灌注桩后压浆法的加固机理及应用.doc

灌注桩后压浆技术的加固机理及在桥梁桩基上的应用摘要：灌注桩是铁路桥梁建设中普遍采用的基础形式，通过灌注桩后压浆处理，可以提高细粒土中钻孔灌注桩的承载力，以达到降低造价、减少工程投资、缩短工期的目的。着重探讨后压浆技术对灌注桩承载力高所起的作用机理和灌注桩后压浆施工工艺，通过对郑西客运专线新渭南高架车站桥梁钻孔灌注桩后压浆技术应用的试验分析，证明灌注桩后压浆技术能显著提高桥梁桩基承载力。1 钻孔灌注桩后压浆技术的作用机理1.1 传统钻孔灌注桩存在的问题灌注桩的单桩承载力，在桩身混凝土强度足够的情况下，主要取决于地基对桩的阻力。地基地对桩的垂直阻力是由桩侧表面摩阻力和桩底土层支承力组成（注1）。桩侧摩阻力的大小取决于土层性质和桩周面积，在相同土层中，采用的成孔方法不同，桩的侧摩阻力亦有一定的变化，而桩端土的支承力的极限值主要取决于持力层的物理力学性质以及桩体嵌入持力层的深度。但施工质量的好坏，特别是能否有交往控制孔底沉渣或虚土，对端承力的发挥具有决定影响。对于钻（挖）孔灌注桩而言，在实际工程应用中，影响承载力发挥的主要因素有以下几个方面：（1）桩底沉渣削弱桩端阻力。在桩基施工过程中，在灌注混凝土前日的这段时间内都会产生沉渣。虽经清孔使孔底沉砟厚度达到设计标准，但所余沉渣形成一个可压缩的“软垫”，从而导致桩端阻力降低，沉降增加。（2）桩侧泥皮削弱桩端阻力。在成桩过程中，由于地层条件、施工工艺、地下水等因素的影响，在桩外表面与孔壁之间形成一层厚度可达1020mm膏状的黏性土，俗称桩周“泥皮”。泥皮中黏粒含量非常高，在饱和状态下，塑性极好，抗剪能力差，在外力作用下极易塑性流动或滑动，即使在地下水位较深时，水位线以上部分的桩周泥皮要固结成原状土状态也需很长时间。由于泥皮的力学性能差，并且有一定的润滑性，当该层泥皮达到一定厚度时，就使桩周摩阻力大幅度降低。（3）成孔过程中，发生的应力释放和机械振动，使原有土层的内部结构状发生改变，使土层变松散，从而影响了承载力的发挥，而设计承载力是以原有土层的物理力学性质为依据。近年来，随着桥梁向大跨径和建筑物向超高层化的发展，对于灌注桩的单桩承载力提出更高的要求。为克服传统桩型的通病，在提高承载力的前提下，开发技术上可靠、可行、经济上合理的新桩型、新工艺，成为桩基技术发展的一个重要方向。1.2 桩后压浆技术的作用机理（注2） 桩后压浆技术提高桩基础承载能力，改善基础沉降性能，主要通过桩端压浆和桩侧压浆来实现。桩侧压浆是指由桩侧的预埋管压入水泥浆，通过浆液的挤密方式，消除灌注桩的桩侧泥皮的固有缺陷，改善桩土界面，使桩周一定范围的土体得到加固，土体强度增加，增大桩侧摩阻力，从而大幅度提高单桩承载力。在砂中进行桩后压浆技术，被加固土体孔隙隙部分为浆液充填，散粒被胶结，土体强度和铡度大幅度提高。当被加固体位于桩侧时，桩侧阻力因桩径扩大效应而增大，这就是充填效应。对黏性土、粉土进行桩后压浆技术，单一土体被加筋成复合土体，复合土体的强度变形性状由于加筋作用而大为改善，提高总桩侧阻力，形成桩后压浆产生的加筋效应，具体来说，桩侧压浆提高承载力的机理为：（1）桩侧压浆是在钻孔灌注桩桩身（或桩侧土中）通过预先埋置的压浆管将水泥浆压入桩侧土中，浆液充填桩侧混凝土与桩周土体间的孔隙，从而提高了桩侧摩阻力。 （2）桩侧压浆可以消除孔壁泥皮对桩侧摩阻力的影响。由于压浆是在基桩完工后230天内进行的，此时泥皮性能不稳定，在压力的扰动下，不稳定的泥皮被破坏，和浆液一起形成水泥黏土浆，而后重新胶结成型，形成了抗剪强度较高、与桩身牢靠粘结的环形固体。 （3）桩侧压浆，浆液充填了桩周土层中的孔隙，挤压密实了由于成孔时受泥浆浸泡而松软的桩周土，提高了土的抗剪强度。浆液和桩周土混合，形成了一层复合型桩身，模糊了原桩身与桩周土的界线，相当于增大了桩径，增加了桩侧摩阻力的作用面，从而提高了总摩阻力。 （4）随着注浆压力的增大，浆液向较弱的桩周土体中渗透，起渗透劈裂作用，浆脉则像树根一样横向渗入土体，从而改善了桩土的受力状态。 （5）桩侧压浆起挤密桩侧土体作用，使桩周土侧压力增大，对于摩擦角较大的砂类土，抗剪强度会增大。 （6）高压注浆还可以对质量事故桩进行加固，浆液以充填、渗透和挤密的方式，取代缺陷部位孔隙内的水分和空气，使原来松散的部位被水泥浆胶结固结，并与完好桩身胶结，形成一个整体，起到隋性充填作用和化学胶结作用。总体而言，桩后压浆技术的作用机理是在桩体形成后，由桩端和桩侧的预埋管压入水泥浆，通过浆液挤密方式，消除泥浆护壁灌注桩的桩侧泥皮和桩底渣的固有缺陷，改善桩土界面，使桩周一定范围的土体得到加固，土体强度增加，增大桩侧摩阻力和端承力，从而大幅度提高单桩承载力和减少沉降。