（岩土工程专业论文）后压浆技术在大直径钻孔灌注桩中的应用研究.pdf

后压浆技术在大直径钻孔灌注桩中的应用研究 摘要 钻孔灌注桩由于其施工工艺的髟响存在许多问题，诸如桩底沉渣、桩侧泥皮以及混凝土收缩离析 等，这些都会对钻孔灌注桩的承载性状造成一定的影响。桩端后压浆技术能很好的弥补钻孔灌注桩的这 些缺陷，现在已经被广泛用于工程实践当中，大有成为钻孔灌注桩特别是大直径钻孔灌注桩的配套工艺 之势。 本文以公路桥涵地基与基础设计规范( 兀阳2 4 - 8 5 ) 修订为依托，在调研国内外大量文献的基础 上，通过对后压浆大直径钻孔灌注桩进行试验分析和资料的收集统计，作了如下研究： ( 1 ) 结合杭州德胜快速路后压浆大真径钻孔灌注桩的科研课题，对桩端持力层为卵石层的后压浆 大直径钻孔灌注桩进行了压浆后的静载荷检测和钻孔取芯试验，对后压浆技术在其中的作用机理和效果 进行了研究，对后压浆技术在大直径钻孔灌注桩中作用的时间效应问题进行了探讨； ( 2 ) 总结了前入关于后压浆钻孔灌注桩承载力的计算公式结合具体试验结果，提出钻孔灌注桩 二次加载的影畴会导致桩侧摩阻力的提鑫，通过收集1 0 6 根后压浆桩试验资料。建立了后压浆桩承载力 估算公式，针对参数齐全的试桩资料，通过引入模型较好的计算公式，考虑钻孔灌注桩二次加载的影响， 并将此影响从后压浆的作用效果中独立出来的，进一步的进行数据统计，归纳总结出此公式相关参数的 取值，结合具体试验进行验证，说明公式具有很好的准确性； ( 3 ) 结合沪崇苏通道上海长江大桥四根大直径钻孔灌注桩压浆前后对比试验，进步研究验证后 压浆技术的作用效果，并将主桥区段桩长分别缩短3 米、5 米、6 米进行等效转换计算，结果显示均能 保证足够的安全度，本工程最终决定将桩长缩短6 米，每根桩节省造价6 万元左右。经济效益显著。 关键词：后压浆技术；大直径钻孔灌注桩；作用机理；承载力公式；经济效益 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np o s t - g r o u t i n gt e c h n i q u ea p p l i e do n t h el a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e s a b s t r a c t 1 1 1 eb o r e dp i l e s b e c a u s eo ft h ee f f e c to ft r a d i t i o n a lc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e h a v em a n y d e f i c i e n c i e s s u c ha ss e d i m e n t a t i o no nt h ep i l eb a s e ，i s o l a t i o na n dc o n t r a c t i o no fc o n c r e t ea n d m u da r o u n dt h es h a f ta n de t c ，w h i c ha f f e c tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fb o r e dp i l e s b e c a u s et h e p o s t g r o u t i n gt e c h n i q u ec a ne 俪c i e n t l ym a k eu df o rt h e s ed e f i c i e n c i e s i th a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yp r o j e c t s e s p e c i a l l yi nt h el a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e s r e l y i n go nt h er e c e n s i o no f ( ( s p e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g no f g r o u n db a s ea n df o u n d a t i o no f h i 曲w a yb r i d g e sa n dc u l v e r t s ) ) ( j t j 0 2 4 8 5 ) ，a n db a s i n go nt h ei n v e r s t i g a t i o nt op l e n t yo f c o n c e m e dm a t e r i a l s t h ea u t h o rt e s t st h ep o s t g r o u t i n gl a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e s ，c o l l e c t sa n d s u m m a r i z e st h ed a t u ma b o u tt h e m t h er e s e a r c