（岩土工程专业论文）卵石层中的灌注桩桩端压力灌浆技术及应用.pdf

语南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 灌注桩，因其对地层适应性强、能提供较大的单桩承载力、钢筋用量少等 优点，在目前深基础工程中得到了极为广泛的应用。但是，灌注桩的固有缺陷， 诸如孔底虚土；孔壁泥浆；端阻、侧阻发挥不同步；钻孑l 后原地应力释放等， 限制了其承载力的发挥，使得材料利用率不高，沉降较大。桩端压力灌浆技术 用于灌注桩，能大幅度提高承载力，减小沉降，提高材料的利用率，并且设备 简单，施工工艺不复杂，经济效益显著，对各种地层有较好适应性。 另外，卵石地层是木工程建设经常遇到的地质条件，是桩基良好的持力 层。但灌注桩在卵石层中施工或穿越卵石层会遇到钻进困难、孔壁易塌、掉钻 卡钻等诸多问题，造成扩径、缩径、断桩等病害，使工期延长，材料用量增加， 费用增高。采用桩端压力灌浆技术，可以减小桩径、缩短桩长，将桩端位于卵 石层或减少卵石层中工作量，从而降低施工难度，减少工程投入。k 尸一 结合某高速公路上两座特大桥灌注桩基工程，本文就持力层为卵石层的灌 注桩采用桩端压力灌浆技术进行了研究。根据现场桩基动、静载试验，对卵石 层中桩端压力灌浆桩的承载特性进行了分析；探讨了基桩高应变c a s e 法在灌浆 桩中的适用性；并应用v e s i c 球形空穴扩张理论对灌浆结果进行了分析。 同时，本文在吸取近年来对桩端压力灌浆技术研究成果的基础上，结合现 场试验研究结果，提出了适用于卵石层中渗透型、压密型桩端压力灌浆桩单桩 竖向极限承载力计算方法和卵石层中灌浆参数选取原则。从而为桩端压力灌浆 技术的工程应用和进一步研究提供经验。 关键词 灌注桩；压力灌浆；卵石层；每载力；葛霞燹1 舔丽疆谕芦一 r 一、一一 、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1j 页 a b s t r a c t t o d a y , c a s t i n s i t up i l e sa r em o r ew i d e l yu s e di nd e e pf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g b e c a u s eo ft h e i rm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sb e t t e ra d a p t a b i l i t yt ov a r i o u sg r o u n d c o n d i t i 0 1 1 , p r o v i d i n ge n o r m o u sb e a r m gc a p a c i t yb yas i n g l ep i l ea n ds m a l l e rd o s a g e o f r e i n f o r c i n gs t e e lb a r b u t ，t h e i ro w nd i s a d v a n t a g e s ，s u c h a ss e d i m e n tu n d e r t i p ，c l a y s l u r r ya r o u n dp i l e ，f r i c t i o na n dt i pr e s i s t a n c ed i s a g r e e m e n ta n di n i f i a l 掣o u n ds t r e s s f l e e i n g 1 i m i t e dt h e i rb e a r i n gc a p a c i t y , 1 0 w e r e dt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo f m a t e r i a la n d i n c r e a s e dt h es e t t l e m e n t a p p l i e dt oc a s t - i n s i t up i l e ，t h et e c h n o l o g yo fp r e s s u r e g r o u t i n g u n d e r p i l e st i p c a nl n c r e a s e p i l e 7 s b e a r i n gc a p a e i t yl a r g e l y a n dt h e u t i l i z a t i o nr a t i oo fm a t e r i a l , a n dd e c r e a s ei t ss e t t l e m e n t f u r t h e r m o r e ，t h i st e c h n i q u e i sb e t t e r a d a p t a b l et o v a f i o u ss o l ls t r a t u ma n dc r nm a k em a g n i f i c e n te c o n o m i c e f f i c i e n c yw i t hs i m p l ef a c i l i t i e sa n d c o n s t r u c t i o nm e t h o d 0 nt h eo