影响以及浆液的渗透范围，将进行如下 的分析：分析并确定压浆的渗透影响范围，浆液的压力和压力梯度的分布。分析 并确定压浆浆液渗透力在桩端周围土体中引起的应力分布，以及主要的影响范 围。为承载力的分析提供应力场的依据。 后压浆的作用机理研究中，将主要对后压浆中的渗透压浆过程进行有限元模 拟，建立实际工程的数字模型，对整个的压浆过程进行动态模拟。并将针对不同 的土体性质、压浆参数、桩尺寸和压浆浆液性质条件分别进行模拟计算，以分析 这些因素对于压浆过程中浆液的渗透范围的影响。另一方面，为确定后压浆技术 的单桩承载力提高系数，将对已有的测试结果( 包括工程现场的实测数据以及在 国内外重要期刊上发表的论文所提供的数据) 进行收集和统计，针对不同的桩长、 桩径、持力层、的压浆方式及工程地点等因素进行数理统计，以确定应用后压浆 技术的混凝土灌注桩单桩承载力提高系数，探讨设计方法。 1 4 2 本文的研究方法 在具体的分析中，将首先建立以实际工程为基础的有限元模型，对其压浆的 过程进行动态的模拟，直观的显示出渗透压浆过程，并且计算出灌浆过程中孔隙 水压力及压力梯度的变化情况。并分别改变桩身尺寸、注浆压力、土体渗透系数 以及浆液的不同水灰比等施工参数，以分析这些因素对于浆液渗透范围的影响。 通过收集已有的应用后压浆混凝土灌注桩的实测数据，包括工程现场的实测 数据以及在国内外重要期刊上发表的论文所提供的数据。对这些数据根据不同的 第1 章绪论 桩长、桩径、持力层、压浆方式以及工程地点等因素进行数理统计，通过概率统 计方法对承载力提高系数进行分析，提出应用后压浆技术的混凝土灌注桩单桩承 载力提高系数建议值。 第2 章后压浆技术分类及其作用机理 第2 章后压浆技术分类及其作用机理 通常后压浆桩的注浆压力比较低，注浆压力随着浆流遇到的阻力增大而增 大，浆液注入后为流动状态。根据地质条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、 浆液的运动形式和替代方式，将灌注桩后压浆技术可以分为三种： 渗透压浆( p 朗e 眦i o ng r o u t i i l g ) ：在不破坏地层颗粒排列的条件下，浆液充 填于颗粒间隙中，将颗粒胶结成整体。渗透注浆的必要条件是浆液的粒径远小于 土颗粒的粒径。 压密压浆( c l p a c t i o ng r o m i n g ) ：压密注浆是注入极稠的浆液，形成球形 或圆柱体浆泡，压密周围土体，使土体产生塑性变形，但不使土体产生劈裂破坏。 劈裂压浆( h y d r o 觚t i l r e u t i n g ) ：劈裂注浆是浆液在孔内随着注浆压力的 增加，先压密周围土体，当压力大到一定程度时，浆液流动使地层产生劈裂，形 成脉状或条带状胶结体。 随着施工技术的发展，桩底灌浆技术已在工程上被广泛采用，其中持力层为 粗粒土的桩端压浆灌注桩占的比例较大，可达7 0 以上，而粗粒土中的压浆主要 以渗透压浆为主，因此在后面的研究中将重点对渗透压浆的作用机理进行讨论， 压密压浆和劈裂压浆将只作简单的介绍。 2 1 渗透压浆的作用机理 2 1 1 渗透压浆的理论前提条件 渗透压浆的理论前提条件，即可灌性条件为： r = 1 ( 2 - 1 ) 式中：r 净空比： d 。士体的孔隙尺寸，单位( c 研) ； d 絮液的颗粒尺寸，单位( 硎) 。 即认为浆液颗粒可以从土体的孔隙间穿过。由于在压浆的过程中，特别是浆 液的水灰比较小的情况下，浆液颗粒往往多粒同时进入土体孔隙，从而导致渗透 通道的阻塞，当土体被阻塞的孔隙过多时就会导致渗透的结束。因此，一般认为 当净空比r 3 时，由浆液颗粒形成的阻塞结构是不稳定的，在注浆压力的作用 下不容易形成渗透通道的阻塞，保证压浆的顺利进行。 土体的孔隙尺寸可按下式推导： 北京工业大学工学硕士学位论文 d 。