ho f t h i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) c o m b i n i n gw i t ht h es c i e n t i t i cr e s e a r c hp r o b l e mo fp o s t g r o u t i n gl a r g e d i a m e t e rb o r e d p i l e so fd e s h e n ge x p r e s sr p a dj nh a n g z h o u b ys t a t i cl p a dt e s t i n ga n dc o r eb o r i n g 1 u c u b r a t e s t h em e c h a n i s ma n de f f e c to ft h ep o s t g r o u t i n gt e c h n i q u eu s i n gi nt h el a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e s w h i c ht h eb e a r i n gs o i 】i ss c r e e d i s c u s st h et i m ee f k c to ft h ep o s t g r o u t i n gt e c h n i q u ea p p l i e do n t h el a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e s ( 2 ) b ys u m m a r i z i n gt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a sa b o u tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f p o s t g r o u t i n g b o r e dp i l e s ，c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，r a i s i n gt h ei n c r e a s eo fs i d er e s i s t a n c ed u e t ot h ee f k c to ft h es e c o n dl p a d i n gt ot h eb o r e dp i l e s a n ds e p a r a t e st h ei n c r e a s e dp a r t b y c o l l e c t i n gt h ed a t u mo f10 6p o s t g r o u t i n gp i l e st e s t s i tr a i s e st h ee s t i m a t ef o r m u l ao ft h eb e a r i n g c a p a c i t yo fp o s t - g r o u t i n gp i l e s b yc o m p l e t e t e s td a t a ，b r i n g i n gt h ea c c u r a t ef o r m u l a ，a n d c o n s i d e r i n gt h ee f f b c to ft h es e c o n dl p a d i n gt ot h eb o r e dp i l e s i tc o n c l u d e st h en e wb e a r i n g c a p a c i t yf o r m u l ao fp o s t g r o u t i n gl a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e s t h et e s t sv a l i d a t et h ea c c u r a c yo f t h ef o r m u l a ( 3 ) c o m b i n i n gw i t ht h ea n t e p o s t - g r o u t i n gt e s t si nf o u rl a r g e d i a m e t e rb o r e dp i l e si nt h e h u c h o n gc h a n n e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g hs h o r t e n i n gb y3 m ，5 m ，6 m ，t h ep i l e sc a na l s o e n s u r et h es a f e t yo ft h eb r i d g e f i n a l l y , i nt h i sp r o j e c t ，b ys h o r t e n i n g6 mo ft h ep i l e s ，e a c hp i l e c a ns a v e6 0 o o o r m b t h i st e c h n o l o