t h e rh a n d ，g r a v e lg r o u n dc o n d i t i o ni sag o o d b e a r i n gs t r a t u mf o rp i l e s ， w h i c hi so r e nm e tw i t hi nc i v i lc o n s t r u c t i o i lh o w e v e r , t h e r ea r em a n yt r o u b l e si n c o n s t r u c t i n gi ng r a v e l , s u c ha sd r i l l i n gd i f f i c u l t ，h o l ec o l l a p s i n ga n dd r i l ll o s i n g ， w h i c hw i l l1 c a dt oe n l a r g eo rs h r i n kp i l e sd i a m e t e r , f o r mf a u l tp i l e d e l a yt h et i m e i n c r e a s et h eu s eo fm a t e r i a la n d h i g h e rt h ei n v e s t m e n t o n c et h eg r o u t i n gt e c h n i q u e b e i n ga p p l i e d , d i a m e t e ra n dl e n g t ho f p i l ec a l lb ed e c r e a s e d p i l e st i pc a l lb ed i r e c t l y l a i d i n g r a v e l a n dc o r l s t r u c t i o nw o r ke a r lb ec u t d o w n , w h i c hn l e a n sl o w e r c o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t i e sa n dl e s se x p e n d i t u r e o nt h eb a s i so fi n - s i t et e s to f p i l e s i nt w og r e a tb r i d g e si no n ee x p r e s s w a y p r o j e c t ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s t h e a p p l i e a t i o n o ft h i s t e c h n i q u ea p p l y i n g t o c a s t - i n - s i t up i l ei ng r a v e l , s t u d i e st h eb e a r i n gp r o p e r t i e so f g r o u t e dp i l e s ，e x a m i n e s t h ep r a c t i c a l i t yo f h i g h - s t r a i nt e s tu s ei ng r o u t e dp i l e sa n d a n a l y s e st h eg r o u t e dp i l e s w j t hv e s i ct h e o r y i na d d i t i o nb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h i st e c h n i q u ei nr e c e n t y e a r s ，c o m b i n e dw i t hi n - s i t et e s tr e s u l t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ed e s i g na n d c a l c u l a t i o nm e t h o dt og r o u t e dp i l ei ng r a v e la n dt h ep r i n c i p l eo f c h o o s i n gg r o u t i n g p a r a m e t e r s ，w h i c hp r o v i d e se x p e r i e n c e sf o ra p p l y i n gt h i st e c h n i q u ea n df u r t h e r s t u d y i n g g e l m o r d s 四垂i 油p 弛；p e 鼠髓g o 删唱；b e 撕唱口嘲；g r a w l s o d ；l 龟h 妇i 自随；v e s i c 姗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 桩基础的概述 第1 章绪论 桩是完全或部分设置于土面以下，成竖直或倾斜状，可通过其侧壁和下端 将荷载传至周围土体和深层地基的受力构件。桩基础是以桩为主体构成的深基 础，简称桩基。桩基的作用主要是将所支承的上部结构的荷载传入到地基深部 较为坚硬的、不可压缩的良好土层或岩层中n “。 