在砂类土中进行桩后压浆技术，被加固土体孔隙部分地为浆液充填，散粒被胶结，土体强度和刚度大幅度提高。当被加固体位于桩底时，桩侧阻力因扩底效应而提高；当被加固体位于桩侧时，桩侧阻力因桩径扩大效应而增大，这是充填效应。对于黏性土、粉土进行桩后压浆，单一土体被加筋成复合土体，复合土体的强度变形性状由于加筋作用而大为改善。桩顶受荷后，桩侧、桩端的复合土体能有效地传递和分担荷载，从而提高总桩侧阻力和总桩端阻力，这就是桩后浆产生的加筋效应。2 桩后压浆技术特点 相比较传统常规钻孔灌注桩的施工方法，采用桩后压浆技术有以下优点：（1）保留灌注桩的各种优点；（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，形成水泥扩大桩头，可以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。桩后压浆技术可靠，经济上合理，可以进一步在钻孔桩施工中推广使用。3 钻孔灌注桩后压浆技术的施工3.1 压浆方式采用单压：钢筋笼两侧设2根直管，当2根直管畅通时轮换压浆达到均匀压浆，压浆管的布置图见图1。3.2 压浆设备与施工工艺（注2-3）3.2.1 压浆设备（1）压浆泵；（2）高压管（高压皮管及其进出的接头在10Mpa压力下紧密不松脱）；（3）拌浆机；（4）贮浆筒（与拌浆机配套机具，在原钢丝过滤网上，再另加滤网）。 3.2.2 压浆工艺流程制作钢筋笼压浆系统管件-成孔-下钢筋笼-，安装压浆管件-接长压浆管路-灌注混凝土-连接压浆泵管路-试压水-配制水泥浆-压力注浆-卸除并清洗临时地面管路。3.2.2 压浆管的加工压浆管用镀锌钢管，以活接头连接，并用生胶带保证水密性，管伸出护筒顶面5070cm。桩底喷浆管也为镀锌钢管，直插入沉渣底部，喷浆管每隔50mm钻注浆孔一个，喷浆管用手拉车轮内胎裹住，外用细铅丝绑扎，以防泥砂堵孔。3.2.3 压浆管的安装压浆管用铅丝绑扎在钢筋笼的加强箍筋上。最薄弱部位是注浆管的接头，一旦横向受力折断，通路受堵，将导致压浆失败 。为此，对注浆的接头部分，在钢筋笼的加强箍筋处再用钢筋将注浆管与主筋绑焊，以加强刚度。在第一节钢筋笼起吊时，严防注浆管横向在地上拖移而折断。随着钢筋笼的逐节下沉，接长直管，要铰紧接头，使其密封不漏水。每节水管都要以注水检查其密封性能，如管内水压稳定，说明压浆管完整无损。最后在管顶端设回止阀。3.3 保证施工压浆的质量措施（1）压浆管是保证压浆质量的关键，压浆管的连接必须牢固密封，与钢筋绑扎稳固，在下笼时严禁冲撞，尤其是最下端的压浆管容易折断，或密封轮胎被擦破。因此，在每接一根管时，要经过注水检查，凡是能保持水管水面稳定的，则密封完全无破损。如发现水管漏水现象，要重新吊起钢筋笼，更换损漏的管节：（2）下钢筋笼时，必须对准孔位中心，这不仅是常规的钻孔灌注桩成桩的质量要求，也是后压浆中重要的一环节。如果钢筋笼的孔位偏差，使一侧压浆管壁混凝土保护层过厚，浆液难以冲破，造成一侧堵管，如只有一根管单侧压浆，可能造成压浆不均匀，桩端的球体不完整；（3）甲、乙两压浆管的浆液量必须大致相等，在一定的泵量下，终止泵压要超过1Mpa，否则，要调整泵量或者通过降低水灰比、提高浆液稠度来提高泵压。另外，还须做好压力注浆的原始记录，甲、乙两管要轮换注浆；（4）经常检修浆泵，尤其是易损的部件，如密封圈等，确保其运行良好。对所使用的水泥浆要经滤筛过滤，在贮浆桶中要不断搅拌，以免浆液沉淀。4 铁路桥梁灌注桩后压浆技术的应用郑西客运专线新渭南高架车站桥位于渭南市北郊的渭河一级阶地上，地形平坦，地势开阔。工点区出露地层主要为第四系全新统湿陷性冲积黏质黄土、粉质黏土、砂类土及人工填土等松软土层，给钻孔桩灌注桩后压浆技术的应用提供了条件。根据现场对位于DK417+490处的设计桩径为1.25m，桩长为40m的摩擦桩进行后压浆技术试验检测，得出桩侧摩阻力对比结果见表1。分析表明，采用后压浆技术桩侧土摩阻力提高1.2倍、桩端阻力提高2.5倍后，桩长可减短15%25%，优化效果比较明显。采用桩后压浆技术，可使桩基沉降大幅度减少。本次试验显示，不压浆试桩加载至4400KN时，桩底位移为33.45mm，而后压浆试桩加载至12500KN时，桩底位移仅为6.76mm，表明压浆桩在承受更大荷载的情况下，降远小于不压浆桩。因此，采用桩后压浆可以有效控制桥梁桩基础的工后沉降，这对于工后沉降要求很高的客用专线及高速铁路有非常大的利用价值。综上所述，