g yc a nc a u s ee c o n o m i ce f f i c i e n c yn o t a b l y k e yw o r d s ：p o s t - g r o u t i n gt e c h n i q u e ；l a r g e - d i a m e t e rb o r e dp i l e s ；m e c h a n i s m ；b e a r i n gc a p a c i t y f o r m u l a ；e c o n o m i ce f f i c i e n c y l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位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 包含为获得东南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傲 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论 文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：翌盛鍪导师签名： 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 9 6 3 年，钻孔灌注桩在我国河南安阳宿桥首次成功使用i l j ，随着高层建筑、大型桥梁的增多，钻孔灌 注桩发展日趋迅速，2 0 世纪9 0 年代至今全国钻孔灌注桩年使用量均在1 0 0 万根以上“1 。相对于其它桩 型，钻孔灌注桩具有如下优点：可以根据承载力设计要求，选择合适的桩径、桩长及持力层，布置灵活； 其施工设备较简单，既可以在陆地进行施工，也可以在水上施工，既可以钻进第四系覆盖层，又可以钻进 基岩，适应性强；其抗震性能好，据震害调查显示，采用灌注桩基础的建筑物相对于采用其它桩型的建筑 物，其上部结构震害较轻，变形较小，灌注桩是抗震性能最好的设防形式。 但大直径钻孔灌注桩施工质量难以控制。究其原因，主要是由于成孔时孔深较大，通常情况下作业的 地质条件比较复杂，不论采取何种清孔方式，桩底沉渣的影响比一般钻孔灌注桩要大得多。这样导致桩端 阻力大大降低；而且由于孔径较大，成孔时间长，土层自由面破坏导致土层应力的释放现象严重，改变了 地层的初始应力状态。引起地层侧压力的降低，使桩侧摩阻力减小：泥浆过长时问的浸泡会使成桩后桩侧 泥皮厚度过大；同时，桩越长，桩径越大。施工时产生的不确定因素越多，诸如混凝土的离析、固结收缩 等均会导致桩侧摩阻力降低，甚至会发生断桩、桩身局部央泥等”r 【l q 。这些都会导致桩承载力可能达不 到设计要求。 后压浆技术是针对钻孔灌注桩的上述缺点而发展起来，其对提高钻孔灌注桩的承载力、减小沉降、改 善桩身荷载传递性状具有显著效果1j ，这点已被广泛认可，并在诸如苏通大桥、杭州湾跨海大桥、东海大 桥等大型桥梁工程中得到应用，为提高工程安全性、节省工程造价作出了重要贡献。 对于工程试桩和设计人员来讲，现在最为关键的问题是能根据工程地质参数或者压浆前试桩承载力， 精确估算后压浆钻孔灌注桩的承载力，以便制定经济准确的试桩和设计方案，但迄今为止还没有一个完善 的公式能够很好地解决钻孔灌注桩特别是大直径钻孔灌注桩的这一问题。此外，后压浆桩的作用机理和效 果的研究不够成熟，已有的研究成果在许多问题上没有足够的说服力，随着后压浆技术日趋普遍的应用， 这就要求我们尽快的弄清其作用机理和效果，更有效的应用于实践。 1 2 大直径钻孔灌注桩的定义 考虑不同地质条件、施工因素的影响，结合钻孔灌注桩的荷载传递性状，工程界对大直径钻孔灌注桩 的分类众说纷纭： 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 按桩径对桩基进行分类 1 2 1 ：小直径桩为直径d 一 2 5 0 m m 的桩，中等 直径桩为直径2 5 0 m m d 8 0 0 m m 的桩。 公路桥涵地基与基础设计规范j g j 0 2 4 8 5 ) 规定灌注桩的直径不宜小于8 0 0 r a m 【1 w 。在桥梁桩基中 普遍认为直径d 1 2 0 0 r a m 的桩为大直径桩。 本文出于对数据统计上的考虑，基本沿用了建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 对大直径钻孔灌注桩 的划分标准。 1 3 后压浆技术的发展和研究现状 1 3 1 后压浆技术的发展 ( 1 ) 在国外的发展 后压浆技术是在传统灌浆法的基础上拓展开来的，早在1 8 0 2 年法国的c h a r l e sb e r l g h y 就首次采用灌 浆法将粘土浆压入地层处理地基获得成功。1 8 5 6 1 8 5 8 年英国的w r k i i p p e 发明了用水泥浆进行灌浆， 随后灌浆法技术在世界各国逐步发展，其实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液( 如粘 土、水泥、水玻璃等) 注入各种介质的裂缝或孔隙，以达到改善地基的物理力学性质的目的。目前主要应 用于建筑基坑的止水帷幕、地基的加固等”。 