桩基作为建筑物的基础已有悠久的历史，正如文献 2 所指出的：“在人类 有历史记载以前，就已经在地基土条件不利的河谷及洪积地区采用了桩基这种 基础工程方法；在许多不同文化时期的初期，都可以找到以桩基为基础的房屋。” 1 9 8 2 年在智利发掘的文化遗址所见到的桩大约距今有1 2 0 0 0 年至1 4 0 0 0 年。迄 今为止，我国发现的最早的桩基已有7 0 0 0 多年历史。到了宋代，桩基技术已比 较成熟，而在明清两代，桩基技术更趋完善。宋朝的营造法式和清代的工 部工程做法都对当时的桩基技术有所记载m 。 1 1 1 桩基工程的发晨及前景 1 桩基材料的发展 桩基工程的发展和作为桩体的材料发展密不可分，大致经历了初期阶段、 发展阶段和现代化阶段三个阶段。在水泥尚未问世以前，实际上能利用的桩型 只是由天然材料做成的桩体如木桩和石桩。1 9 世纪中叶以后，由于水泥工业的 出现和发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土桩和钢筋 混凝土桩。但在初期阶段，由于所采用的混凝士强度和钢筋强度都较低，钢筋 混凝土的计算理论也尚未建立，那时的钢筋混凝土桩，无论从桩型和桩基施工 技术来看，都还是比较“低档”的。只是在2 0 世纪2 0 年代特别是第二次世界 大战以后，桩基理论和技术才有了更大的发展，桩的应用范围也不断扩大，出 现了形形色色的、花样繁多的桩型，例如预应力钢筋混凝土桩、寓强度钢筋混 凝土桩以及钢桩等。桩基从古老的、简陋的形式发展为各种不同体系的现代桩 基。 百余年的应用历史证明。混凝土和钢材是远比木材更为合适的制桩材料， 并且采用混凝土和钢制桩，其意义不仅是摆脱了木材资源不足的限制，更重要 的是它给古老的打桩技术注入了勃勃生机，增添了无限活力，带来了巨大变化。 这些变化突出表现在 a l l m ”m ： 西南交通大学硬士研究生学位论文 第2 页 ( 1 ) 桩的长度和几何形状，包括其横截面积、端部形状，乃至整个桩身的 形状，不再像木桩那样受天然材料的限制，而可以根据设计作种种变化； ( 2 ) 钢桩、混凝土桩和钢筋混凝土桩的强度、刚度等力学特性远比木桩为 高，他们具有更好的灌入性能，能承受更大的冲击，能担负更大的荷载，并且 更为耐久； ( 3 ) 制桩工艺和成桩工艺大为改观。千百年来木桩只能利用木材预先加工 制备而后打入土中。钢桩虽也属预制打入桩，但钢管桩可按照设计需要制成大 小不同的管径，又可以采用开口或闭口打入；型钢桩可制成各种截面，并可制 成各种钢板桩等等。将混凝土用于桩基，既可以现场或工厂预制，又可以就地 灌注，还可以发展预应力桩基技术。 2 桩基技术的发展 桩基工程的发展带动了桩基技术的发展，桩基技术的发展更是促进了桩基 工程的长足发展。进入现代化阶段以来，桩基技术有了更大的发展，具体表现 在以下几个方面w ： ( 1 ) 单桩设计承载力越来越大，达到了以“万k n ”计的水平； ( 2 ) 桩基的设计理论由于吸取了其它学科的先进科研成果，取得了非常迅 速和深刻的发展； ( 3 ) 由于在城区兴建高层建筑的需要，沉桩的环境效应的消减问题受到充 分重视，并从理论上和工艺上进行了研究，提出了一系列计算方法和控制措施； ( 4 ) 桩基施工涉及各式各样的桩和复杂多变的工程地质条件和水文地质条 件，随着工程技术的不断发展，桩工机械也趋向于专门化和复杂化； ( 5 ) 桩基的检测和监测也取得了重大成果。 3 桩基的应用前景 桩基的应用已经历了从初期阶段到现代化阶段的漫长历史，然而审视现状， 环顾世界各地，桩基的应用正方兴未艾，生命依然显得年轻，有许多问题有待 人们的进一步研究n ，： ( 1 ) 随着工程实践的积累，对传统桩型及施工工艺的改进和对新桩型及施 工工艺的研究。桩型及其适用范围需通过定型化和规范化的科学整理，改变规 格和形式繁多、施工机械和工艺难以适应的局面。超高强度材料及无公害成桩 工艺将成为未来桩基研究的主要内容。工程实践中不断涌现出新的桩型及施工 工艺，例如壁板桩、高压喷射成桩等，桩和桩基的涵义将被拓广，其设计理论、 施工工艺有待于进一步分析、论证和完善。 ( 2 ) 桩基础的现代设计方法的研究。上部结构的荷载完全由桩承担的时代 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 即将过去，桩基按变形设计逐渐被人们接受，复合桩基理论i 设计方法必将有 新的发展”。桩基设计方法的研究的另。方面是由传统的定值设计法向以可靠 性理论为基础的概率极限状态设计法转变，这一工作已进行多年，但是，将可 靠性理论应用于桩基工程设计还有若干问题需要解决。 ( 3 ) 桩基的承载机理的研究。影响桩基的承载力的因素是多方面的，其主 要是桩、土之间的荷载传递机理。一些特殊地基土( 如填土、膨胀土、基岩埋 藏很深的软土、冻土以及岩溶地区等) 中的桩以及特殊桩型桩的荷载传递机理 有待于进一步研究；桩承载力的时间效应以及桩的压曲分析等也有待于进一步 研究。 ( 4 ) 桩基的沉降研究。为了精确计算和预测桩基的沉降，曾进行了大量的 研究，提出一系列的计算方法，但时至今日，对桩基沉降的预估仍然未能让人 充分相信和满意。 ( 5 ) 桩基的动力性质研究。桩的动力性质研究最早始于打桩的动力分析， 由于高速、重载列车以及抵御地震灾害的需要，其日益成为桩基工程学的重要 研究领域。桩、土间动力荷载传递机理与衰减规律、桩基的动力承载特性研究 与设计参数的合理确定以及桩、土体系的动力本构关系等亟需解决。 ( 6 ) 桩基的原位测试技术研究。桩基的原位测试包括静载试验和动力测试 鼯类方法，目的是测试桩基的承载力和检验桩身完整性。静载试验在试验设备、 试验方法和分析理论上需进步完善。动力测试中的可靠性、参数合理选取、 结果正确解释、激振方式的改进以及更先进的仪器和分析软件的研制等都需解 决。 1 1 2 桩及桩基的分类 人们在桩基应用的漫长历史中研制和发展出形形色色的桩，桩的种类繁多， 按不同的分类标准可以划分出不同的桩型“，： 按制桩材料分有木桩、钢筋混凝土桩和钢桩等传统桩型。但就广义而言， 还包括水泥土桩、c f 6 桩、石灰桩、二灰桩、灰土桩以及碎石桩等非传统桩型。 按桩身的制作方法分基于上述广义桩的概念，有预制、灌注和搅拌三类。 预制桩包括木桩、钢桩及混凝土桩，预制混凝土桩可在工厂或施工现场预制； 灌注桩有沉管成孔、钻孔冲孔、抓掘成孔、螺旋成孔和人工挖孔：搅拌桩有水 泥浆搅拌和水泥喷射搅拌。 按直径或截面尺寸分有大直径桩、中等直径桩和小直径桩，此分类常用 于灌注桩。但各国( 地区) 和各专业的分类界限不尽相同，主要视施工习惯和 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 桩型性状等不同i f l j 区分。例如，我国建筑桩基技术规范( 1 6 9 4 9 4 ) 将直径 j 巾8 0 0 衄的灌 t 桩视为大直径灌注桩，而在港r 工程预心力大直径管桩设 计与施工规程( i t i j 2 6 19 7 ) 中则将直径如：由1 2 0 0 哪的预应力混凝七管桩 视为大直径管桩；我国香港地区则将赢径痧咖6 0 0 衄的灌注桩视为大直径灌注 桩。至于小直径桩一般均指直径d 巾2 5 0 衄的桩，也称微型桩，多用于地基浅 层处理和旧建筑物基础托换加固。 按端部形状分预制桩有尖底、平底之分；钢管桩有开口、闭口之分；沉 管灌注桩有采用预制圆锥形桩尖或平底桩靴之分：人工挖孔桩和机械成孔桩均 有平底或锅底之分。预制桩和沉管灌注桩采用平底具有压密桩端土层的效果。 钢管桩采用开口具有解轻挤土影响的作用。 按纵向截面形状分有柱状桩、板桩、楔形桩或锥形桩：柱状桩又有直身 桩、扩底桩、多节桩、竹节桩、表面带螺纹的桩等。 按横向截面形状分有圆形、管形、正方形、矩形、十字形、h 形、箱形、 三角形、多角形等。 按扩底方法分对中小直径沉管灌注桩而言，有预制扩底、振动扩底、夯 击扩底、挤压扩底等法；对于大直径灌注桩而言，有人工扩底、机械扩底等。 按设置状态分有直桩和斜桩，工程建设中大多数桩均为竖直设置，斜桩 多用于桥梁码头等工程，以抵抗水平力。 按承台位置分有高承台桩和低承台桩，前者多用于桥梁码头和海洋工 程；后者多用于工业与民用建筑等。 按设i 时对于地基土的影响程度分( 1 ) 大量挤土桩：包括各种打入、 振入、压入、旋入桩等。( 2 ) 少量挤土桩：包括开口钢管桩、h 形钢桩、预钻 孑l 打入桩、螺旋成孔桩等。( 3 ) 非挤土桩：包括人工挖孔桩和、钻孔、抓掘成 孔桩等。此类桩也称为置换桩，因为它们是用混凝土和钢材等置换相应的土体。 ( 4 ) 非置换而少量挤土桩：即水泥土桩和加劲水泥土桩。此类桩施工时无废土 外运，不产生泥浆污染，对环境保护有利。 按承羹性状分( 1 ) 摩擦型桩：指桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承担的 桩。根据桩侧阻力承担荷载的份额，摩擦型桩分为纯摩擦桩和端承摩擦桩。( 2 ) 端承型桩：指桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承担的桩。根据桩端阻力承担荷 载的份额，端承桩分为纯端承桩和摩擦端承桩。 按竖向受荷方向分有抗压桩和抗拔桩，大多数桩均属抗压桩。 按水平向受荷条件分( 1 ) 主动桩：指桩顶受水平荷载或力矩作用，桩 身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力是由于桩主动变位而产生的情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 要 ( 2 ) 被动桩：指沿桩身一定范围内承受i ：，| 1 ；：力，桩身轴线由于该土压力作用而 偏离初始位鹭的情况。 按用途或功能分主要有基础桩、i 】= 4 护桩；尚有锚桩、标志桩、促沉桩、 控沉桩、隔离桩等。 1 1 3 桩基础的应用 1 桩基的适用范围 桩基础是深基础中最常用的一种基础形式，它具有承载力高、稳定性好、沉 降量小、抗震性强以及适应于机械化施工和各种地质条件及载荷情况等特点， 通常应用于下列情况“： ( 1 ) 当建( 构) 筑物荷载较大，地基较软弱，地下水位较高，而采用明挖基 础沉降量又过大，建( 构) 筑物又不允许有较大沉降时： ( 2 ) 当建筑物内外的地面有大面积堆载，将使软弱地基产生过大的变形，或 基础可能有不均匀沉降会对建筑物造成危害时； ( 3 ) 当高层建筑物和高耸结构承受较大竖向荷载和水平荷载，且对侧移有特 殊要求时； ( 4 ) 当大吨位吊车的重型厂房和露天吊车的柱基，需要将很大的集中荷载传 递给地基时； ( 5 ) 当精密设备的基础对地基沉降有严格要求时； ( 6 ) 当地表软土层较厚，不宜用作基础持力层，或地基中局部有暗沟、深坑、 古河道等情况时； ( 7 ) 当地震区建筑场地的地基中存在可能液化的土层时； ( 8 ) 当湿陷性黄土和膨胀土地区内，地基土的湿陷量或膨胀量较大时： ( 9 ) 当滨海区内修建建( 构) 筑物时。 