= d f 乓 ( 2 2 ) 式中：口，- 有效孔隙比： d 土层的颗粒直径，单位( 册) 。 通常岛可以取o 2 ，则可灌性条件为可简化为： 形1 5 ( 2 3 ) “ 式中：d 浆液的颗粒直径。 浆液与土层都是由大小不等的颗粒组成的，在实际的应用中，对于d 和d 的 取值应该慎重。如果d 值取土粒的最大值，d 值取浆液的最小值，可能会导致土 体的孔隙过多的被阻塞，使压浆不能顺利的进行。而相反的情况下，又会导致理 论上的不可灌性，而采用颗粒尺寸更小的浆液材料，或磨细大量的水泥，导致工 程造价的提高。文献”“通过计算给出了从效果和经济上都比较符合要求的粒径选 取方法，以d l ；土层中小于某粒径质量占总质量的1 5 所对应的颗粒直径一 代替d ，靠浆液中小于某粒径质量占总质量的8 5 所对应的颗粒直径一 代替d ，代入式( 2 3 ) ，得到： d 1 1 5 ( 2 4 ) “8 5 该公式可以适用于所有的水泥和砂砾石。在水泥颗粒和土体颗粒的粒径满足 式( 2 - 4 ) 时，渗透压浆可以顺利的进行，这是渗透压浆的理论前提条件。 2 1 2 渗透压浆承载力提高机理 渗透压浆是在不足以破坏地层构造的压力下，把浆液压入到桩周及桩底土体 的孔隙中，取代排出其中的空气和水，使浆液均匀的扩散到土体颗粒的孔隙中， 浆液凝固后与土体结合形成结石体，从而大幅增强土体强度和变形模量，提高混 凝土灌注桩承载力的压浆方式。见图2 1 。此种压浆主要应用于渗透系数较大的 砂砾土层中。 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。 ( 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，由于新形成的胶结体强度较高，相当于形成了扩大头，加大了了桩 端的支承面积，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 第2 章后压浆技术分类及其作用机理 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。 图2 1 渗透压浆示意图 f i g 2 1s k e t c ho f p e n e 衄虹伽g r o u t i n g 2 1 3 渗透压浆计算理论 通过对渗透压浆提高承载力原因的分析，浆液的渗透范围对于提高承载力的 效果有着至关重要的影响，因此，分析浆液的渗透范围是分析压浆承载力的前提。 对于渗透压浆，压浆的过程中采用较低的压力，不破坏土体的构造，浆液的运动 主要以其在土体中的渗透为主，因此对渗透压浆的分析主要是采用多孔介质流体 力学的方法。 2 1 3 1 达西( d a r c y ) 定律 1 8 5 6 年，h d a r c y 曾就法国d i j o n 城的水源问题研究了水在直立均质砂柱 中的流动。根据实验，d a r c y 断定：流量q ( 单位时间的体积) 与不变的横截面 积4 及水头差( 一) 成比例，与长度工成反比。这些结论合并在一起就是著名 的达西( d a r c y ) 公式： d ：尉! 垒二型( 2 - 4 ) 。 三 式中： q 单位时间内的渗流量，单位( 肌s ) ； ，呜e 下游水位，单位( 硎) ； 工渗流的直线路径长度，单位( 硎) ； 爿实验圆筒的横截面积，包括沙粒和孔隙两部分面积，单位( 硎2 ) ； 1 7 北京工业大学工学硕士学位论文 k 比例系数，称为渗透系数、水力传导系数，单位( 硎厶) ； 定义，= ( 岛一如) 肛，为水力梯度。定义比流量( 流速) g = q 4 ，为与流动 方向垂直每单位横截面积的流量，则公式2 4 可以表示为： g = 肜 ( 2 5 ) 公式2 - 4 、公式2 5 指出了渗流速度口与水力梯度，呈线性关系，故又称为 线性渗透定律。在其后多年的研究中，巴浦洛夫斯基、伊兹巴什、j