后压浆技术的首次应用是在委内瑞拉于1 9 6 1 年修建的m a r a c a m o 大桥i l “桩基中，而后在世界多个国 家的桥梁中得到了广泛的应用。文献1 1 6 介绍了在p a r a n a 运河的桥梁上采用的桩端注浆砾石篮装置：通过 压力盒对几百根长达7 5 m 、直径2 m 的桩进行预加载，每一个压力盒有4 0 个孔洞，用带有相同孔洞数的橡 胶隔膜进行保护，压力盒上的孔洞与橡胶隔膜上的孔洞相互错开，从而起到单向压浆阀的作用。一根压浆 导管将浆液从压浆吊篮的顶部导入压力盒的各个部分，吊篮内装满粗砂，作为“浆液和压力分配室悬挂并 东南大学硕士学位论文 固定在钢筋笼的底部。施工时用水灰比为0 6 的净水泥浆液每隔1 2 小时压注一次。根据桩径不同，每一间 隔的最终压浆量为5 0 0 1 0 0 0 k g ，重复压浆，直到最终的压力达到1 0 m p a 且维持5 m i n 或桩顶上抬量达到 2 0 m m 为止。泰国工程师在8 0 年代将此装置进行改进，在修建斜拉桥的桩基对桩端进行注浆时采用，改进 后的装置如图l - l 所示。 ( b ) 图卜2 压力注浆室详图 曲) c j 图卜3 “f c p ”桩施工顺序 此外还有压力包注浆装置、u 型管注浆装置、袖阀管桩端注浆装置、袖阀管压力腔联合压浆装置等”“。 这些压浆1 二艺虽然各有不同，但基本原理是一致的：即通过压浆管路压注以水泥为主的浆液，根据浆液性 状、土层特性和注浆参数等不同，压力浆液对桩端沉渣、桩侧泥皮及桩周土体起到渗透、填充、置换、劈 裂、压密及哇4 结等不同作用，对孔底沉渣和桩侧泥皮进行崮化，从而消除传统灌注桩施工工艺所固有的缺 陷。通过改变上体的物理力学性能及桩i 间边界条件，以达到提高桩的承载力，减少沉降量，并提高杠 身 质量和桩承载力的目的“j 。 ( 2 ) 在国内的发展 桩端后压浆技术在我国的应用始于二十世纪八十年代初，1 9 8 3 年北京市建筑t 秤研究所在国内首先研 究丌发出预留压浆空腔方式的桩端压力注浆桩“，在室外进行r 两根桩行分别为1 28 c m 和1 34 c m ，桩长 分别为2 4 3 m 和2 5 l m 的小规格后压浆桩的静载试验，试验结果表明该力法效果显著，于1 9 8 3 年在北京 崇文f 】7 号楼首次应用，工程的桩欧0 1 8 7 9 0 m ，桩径0 4 m ，共计7 7 3 根。该法采用长螺旋十作业成孔 2 第一章绪论 方式，在桩底设置固定式隔离钢板，采用钢管和p v c 管的组合管作为压浆管，静载试验表明，桩端压力 注浆桩的极限承载力为未压浆桩的2 1 3 1 倍。 文献【2 4 】介绍了交通系统于1 9 8 5 年用桩身预埋的声测管进行桩底注浆处理桩底沉渣的工程实例。 文献 2 5 1 介绍了中国建筑科学研究院地基基础研究所祝经成研制开发出压浆管壁径向间隔设置压浆 孔，外壁上压接包有双层胶套，管底部设有封堵钢板，外部包有保护编织物的桩端压力注浆装置。 文献 2 6 1 介绍了武汉地质勘察基础工程( 集团) 总公司于1 9 9 6 年研制开发出独特的桩端压力注浆装置， 该装置构造合理，使用方便，压浆成功率1 0 0 ，该公司还研制开发出桩侧埋管压浆法。 应权和沈保汉m 1 于1 9 9 7 年研制开发i l ly q 桩端中心压力注浆装置和压浆工艺。y q 压浆系统由以下 四部分组成：桩顶上部的置换控制阀，桩身部分的浆管，桩端中，f i , 调节器以及桩端适量填料。其中上装置 和桩端中心调节器为主要部分。 桩端压力注浆技术在国内发展蓬勃，目前已有1 6 种桩端压力注浆装置j ，图1 - 4 为工程中常用的桩 端注浆装置弘“，图1 - 5 为经过改良的桩端注浆装置 2 a j ( a ) 压浆管大样( b ) 压浆管布置 图1 - 4 常用桩端压浆装置 图1 5 改良后桩端压浆装置 “钻孔灌注桩后压浆技术”和“支盘桩技术”被建设部定为“九五”科技成果推广项目”1 。两者在技术上 的共同特点均是设法增大桩端面积和提高桩侧摩阻力，以期用较少的混凝土获得较高的承载力。据统计， 两者对桩的承载力增幅和降低造价方面上的作用基本相同。由于支盘桩施工时是在一次成孔后，再将支 盘工具下入孔内，进行分次支盘施工，所以使用支盘桩技术消耗工时较多。而后压浆不需独立占用工时， 在下笼的同时已预埋好压浆管路，成孔与后压浆是分开进行，因而生产效率较高。而且后压浆所需工期较 支盘桩短，所以更受青睐。 近年来，钻孔灌注桩桩端后注浆技术在我国特大桥梁桩基础中应用广泛，如东海大桥、苏通大桥、杭 期湾跨海大桥、沪崇苏通道上海长江大桥等，其提高了钻孔灌注桩的承载能力，藏少沉降量，取得了显著 的经济效益。 1 3 2 后压浆技术的研究现状 后压浆技术的研究主要集中在后压浆装置的改变和后压浆作用机理和效果的研究这两个方面 ( 1 ) 后压浆装置的改进 后压浆装置的好坏直接影响到施工的成败，后压浆技术的发展过程也就是后压浆装置不断改进的过 程。从不同的角度出发，后压浆技术会有不同的分类。 后压浆装置按水泥浆与土的作用方式可分为闭式压浆和开式压浆。闭式压浆工艺是将预制的弹性良好 的腔体或压力注浆室随钢筋笼放入孔底，成桩后在压力作用下，把浆液注入腔体内，随压浆压力和压浆量 的增加，弹性腔体逐渐膨胀、扩张，在桩端土层中形成浆泡，浆泡逐渐扩大、压密沉渣和桩端土体，并用 浆体取代部分桩端土层，随着压浆压力和压浆量的加大，扩大头逐渐形成，压密区范围也逐渐增大，直至 达到设计要求为止。