此外，桩基也常用来支挡岸坡、基槽、基坑或土体开挖时的围护结构。 2 桩型与成桩工艺选取 1 ) 考虑建筑物的性质与荷载 ( 1 ) 建筑物的重要性、对不均匀沉降的敏感程度。对于重要建筑和对不均 匀沉降十分敏感的建筑，应选成桩质量稳定性好、质量易于控制、检测的桩， 如预制桩和挖孔灌注桩等。 ( 2 ) 建筑的荷载大小。对于荷载较大的高重建筑物，首先应选择单桩承载 力足够大的桩型，以使在有限的平面范围内合理地布置桩距、桩数。 ( 3 ) 荷载的性质。对于地震设防区或受其它动荷载的桩基，应考虑选用既 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 能满足竖向承载力要求，又有利于提高横向承载力的桩，并应考虑动荷载可能 给桩基承载力带来的影响。 2 ) 考虑工程地质与水文地质条件 ( 1 ) 持力层的埋深与性质。应充分考虑持力层的埋置深度和性质，当埋深 较浅时，优先采用端承桩；当埋深较深时，应视承载力的要求，对摩擦桩应选 择恰当的长径比。但为砂、砾层时，尽量采用挤土桩，如沉管灌注桩等；对粉 细砂时，尽量采用灌注桩。 ( 2 ) 土层中有孔穴和障碍物。当上部土层中存在孔穴和障碍物时，尽量采 用挖孔桩。 ( 3 ) 土层的特殊性。当土层为湿陷性、膨胀性土层时，前者可考虑小桩距 挤土桩，后者可考虑短扩桩。 ( 4 ) 地下水位和地下水补给条件。当遇饱和软土时，尽量采用非挤土桩， 如钻孔桩等。 3 ) 考虑旌工环境 ( 1 ) 与相邻建筑物、道路、地下管线、堤坝等的距离。当相隔的距离较小 时，尽量选用非挤士桩和无振动效应或振动效应较小的桩，如钻成孔或人工挖 孔灌注桩。 ( 2 ) 施工现场泥浆处理条件不具备时，尽量不用泥浆护壁成孔灌注桩。 ( 3 ) 现场设备进退场和运输条件不良时，就不能使用大型成桩设备。 4 ) 考虑材料供应与施工技术条件 ( 1 ) 施工原材料运输困难时，尽量不用灌注桩因为灌注桩需要源源不断的 砂、石、水泥等材料。 ( 2 ) 成桩制作条件困难时，就不宜使用预制桩。 ( 3 ) 工艺条件情况也影响桩的选型。有些桩工艺复杂，技术要求高，本地 区又没有成熟的施工经验，对这种桩不宜采用。 5 ) 考虑经济效益与施工工期 在确保结构安全的前提下，选择桩型时，尚应以多快好省为原则，以使有 限的建设资金尽快发挥出综合效益m m m ，。 1 2 灌注桩在工程中的应用 灌注桩是直接在所设计的桩位处开孔，然后在孔内加放钢筋笼，浇筑混凝 土而成，在一定情况下，也可以将铜笳笼省去i t 。灌注桩具有单桩承载力高， 对地层的适应性强，造价低，以及低噪音、低振动等优点，在深基础工程中得 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 到了广泛的应用。 1 2 1灌注桩的发展历史 1 9 世纪9 0 年代，在美国随着建筑物的高层化，以往在天然地基上的浅基 础便暴露出承载力不足和基础沉降量大的弱点，加之打入桩的环境影响问题， 芝加哥式挖孔墩于1 8 9 2 年开发出来。1 9 3 0 年左右，日本出现田木式挖孔桩， 以钢板作护壁，人工挖桩孔。随着钻孔机械和技术的发展和进步，钻孔灌注桩 也逐步推广应用。荷兰最早于1 9 2 7 年采用回转法钻孔；美国的i n g e r s o l l r a n d 公司于1 9 3 0 年采用大口径钻机钻孔；前苏联1 9 4 1 年用转盘钻打大口径孔：法 国和西德都在5 0 年代分别采用泵吸反循环和“贝诺特”法施工大口径灌注桩。 日本从1 9 5 4 年引进“贝诺特”钻机，1 9 6 2 年引进反循环钻机及其施工方法， 并在技术和应用上很快加以完善和发展。与此同时，自日本大林组于1 9 7 1 年开 发出钻孔扩底灌注桩以来，钻孔扩底灌注桩技术也得到了迅速发展。由于山区 城市建设的需要，嵌岩灌注桩也应运而生，如澳大利亚包括首都坎培拉和悉尼、 墨尔本、布里斯班等大城市在内的很多地区的高层建筑较普遍采用大直径嵌岩 灌注桩m 。第二次世界大战后，各国进行大规模战后重建，鉴于当时钢材的短 缺，灌注桩这种经济型桩发挥了巨大的作用。随着施工机械和施工工艺的提高， 大直径灌注桩至今在各国的基本建设中发挥着重要作用m ，。 在我国，灌注桩的应用较晚，1 9 5 9 年河南黄县利用打井锥具钻孔，首次作 成了钻孔灌注桩。6 0 年代初，这种施工工艺首先在河南公路桥梁采用后，逐渐 发展成为一种常用的桥基型式，而后在全国推广应用。目前，灌注桩在我国桥 梁、码头的建设中己被广泛应用，在某些地区( 如湖南省境内) ，大中型桥梁工 程中几乎是“无桥不桩”。随着我国经济的持续增长，国家对基础建设的投入力 度逐年加大，建设用地日趋紧张，这就为桩基一尤其是灌注桩的推广和应用提 供了得天独厚的条件。 1 2 2 灌注桩存在的问蠢 尽管灌注桩具有对地层的适应性强、承载力大、造价低、以及低噪音、低 振动等优点，但它本身也存在一些不足，有待于进一步发展和完善。就目前灌 注桩施工而言，大多采用泥浆护壁、水下灌注混凝土的方法，除易发生缩径、 夹渣、离析及蜂窝等常见病害外，还存在着以下问题圩”，： 1 桩底沉渣 由于地质条件和施工方法的影响，加上施工机械和技术的不完善，常造成 桩底存有一定量的沉渣。