开式压浆工艺是把浆液通过压浆管，经桩端的预留压浆空腔、预留压浆通道或预留的 特殊压浆装置等，直接注入桩端土层、岩体中，浆液与桩端沉渣和周围土体呈混合状态，呈现出渗透、填 充、置换、劈裂等效应，在桩端显示出复合地基的效果。 3 ；inu 东南大学硕士学位论文 按压浆点的布置又包括桩侧后压浆、桩端后压浆和桩侧、桩端联台后压浆。桩侧压浆在陕西、山两等 黄上地区应用较多，对提高桩侧摩阻力有一定的效果：桩端压浆应用广泛，特别是在大型桥梁桩基中，其 对提高桩端阻力和部分土层范罔内的桩侧摩阻力效果显著；桩侧、桩端联合压浆对提高桩侧摩阻力、桩端 阻力有很好效果，但其施工相对复杂，作用比单独桩端压浆来效果小提高小大。在这三种方式中，桩端后 压浆应川最为广泛。 按压浆管布置方式的不同又分为桩身顶埋压浆管压浆和钻孔埋管压浆。桩身预埋压浆管是指在桩身混 凝土灌注前预先将压浆管放置好，浇注桩身混凝土后，再压浆。压浆管放置在桩身的中部，也可放置在桩 身的侧向；钻孔埋管压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采用的方法，可分为桩 身中心钻孔埋管和桩外侧钻孔埋管。桩身中心钻孔埋管压浆是在成桩后，在桩身中心钻7 l 埋设压浆管，并 深入到桩端以下约1 2 倍桩径范围，然后压浆。桩# t - 懊r l 钻孔埋管压浆u 】是指在成桩之后，沿着桩身四周 0 2 0 5 m 的间距钻孔并压浆。 在我国，后压浆技术在压浆装置上已经相当成熟，在施工中对压浆步骤、压浆量、压浆压力等的控制 也日趋规范，基本上可以保证水泥浆的成功压入。 ( 2 ) 后压浆作用机理和效果的研究 后压浆技术是在灌浆理论的基础上发展起来的，作用机理在继承灌浆理论的机理的同时，也结合了桩 土共同作用的独特件。灌浆理论的机理是灌浆后水泥浆会因地质条件的不同对土产生压密、渗入、劈裂、 填充等种或多种作用，改善土的性状，从f m 达到防渗培漏、加固地基等目的口。后压浆技术则是在发牛 l 述物删力学作用机理厉，达到如ph 的i 】i jh ”：加固桩底沉施、减小沉渣厚度；改善距桩端定范 围内桩侧_ l 体与桩的接触界面性状； 施加赖应力，减小桩基沉降变形；枉一定程度上弥补f jj 混凝土 自身的收缩、离析作用导致的缺陷。这些作用机理已经得到了普遍的认可。 后压浆技术之所以迅速发展，与其显著的作用敛果是密不n j 分的，这点已在大量上程应用中得到了证 实。国内在苏通大桥、沪崇苏通道上海长江人桥等重人桥粱t 稃中成立了后压浆技术课题组，在肯定后压 浆效果后修改设计方案，大大节省，上程造价。普遍认为后压浆对擗身承载力的责献与桩端持力层土性、 桩长、桩径、注浆量及注浆压力有关l j ，压浆效果受这几个冈素的影响会表现出定的规律性，在其它条 件相同的情况下，压浆效果会发生如下变化：随土粒由细到粗逐渐增大；舸杠 的压浆效果往往会好于长桩： 桩径小的压浆效果也彳 彳 会好于桩径大的钻7 l 灌注桩；随着压浆量和压浆胜力的增大，压浆效果会有一定 的提高。当然，这些规律性是建立在比较理想的环境下，后压浆技术会由于实际工艺条件的卜同使作用效 果表现出很大的随目【性，具体工程需要具体对待。 关于后压浆作用机理和效果，目前从定性的角度讲，基本上已经达成了共识，上述观点也广泛的被工 程界和理论界接受。 1 4 后压浆技术仍存在的问题 后压浆技术对提高桩的承载力、改善桩身荷载传递性状具有显著效果，在工程实践中得到了广泛应用。 但它是一项理论落后于实践的技术，在许多方面还有待进一步探索研究。 在桩端持力层为卵石的大直径钻孔灌注桩中，后压浆技术的应用还不多，一方而是因为卵石层持力性 能好，对于一般的使用要求均能满足；另一方面是i | j ：在卵石层巾施工的灌注桩，成孔方式以人工挖孔居 多，桩长较短，可以很好地控制桩底沉渣。但随着大直径钻孔灌注桩的使用增多，后压浆技术也被引入到 了卵石层中，由于其在使用上的历史资料有限，关r 后压浆技术在桩端持力层为卵石的大直径钻孔灌注桩 中的作用机理和效果未能弄清楚，现自的理论还无法对实际工程进行指导。 在后压浆技术提高桩的承载力机理上，传统观点认为，后压浆技术使水泥浆与桩底沉渣及桩端土形成 化学性能稳定、强度岛的“结石体”，并通过减少桩底沉渣厚度和加| 占f 桩端持力层、改善桩一十界面特征、 减少桩基沉降变形米提高桩的承载力。但在后压浆桩的静载荷测试完成后，通过钻孔取芯观察，发现水泥 浆与桩端叶二并末形成强度很高的结石体，而足胶结程度 般的水泥土。可以肯定，水泥浆与土会进一步固 化，形成的水泥土强度会逐渐提高，这就给我们提出了新的问题，随着水泥土强度的提高桩的承载力发 展趋势又会如何，这点即是后压浆钻孔灌注桩的时间效应问题，有待进一步研究。 在钻孔灌注材的设计方向，往往需要进行静载荷试桩去获取有关设计参数，但超长大直径钻孔灌注桩 的承载力较大，国内最大的单桩承载力高达1 2 0 0 0 吨。在各种试桩方、法中，堆载法在目前国内试桩的最大 极限承载力仅达3 0 0 0 多吨，锚桩法的试桩最大极限承载力也不超过4 0 0 0 吨，比较好的方法是采用自平衡 测试法”，关于其衍载箱吨位的设计也需要自初步的估算公式作为指导。对于后压浆人a 径钻孔灌注桩的 压浆量和承载力训算，比较l 泛的是采用与普通后址浆灌注桩相同的计算公式，如建科院公式、lj l 西公路 局公式及b r u c e 公工t 等”“i j “，但大直释钻孔灌注桩有别于普通钻孔灌注桩，桩自身的荷载传递特性以及 后压浆技术对其的作用机理和效果等均有不同，采用这些公式计算的结果j j 实际测试结果往往存在很大的 4 第一章绪论 差异。此外，在同一根桩上进行压浆前后对比试验中存在二次加载现象p q 二次加载对钻孔灌注桩承载力 的影响是一个不容忽视的问题，桩基测试时引起桩周土体扰动，导致桩承载力的增加。对于这个问题，由 于理论上的欠缺及试验费用昂贵等原因，国内外研究资料较少。在后压浆钻孔灌注桩的承载力公式统计时， 大多将二次加载的影响包含在压浆效果里，这样会影响所得公式的准确性。后压浆大直径钻孔灌注桩的承 载力计算公式与后压浆技术的应用发展息息相关，是一个急切需要解决的问题。 当然，后压浆技术在其它方面也有许多需要改进的地方，如后压浆大直径钻孔灌注桩的荷载传递机理、 后压浆施工工艺能否迸一步优化等问题。 1 5 本文研究的主要内容 本文主要从以下几个方面对桩端后压浆大直径钻孔灌注桩加以研究： ( 1 ) 结合杭州德胜快速路后压浆大直径钻孔灌注桩的科研课题，对桩端持力层为卵石层的后压浆大直 径钻孔灌注桩进行了静载荷试验，对后压浆技术在其中的作用机理和效果进行了探讨；针对在压浆后测 试时水泥浆与桩端士并未形成结石体的现象，利用钻孔取芯试验的观测结果，结合几点假定，对后压浆 大直径钻孔灌注桩进行了数值分析，推断随桩端水泥土强度的增加后压浆大直径钻孔灌注桩承载力的发 展趋势。 ( 2 ) 通过收集了1 0 6 根后压浆大直径钻孔灌注桩实测资料，以桩端持力层为分类，进行归纳统计，得 出一个后压浆大直径钻孔灌注桩的承载力估算公式，并对其中参数较齐全的试桩，引入数学模型较好的 计算公式，考虑钻孔灌注桩二次加载的影响，加以修正和完善，使此公式具有更好的适用性。 ( 3 ) 结合沪崇苏通道上海长江大桥的四根超长大直径钻孔灌注桩压浆前后静载荷对比试验，对四根桩 压浆前后的荷载传递性状进行研究，对压浆效果进行分析，并根据实际工程，对后压浆技术的经济效益 加以了评价。 参考文献： 【l 】李昌驭钻孔灌注桩桩端后压浆工艺与机理研究【d 】【硕士学位论文】南京：东南大学土木工程学院，2 0 0 3 盆 【2 】张凯超长钻孔灌注桩研究现状与发展田山西建筑，2 0 0 5 ，3 1 ( 8 ) ：4 9 5 0 【3 】罗光明，王强从桩基础的发展纵观钻孔桩的应用优势西部探矿工程，1 9 9 9 ，1 1 ( 5 ) ：2 7 【4 】刘俊龙大1 2 1 径灌注桩竖向承载力的影响因素及其评价阴工程勘察，2 0 0 1 ( 2 ) ：1 4 1 7 【5 】刘俊龙桩底沉渣对超长大直径钻孔灌注桩承载力影响的试验研究叨工程勘察，2 0 0 0 ( 3 ) ：8 1 1 【6 经柏林影响钻孔灌注桩承载力因素及相应措施浅析【j 】西部探矿工程，2 0 0 3 ( 1 ) 【7 丁建文，滕玉明大直径深长钻孔灌注桩的施工影响因素分析【j 】山西建筑，2 0 0 5 ，3 1 ( 8 ) ：7 9 - 帅 【8 】乔建伟混凝土灌注桩泥皮对承载力影响的探讨阴特种结构，2 0 0 0 ( 4 ) ：3 2 3 3 【9 】万晓红泥浆护壁对单桩承载力影响的实例分析嗍陕西建筑。2 0 0 6 ( 1 3 2 ) ：3 2 - 3 5 【1 0 】万永刚，任伟中，陈浩施工因素对钻孔灌注桩受力性状的影响【刀，工业建筑，2 0 0 5 ( 3 5 ) ：8 1 1 ，8 2 2 8 2 5 1 1 l 】王秀哲，龚维明，薛国亚等桩端后注浆技术的研究现状及发展【刀施工技术，2 0 0 4 ，3 3 ( 5 ) ：2 8 - 3 l 【1 2 】建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) s 】北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 5 【1 3 】公路桥涵地基与基础设计规范( j g j 0 2 4 8 5 ) s 】北京：中国交通出版社，1 9 8 5 【1 4 1 刘金砺桩基综合报告第6 届全国土力学及基础工程学术会议论文集【r 】北京：中国建筑工业出版 社，1 9 9 1 【1 5 】b r u c e ，d a e n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fl a r g ed i a m e t e rp i l e sb yg r o u t i n g q g r o u t i n ge n g i n e e r i n g ， 1 9 8 5 ( 6 ) ：1 1 1 9 【1 6 】b o l o g n e s i ，a j l ，m o t g t t o ，o s t a g e g r o u t i n g p e r l o a d i n g o f l a r g e p i l e s 0 1 1s a n d c 】p r o c 8 t h i c s m e ，m o s c o w , 1 9 7 3 【1 7 l i z z i ，ed i r e c t e u rt e c h n i q u ed