一般情况下沉渣厚度有3 0 5 0 c m ，最厚可达l o o c m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 文献 1 2 试验表明，沉渣的“软挚效应”使桩在相同的桩顶荷载下的沉降量比 n i 常桩加大，使桩端土承载力在允许的桩顶沉降下难以充分发挥，桩端阻力的 发挥受沉渣强度控制。黄于较厚沉渣上的桩，在极限状态f 端阻损失可达9 0 以上。同时会造成桩身中、下部土层侧摩阻降低，沉渣越厚，侧摩阻损失越大。 在一些试验中测得的最大桩侧摩阻损失在7 0 以上。受沉渣影响，单桩承载力 最大损失达7 0 以上。 桩底沉渣的性质对桩承载力后期增长起决定作用。以砂、砾石为主的桩底 沉渣随着沉渣的压密，强度逐渐提高，桩端阻逐渐接近正常桩底土层的强度， 表现为沉降硬化的特征，同时，桩下部侧摩阻也得到提高，对桩承载力后期增 长有利。当沉渣以淤泥质黏性土或黏性土为主时，由于其灵敏度高，经压缩、 剪切破坏后，强度迅速降低且不易恢复，表现为沉降软化的特征，同时，端阻、 侧阻相应损失，这对桩承载性状及后期增长极为不利。 2 桩体与桩周土体之间的软弱夹屡 钻孔灌注桩在钻孔过程中，为了排出钻渣和保持孔壁稳定，一般使用泥浆 护壁。然而泥浆的使用，却不可避免的要形成桩底沉渣和孔壁泥浆套。大直径 灌注桩泥浆套一般在1 5 c m 。泥皮厚度较薄时，泥皮固结硬化充分，含水量较 低，抗剪强度较高。桩受力后，桩侧剪切面发生在靠近桩表面的土体中，桩侧 土层侧阻能得到正常发挥。当泥皮厚度较大时，泥皮固结硬化不充分，抗剪强 度较低，桩侧剪切面将发生在泥皮与土体的接触面或泥皮中，侧阻充分发挥所 需的桩土相对位移加大，同时剪切面也易发生滑移，侧阻损失而降低，桩侧土 层强度不能得到正常发挥。 3 桩端阻、侧阻不能同步发挥 大量的现场实验证实，侧摩阻要充分发挥仅需要几个毫米的位移即可，而 端阻要达到极限状态需要( 0 1 0 5 ) d 的位移( d 为桩径) ，这么大的位移在工 程实际中是不允许的。因此，在桩达到破坏时，往往是侧摩阻达到极限得到充 分发挥，而端阻却还有大量的潜力，这就使桩的承载力不能充分发挥。 4 灌注桩成孔过程中土层的应力释放 灌注桩大多为排土桩，成孔中，孔壁土体应力释放，孔壁松弛，并向临空 面位移变形。而桩体灌注一般仅靠混凝土自重而成，不可能使桩周土的应力恢 复到原始状态，这就使桩周及桩底士体强度降低，从而影响了桩土之间的相互 作用，使桩的承载力降低。 这些问题的存在，使灌注桩的承载力得不到应有的发挥，桩的侧摩阻力和 桩端阻力比预制桩要低得多。特别是单方混凝土提供的承载力很低。造成材料 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 的利用率不商，很不经济。另外，泥浆护壁灌注桩由于泥浆的排放还给环境带 柬严重的污染。 1 2 3 目前常用的解决办法 灌注桩是依靠桩一土相互作用提供承载力的一种深基础形式因此，要解决 其存在的问题需从以下三个方面如手：1 ) 增加桩的几何尺寸；2 ) 改善持力层和 桩周土体的性质；3 ) 改善桩一土相互作用界面条件。片面地增加桩的长度和直 径无疑是很不经济的，当桩的长径比较大时，桩的端阻力也发挥不出来，同时 施工的难度增大。 为了解决灌注桩存在的这些问题，近二十年来科研工作者和工程技术人员 作了大量的工作： 1 ) 改进传统施工工艺，引进新的施工工艺，提高施工水平，加强旌工管理。 为了消除泥浆护壁带来的危害，采用套管跟进成孔作业法；在可能的某些工程 地质情况下，采用清水钻进等。为了克服桩底沉渣的影响，尽可能使用反循环 钻进成孔。加强清底措施等。 2 ) 发展新的桩型，增加桩的有效支承面积，改善桩体承载条件。采用桩底 夯扩桩、爆扩桩、多节竹节桩等来对桩进行扩底、扩径，增大桩的有效支承面 积；采用钻孔压浆成桩法、钻孔插桩压浆固结法等来改善桩一土界面条件等。 3 ) 引进、开发新技术和新工艺对桩基进行加固处理，提高桩端、桩侧土层 性质、改进桩的承载特性。如孔底注浆拌和、桩端压力灌浆技术和桩侧压力灌 浆技术等。 其中，大量工程实践证明：桩端压力灌浆技术和桩侧压力灌浆技术用于灌 注桩能成功地解决灌注桩存在的问题，大幅度地提高灌注桩的承载力、减小灌 注桩的沉降。同时，该技术对各种地层有较大的适应性，并且施工设备、施工 工艺简单，经济、社会效益明显。 1 3 本文的选题背景及研究内容 1 3 1 本文的选背景 灌注桩中的桩端压力灌浆技术和桩侧压力灌浆技术，统称为灌注桩的后压 浆技术“”，是在2 0 世纪中叶把用于地基加固的压力灌浆方法用于桩基而逐步形 成的。该技术是在灌注桩成桩后，通过埋置在桩身中的管道和注浆装置，用压 力泵将能固化的浆液( 如水泥桨) 注入桩周和桩端土体。 后压浆技术用于灌注桩的作用在于：首先，在压力作用下，浆液作用范围 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 内的土体被有效压密，桩周泥浆套的厚度减小，含水量降低，连同其周围一。定 范围内土体的物理力学性质得以加强，这就有效地改善了桩土之间的界面条件： 其次，桩端压力灌浆技术可以在桩端形成浆泡扩大体或网状浆脉，有效地扩大 桩的支承面积；另外，浆液的渗透可以将其影响范围内的土颗粒胶结起来，进 一步改善部分士体的物理力学性质。由于上述诸方面因素的共同作用，可以大 幅度地提高桩周的土阻抗，并在一定程度上改变桩的支承类型，从而提高桩基 的承载能力，减小桩基的沉降。 灌注桩的后压浆技术的优点主要有：1 ) 具有工法操作简便、可靠性好、附 加费用低、承载力增幅大、不与成桩交叉作业、可与桩身完整性超声波检测相 结合；2 ) 后压浆技术适合于各种地层土性条件下的泥浆护壁钻、挖、冲孔灌 注桩，也适合于干作业钻、挖孔灌注桩：3 ) 后压浆技术不仅能大幅度提高灌注 桩的承载能力，同时在减小桩基沉降方面也有明显的效果；4 ) 后压浆技术还可 以对灌注桩的缺陷进行加固以及对达不到设计要求的桩体进行加强。另外，灌 注桩的后压浆技术也可用于预制桩的加强和加固。 桩侧压力灌浆技术的施工工艺和压浆装置均较复杂，灌浆效果不易控制。 工程中运用不多，相应的研究也较少，同时根据我们收集到的现场实测资料分 析表明，对于长度不大的灌注桩采用桩侧压力灌浆技术所获得的工程效益不如 采用桩端压力灌浆技术来得明显。 与桩侧压力灌浆技术相比，桩端压力灌浆技术施工工艺、压浆装置均较简 单，灌浆效果易于控制，对不同地层、不同桩长及桩径有较大的适应性，因而 对其应用、研究较多。我们在残积黏土层、亚黏士层、粉土层、砂性土、黄土 地层、砾卵石以及强风化岩层等不同桩端持力层进行了一系列试验研究，并取 得了大量宝贵资料。但由于影响灌浆效果的因素众多，加之岩、土性质的复杂 性，使得桩端压力灌浆技术在灌注桩中应用的许多问题有待于继续做深入细致 的研究。特别是国内外对灌浆工艺下灌注桩的承载机理的细观机制的研究尚少， 灌浆后桩端、桩周土的性质的变化较大，不同地层对灌浆的适应性有待于作进 一步研究。 1 3 2 本论文立夏意义和研究内容 卵石地层是土木工程建设中经常遇到的地质条件。是桩基的良好持力层。 但是，由于灌注桩存在着桩底沉渣；桩周软弱夹层；端阻、侧阻发挥不同步； 初始地应力释放等问题，使卵石层中灌注桩的承载力得不到应有的发挥，材料 利用率低。加之，灌注桩在卵石层中施工或穿越卵石层将遇到很多不利：1 ) 卵 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 石地层不容易钻进，对设备质量要求高、磨损大，还经常出现卡钻、掉钻2 j 9 ； 这给施工造成困难，使工期延长：2 ) 卵石地层钻进孔壁不易保持，容易塌孔， 给灌注桩造成扩径、缩径、断桩等病害；3 ) 卵石地层中钻进还容易遇到孤f 改变钻进方向，使桩偏位等等。这些问题的出现使灌注桩的施工难度更大，成 桩质量更不易保证。材料利用率更低。 本论文选题目的在于：对桩端位于卵石层的灌注桩采用桩端压力灌浆技术 的适应性进行研究，采用桩端压力灌浆技术来提高灌注桩的承载力，降低沉降。 这样就可以在满足设计要求的条件下，缩短桩长、桩径，将桩端直接位于卵石 层或减少卵石层中灌注桩的施工工作量，这样不仅可以避免灌注桩穿越卵石层， 而且由于工程量减少而减低施工难度，取得明显的经济、社会效益。 本论文的研究方法是继承前人的研究成果，通过现场试验对桩端持力层为 卵石层灌注桩采用桩端压力灌浆技术后的承载特性进行分析，在此基础上提出 桩端压力灌浆技术在以卵石层为持力层的灌注桩中应用的设计原则。本论文的 主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 总结国内外近年来在桩端压力灌浆技术方面的研究情况和进展。主要 包括桩端压力灌浆技术的加固机理、影响灌浆效果的因素、灌浆后灌注桩的承 载特性及竖向承载力的计算、工艺参数的选取等方面的研究情况以及对其在工 程中的应用前景展望； ( 2 ) 卵石地层中桩端压力灌浆现场试验。结合河南省洛阳市洛一界高速公 路上两座特大桥工程中灌注桩的现场动、静载试验，对桩端持力层位于卵石层 中的灌注桩采用桩端压力灌浆技术进行了试验研究。主要包括试桩设计、桩端 压力灌浆试验和桩基的现场动、静载试验； ( 3 ) 用v e s i c 球形孔穴扩张理论对灌浆桩进行了分析； ( 4 ) 结合现场常规灌注桩的动、静试验，对卵石层中灌注桩采用桩端压力 灌浆技术后的承载特性进行了分析，在此基础上，提出了桩端压力灌浆技术在 卵石层中灌注桩的设计，包括工艺参数的选取和灌浆后单桩承载力的确定； ( 5 ) 对灌注桩采用桩端压力灌浆技术后的高应变检测进行了初步探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 1 概述 第2 章桩端压力灌浆技术 基于灌注桩存在的诸多问题，严重的影响了灌注桩的质量，使灌注桩的承 载力得不到应有的发挥。而伴随着高层、超高层、大跨度建( 构) 筑物的兴起， 对桩的承载力就提出了越来越高的要求。这就不得不迫使人们去寻找解决其存 在问题的方法，来保证灌注桩的质量、提高灌注桩的承载力、减小桩基的沉降。 其中，桩端压力灌浆技术正是人们在长期的探索、研究中开发的一种有效解决 灌注桩存在问题的方法之一。 2 1 1桩端压力灌浆技术的概念 桩端压力灌浆技术是指在钻孔、冲孔和挖孔灌注桩成桩后，通过预埋在桩 身的灌浆管，利用压力作用，将能固化的浆液( 如纯水泥浆、水泥砂浆或加外 加剂及掺合料的水泥浆，以及超细水泥浆或化学浆液等) ，经预留在桩端的灌浆 装置均匀地灌入桩端地层。根据浆液的性状、地层特性和灌浆参数等不同条件， 压力浆液对桩周、桩端土层、起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结或多 种形式的组合等不同作用，改变了其物理力学、化学性能及桩与岩、土之间的 接触条件，消除泥皮、虚土隐患，从而提高桩的承载力并减小桩基的沉降n “。 