e l as o c i e t ea n o n y m ef o n d e d i l e p i e ud ef o u n d a t i o nf o n d e d i l ea c e l l u l e d e p r e c h a r g e ，( p i e ue c p ) j c o n s t r u c t i o n ，1 9 7 6 ( 6 ) 【18 】王秀哲，龚维明，薛国亚，李昌驭桩端后注浆技术的研究现状及发展阴施工技术，2 0 0 4 ，3 3 ( 5 ) ：2 8 - 3 1 【1 9 】耿杰钻孔灌注桩后压浆提高单桩承载力机理分析西部探矿工程川，2 0 0 0 ( 1 ) 【2 0 】吴礼生，徐卫红钻孔灌注桩后压浆技术机理的新认识【j 湖北地矿，2 0 0 0 ，4 ( 3 ) ：4 7 5 2 【2 1 李树荣，王树中钻孔灌注桩后压浆提高承载力的机理及计算【j 】山西建筑，2 0 0 2 ，2 8 ( 4 ) ：3 4 - 3 5 【2 2 】李昌驭，龚维明，赵建华，许斌，吕嘉桩端后压浆技术提高承载力机理及影响因素们西部探矿工 东南大学硕士学位论文 程，2 0 0 6 ( 1 ) ：1 7 2 1 【2 3 沈保汉后注浆技术( 1 ) 明工业建筑，2 0 0 1 ( 5 ) ：6 4 6 6 ，7 2 【2 4 侯根栓，范亚明，范磊钻孔灌注实心桩利用声测管进行桩底压浆新工艺的初步实践明广东公路交 通，1 9 9 5 ，f 3 ) ：2 9 - 3 2 【2 5 祝经成灌注桩桩端压浆结合超声波检测技术【j 】施工技术，1 9 9 5 ，( 9 ) ：2 3 - 2 4 【2 6 沈保汉后压浆技术( 2 ) 明工业建筑，2 0 0 1 ，( 6 ) ：7 2 7 5 2 7 吴札广，徐登票钻孔灌注桩桩底后压浆的工程实践【j 】中南公路工程，2 0 0 2 ，( 2 ) ：6 4 6 5 ，9 2 【2 8 1 张晓伟，牛敏照，唐水清如何提高桩底后压浆一次压浆成功率【j 岩土工程界，2 0 0 2 ，( 4 ) ：2 4 - 2 5 【2 9 季秀卿，赵政后压浆提高桩承载力的机理分析及设计计算【j 】山西建筑，2 0 0 4 ，3 0 ( 1 0 ) ：2 8 - 2 9 【3 0 】阎明礼地基处理技术【m 】中国环境科学出版社，1 9 9 5 3 1 张明远，朱琳，张雄等后压浆桩承载力提高机理与应用【j 】武汉理工大学学报，2 0 0 4 ，2 6 ( 2 ) ：4 7 - 4 9 【3 2 】吴礼生，徐卫红，王爱平钻孔灌注桩后压浆技术机理的新认识【j 】探矿工程，2 0 0 1 ( 5 ) ：4 6 【3 3 】张阳明，管典志钻孔灌注桩后压浆作用机理分析【j 哈尔滨t 业大学学报，2 0 0 3 ，第3 5 ( 7 ) ：8 9 0 8 9 2 【3 4 】龚维明，戴国亮等自平衡试桩法测试技术j 1 岩土工程界，2 0 0 1 ，4 ( 8 ) ：5 1 5 2 【3 5 b r u c e ，d a e n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fl a r g ed i a m e t e rp i l e sb yg r o u t i n g j g r o u t i n ge n g i n e e r i n g ， 1 9 8 5 ( 5 ) ：9 - 1 5 【3 6 刘金砺，高文生，祝经成后压浆灌注桩承载性状及工程应用【r 】中国工程建设地下结构新进展及新 规范学术报告会杭州，1 9 9 8 6 2 7 9 【3 7 】杨兴其桩基静压试验研究【m 】北京：中国铁道出版社，2 0 0 2 ：2 6 3 0 【3 8 】蔡健，周健矗二次加载对铀孔灌注桩承载力的影响【j 】建筑结构，2 0 0 5 ，3 5 ( 2 ) ：5 4 5 5 6 第二章后压浆技术在大直径钻孔灌注桩中的作用枫理探讨 第二章后压浆技术在大直径钻孔 灌注桩中的作用机理探讨 2 1 引言 根据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) i i j ，钻孔灌注桩单桩承载力标准值的计算公式如下： 如= 级+ 敛= “p 趵m + 4 ( 2 1 ) 式中 ( k 单桩总极限侧阻力标准值( 1 稍) ； q t 单桩总极限端阻力标准值( k n ) ； “。桩身界面周长( m ) ； t 桩侧第i 层土层厚度( m ) ； 一。桩端截面面积( m 2 ) ： 町。桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值( k p a ) ； 口。桩端极限端阻力标准值( k p a ) ； 此外，对于直径大于等于0 8 聊的桩还要考虑尺寸效应： q 0 = q ：口+ q 肚= 甜p 吼砖+ 纬鸟一4 p ( 2 2 ) 式中、纯分别为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数。 由上可知，桩身承载力主要与桩径、桩长及地质参数有关。以目前的施工技术，桩径、桩长可以较 容易控制在允许误差内。但要保证桩的承载力得到充分发挥却是比较困难，这是由具体的施工工艺所致。 钻孔灌注桩成孔时由于破坏了土体结构，形成了较大自由面，造成桩侧土体应力释放，为维持孔壁 稳定、保证清孔理想，一般需要配制护壁泥浆p “。在粘土和粉土中泥浆比重一般为1 0 2 1 0 4 ，当钻 机在砂和砂粒等容易塌孔的土层中钻进时。泥浆比重需保持在1 0 5 1 0 8 ，清孔时注入的泥浆比重一般 为1 0 5 1 0 8 p j 。在泥浆运行过程中由于底层水分渗失，泥浆胶体中的微细颗粒凝聚于孔壁而形成泥皮， 且由于钻孔灌注桩特别是大直径钻孔灌注桩作业面积较大、钻孔较深，导致成孔时间长，泥皮的厚度往 往比较大，这样在桩侧与土的切向会形成层“润滑剂”，而在桩的径向又会形成一层“软层”。由剪应力 公式可知f = c 十盯t a np ，影响剪应力f 的因素为正应力盯和内聚力c 、摩擦角妒值，“润滑剂”的作用 会导致p 的减小而“软层”作用以及孔壁长时间浸泡和桩侧土层侧向应力的释放会导致c 、盯的减小， 故相应的桩侧土层极限摩阻力标准值g 。会减小例- l l u j 。 此外在钻孔过程中，钻具切削下的岩土屑未被泥浆携带至地表而沉淀在孔底，无论采用何种先进的 二次清渣工艺，由于以施工用的泥浆作为清洗介质，不可能将沉渣完全排出。同时二次清渣与桩身混凝 士首斗灌注闻有时差，这段时间内泥浆中部分沉渣将继续沉淀于孔底，共同构成了桩底沉渣。沉渣属松 散结构j ，其强度一般比桩端土层低，即桩端极限端阻力标准值q “总是会比理论上的小，故桩端阻力 会减小。当沉渣厚度较大时，犹如在桩底形成了一层“软垫”，单桩破坏方式以桩的“剌入破坏”为主”“， 桩端极限承载力受沉渣强度控制，且孔底沉渣使桩底部刚度减小，桩端阻力不能正常发挥。 需要指出的是，桩底沉渣不仅对桩端阻力的发挥有较大的影响，同样对桩倒阻力也有一定的影响。 研究表明，桩底沉渣不仅会降低桩端阻力而且会降低桩侧阻力。当桩底有沉渣时，桩侧阻力要比计算 得到的数值低；当桩底无沉渣时，桩侧阻力要比计算得到的数值高。文献【1 3 】将这种桩端附近桩侧阻力 受桩端条件影响而增强的现象称为桩侧阻力的强化效应，并进行了深入的讨论。 综上，由于施工工艺的原因导致桩侧极限摩阻力q m 和桩端极限端阻力q 砷减小，从而影响了钻孔 灌注桩的承载力。此外，诸如一些次要因素如混凝土收缩、桩底“虚尖、孔壁粗糙度的改变、成孔时间 效应等，都会导致桩的承载力减小。这些原因在某种程度上是无法避免的，我们只有通过其它方式去弥 补，于是后压浆技术就应运而生。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 桩端后压浆技术的作用机理 2 2 1 传统注浆机理 传统的注浆机理包括物理力学机理和化学机理。 ( 1 ) 物理力学机理 在物理力学机理方面，根据浆液作用于土体的不同方式进行分类，一般可以分为渗透注浆、压密注 浆和劈裂注浆。 1 ) 渗透注浆 渗透注浆是指水泥浆在注浆压力作用下，进入土体的各种孔隙和裂隙，排挤出存在的自由水和气体， 且在注浆过程中，地层结构不受扰动和破坏的注浆形式。要实现渗透注浆，浆液的颗粒尺寸必须至少小 于土的裂隙尺寸，土层的渗透性、浆材的可灌性以及浆液的流动性是影响渗透灌浆的主要因素。渗透注 浆的理论包括球形扩散理论、柱形扩散理论和套管法理论l j ”等。 ( d m a a g ( 1 9 3 8 ) 按球形扩散理论推导出浆液在砂层中的渗透公式，此理论目前仍被广泛采用。m a a g 理论是建立在以下假定基础上的： a 被注砂土为均质和各向同性的； b 浆液为牛顿体，其流变曲线为一自原点开始的直线； c 采用填压法注浆，浆液从注浆管底端汴入地层； d 浆液在地层中呈球状扩散。 根据这四点假定推求出了浆液的扩散半径 式中 式中 = r l 浆液的扩散半径( c m ) ： k 砂土的渗透系数( c m s ) ； hi 注浆压力水头( c m 水头) ； r 0 - 一注浆管半径( c m ) ； t 注浆时间( s ) ； 1 3 浆液粘度与水粘度之比； n 一砂土孔隙率( ) ； 柱形扩散理论 当牛顿体作柱形扩散时，计算公式如下 n 群l l l 量 f = 堡 2 忱 铲雁 律厚 d 卜被灌土体的有效粒径( 哪) r j 嵌液的运动枯滞系数； 其它符号意义同( 2 3 ) 公式。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 舞 第二章后压浆技术在大直径钻孔灌注桩中的作用机理探讨 2 1 劈裂灌浆 劈裂灌浆是指当灌浆压力超过土体劈裂压力后土体中将产生水力劈裂，出现劈裂缝或劈裂面浆 液填充这些劈裂缝或劈裂面，形成劈裂加筋的效果。劈裂压力与土体中的小主应力及抗拉强度有关，劈 裂面常发生在阻力最小的小主应力面。劈裂面出现后，压力浆液随之填充，随着浆液的增加，压力增大， 会使小主应力增加，一旦灌浆压力提高到大于土体中的中问主应力时，就会在中间主应力面产生新的劈 裂面，如此继续灌浆，在桩端灌浆点附近就会形成网状浆脉。在不同的土层中，劈裂注浆会表现出不同 的方式： 粘性土层 在粘性土层中，水力劈裂将引起土体同结及挤出等现象。在只有固结作用的条件时，可用下式计算 注入浆液的体积v 及单位土体所需的浆液量q ： v = f ( p o u ) m ，- 4 2 d r g = p m ， 式中 a 浆液的扩散半径( e r a ) ； 珊一灌浆压力( k p a )