2 1 2 桩端压力灌浆技术的历史及现状 桩端压力灌浆提高桩基承载能力最早是1 9 5 8 年委内瑞拉的m a r a c a i b o b r i d g e 的钻埋预制桩的底部灌浆，之后，这一技术的实验研究工作逐渐开展起 来。7 0 年代，b o l o g n e s i & m o r e t t o 将桩底灌浆用于p a r a n ar i v e r 桥梁基础中， 并提出阶段性灌浆用于砂土中的大直径桩预加荷载m ，一文；法国人 g o u v e n o t g a b a i x 发表了成桩后灌浆对大直径桩行为影响的实验报告m ，。8 0 年 代以来，国外在这方面的研究增多，针对工程中实际存在的问题，开发出各种 各样的灌浆装置，不仅桩底灌浆，对桩侧也实施灌浆，如1 9 8 3 年s t o k e r 的现 场试验；1 9 8 4 年s 1 i - i n s k i f l e m i n g 的现场试验；1 9 8 8 年f m g h a z a l i 的现场 试验；1 9 9 1 年悉尼大学的模型试验等。同时，对灌浆后灌注桩的承载和变形机 理也进行了研究，1 9 8 6 年b r u c e 总结了钻孔灌注桩后灌浆方法的工艺和试验， 宏观地概括了这种方法对钻孔灌注桩承载力和沉降性质的影响n ，：1 9 9 3 年 f l e m i n g 分析了桩底灌浆方法对钻孔灌注桩承载力和沉降性质的影响，指出在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 灌浆过程中桩周土体对桩身产生了负摩擦力从而使桩的承载力提高“。 国内从8 0 年代初期开始这方面的实验研究工作，1 9 8 3 年原北京市建筑j ： 程研究所等单位在国内首先研究开发出预留注浆空腔方式的桩端压浆桩，1 9 8 7 年该所研究开发出桩底设置活动式隔离钢板的预留注浆空腔方式的桩端压浆桩 m 。1 9 8 8 年徐州市第二建筑设计院在国内首先研制开发出泥浆护壁灌注桩的预 留注浆通道方式的桩端压力灌浆技术。进入9 0 年代以来这方面的工作逐渐增 多，各行业在不同地区、不同工程地质条件下作了一定数量的试验研究工作， 并取得了一定的研究成果。从1 9 9 0 年开始，西南交通大学岩土工程研究所与一 些单位合作，先后在新乡、武汉、福州和扬州等地就桩端土层为中砂层、黏土 层、风化岩层、粉土层、卵石层等地层中钻孑l 灌注桩桩端灌浆工艺进行了试验 研究，取得了大量宝贵资料，为探讨其承载机理和工程应用创造了条件n 。1 9 9 1 年至1 9 9 3 年，西南交通大学与郑州铁路局合作成功地开发了弹性腔体封闭式灌 浆新工艺，用于灌注桩的桩端压密灌浆，并在一些工程中应用，取得了良好的 效果。1 9 9 3 年建设部建科院地基所在天津地区进行了灌注桩敞开式桩端压力灌 浆试验研究，并在多个工程中应用，取得了显著的经济效益和社会效益。 桩端压力灌浆技术在国内的使用虽然较晚，但取得了蓬勃发展，主要表现 在：桩端压力灌浆装置形式众多：灌浆工艺水平得到较大幅度提高和完善；不 少单位制定出适合当地情况的桩端压力灌浆工艺操作规程及质量控制标准；桩 端压力灌浆桩已成为土木工程深基础中一种重要的桩型，据不完全统计，国内 已有近3 0 0 幢多层、高层和超高层建筑桩基工程采用此类桩型；在开发桩端压 力灌浆工艺的同时，国内还开发了桩侧压力灌浆工艺，桩端桩侧联合灌浆可获 得更显著的经济、社会效益m ，。 2 1 3 桩端压力灌浆技术的分类 1 根据灌浆加固机理：桩端压力灌浆技术分为压密灌浆、渗透灌浆和劈裂 灌浆等。 压密灌浆是通过浆泡挤压邻近的土体来达到加固目的；渗透灌浆在于通过 浆液的胶结作用将松散的岩土体胶结成一整体，从而提高岩土体的强度；劈裂 灌浆是通过浆脉来挤压和加固土体，形成加筋土的效果。 压密灌浆的加固作用强，但影响范围小，适合于加固小范围土体；渗透灌 浆浆液的扩散范围与浆液中固体颗粒的大小和灌浆压力有关其加固的范围与 土体的密实度、浆材性质等因素有关，常用于粗颗粒土地层中，如砾卵石、粗 砂、裂隙岩石等；劈裂灌浆在压力作用下，浆脉延伸较远，因而适合于加周大 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 体积的土体。 2 根据灌浆管的埋设方法：桩端压力灌浆技术分为桩身预埋管灌浆和钻孔 埋管灌浆。 桩身预埋管灌浆是在沉放钢筋笼时，将灌浆管固定在钢筋笼上一起放入孔 内，灌浆管可预埋在桩的中心和桩侧，该法施工简单，是桩端压力灌浆技术中 常采用的方法。 钻孔埋管灌浆又分为桩身中钻孔埋管灌浆和桩外侧钻孔埋管灌浆。桩身中 钻孔埋管灌浆常用于处理桩的质量事故以满足设计要求，具体做法是，成桩后 在桩身中钻一个以上的孔，并深入到桩端持力层一定深度，然后放入灌浆管， 进行桩端压力灌浆。桩外侧钻孔埋管灌浆往往在桩身质量无问题但需要提高承 载力满足设计要求时采用，具体做法是，成桩后沿桩侧周围相距o 2 o 5 m 钻 孔，并深入到桩端持力层一定深度，然后放入灌浆管，进行桩端压力灌浆。 3 根据灌浆形式和工艺：桩端压力灌浆技术分为开式灌浆和闭式灌浆。 开式灌浆是把浆液通过灌浆管( 单、双或多根) ，经桩端预留特殊灌浆装置， 直接注入桩端土、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。 闭式灌浆是将预制的弹性良好的腔体( 又称承压包、预承包、注浆胶囊等) 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 着灌浆压力和灌浆量