灌注桩后压浆工法.ppt

1 钻孔灌注桩后压浆工法 报告人 胡启胜2015年4月 山西裕祥基础工程有限公司 2 摘要 本文简述钻孔灌注桩应用后压浆工法的工艺及其机理 并根据工程检测成果 分析该工法对提高单桩竖向承载力 改善桩基承载功能的效果 关键词 灌注桩后压浆工艺 桩端设柔性注浆腔压浆技术 桩侧压浆技术 山西裕祥基础工程有限公司 3 0 概述灌注桩后压浆技术 国外通用英语名为Externalgrouting 国外多习惯用Postgrouting 是土体加固技术与桩工技术的有机结合 分为桩身后压浆 shaftgrouting 与桩端后压浆 basegrouting 要点是在桩身砼达到预定强度后 用注浆泵用水泥浆或水泥与其它材料的混合浆液 通过予置于桩身中的管路压入桩周或桩端土层中 桩周 身 压浆会使桩土界面的几何和力学条件得以改善 桩端压浆将使桩底沉渣 施工桩孔时桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密 进而提高桩的承载能力 山西裕祥基础工程有限公司 4 1 分类1 1桩端后主注浆施工工艺分类目前可归纳为两大类 一类是在桩底予置柔性注浆腔 囊 通过桩内予置的导管向腔中压入水泥浆形成扩大头 并挤压加密周围土体 简称桩端封闭式后注浆工法 图1a 另一类是在桩底由予置管式单向阀与内导管组成后压浆装置 简称开放式后压浆工法 图1b 山西裕祥基础工程有限公司 5 a 封闭式柔性胶囊结构示意图 b 开放式注浆装置示意图图1桩端后压浆示意图 山西裕祥基础工程有限公司 6 1 2桩侧压力注浆工艺分类按桩侧注浆管设置分为沿钢筋笼纵向设置 图2a 和沿钢筋笼环向设置 图2b 两类 a b 图2桩侧后压浆示意图 山西裕祥基础工程有限公司 7 2 后压浆技术发展过程史D ABruce指出 桩端压力注浆桩自1961年在修建法国Maracaibo大桥桩基中首次应用以来 得到了广泛的应用 1 之后 法国 专利编号2331646 英国与德国等都开展了桩基后压浆技术的研究应用 大多用有柔性腔封闭式工法 我国孔德华1992年提出并获得实用新型专利 ZL922026246 封闭式后注浆工法 西南交通大学岩土工程所研究开发的腔式桩端压力注浆装置 与1994年鉴定完成 从理论与实践上系统地进行了研究并得到较为广泛的应用 山西裕祥基础工程有限公司 8 无容器的开放式桩端后压浆工法 我国是从上世纪八十年代后期 1987 由北京市建筑工程研究所首次开发的 是在长螺旋成孔基础上 在桩底设置固定式隔离钢板 用钢管与PVC管的组合管为注浆管 承载力可提高1 2倍 后在北京 沈阳 锦州地区得到推广 国外W G KFleming 1993 指导了用X形注浆管形式的开放式后注浆工法 示意图见图1b 对于无容器开放式桩底注浆工法 压入桩底的浆液可直接进入土体 固化沉渣 而且通过渗透注浆 粗粒土 或劈裂注浆 细粒土 作为对桩底一定范围内的土体相应的加固 但其浆液注域可控性低 护臂泥皮厚时 易出现桩壁有夹泥带现象 山西裕祥基础工程有限公司 9 侧壁注浆与上述桩端后压浆工法开发时间一致 由于山西地区桩端大多落在坚实好地层上 桩侧注浆工法在山西应用中承载力增幅远低于桩端后注浆工法 因此 本文对桩侧注浆工法不多叙述 仅将欧洲灌注桩施工规程 Executionofgeotechnicalwork BoredpilesprEN15361997年1月 附图示供参考 见图2a 从注浆技术的要求考虑 良好的土体注浆工法需满足定向 定域与定量 三定 要求 即注浆机理明确 明确其作用是渗入充填压密胶结 还是劈裂注浆 工法的内容 步骤与参数都很清晰 浆液流动方向及注浆域可控 注入量控制在预计量 20 为好 按照上述要求 有容器封闭式注浆工法应是桩端后注浆首选工法 欧洲诸国多选此类工法 山西裕祥基础工程有限公司 10 3 施工要点3 1注浆压力对有容器封闭式后注浆工法 它是按照渗入充填胶结与压密混合注浆理论进行的 即注入的浆液是在有压作用下的流动 它首先克服管路等的阻力而渗入腔内碎石等物质的孔隙中并形成结石 浆液注入压力宜控制在受灌碎石体结构不致破坏 只能使胶腔体被充满结石 同时桩端沉渣体中的水分被挤走为宜 此时 胶腔体的强度要能够满足不致胀破 现以河南巩县煤炭铁路专用线里沟桥桩基后压浆试桩情况为例 2 桥试桩桩长10 15 10 25m 设计桩径0 5m 地基土为轻微湿陷性黄土 孔隙比e 0 823 液性指数IL 0 37 湿陷系数s 0 02 厚度达到15m 采用有胶腔的封闭式桩端后压浆工法 完成试桩3根 有关试桩的资料列于表1及图3 a 与 b 山西裕祥基础工程有限公司 11 表1 内数值为实际成孔值 山西裕祥基础工程有限公司 12 a 试验场地布置图 单位m b 各试桩的P S曲线图3 山西裕祥基础工程有限公司 13 显示出实测得出的桩顶荷载P 沉降S与桩侧平均摩阻力Pf 桩端阻力Pe的关系曲线 见图4 图5 从图示可看出 各桩的Pf Pe与桩顶沉降S的关系没有本质的区别 图4试桩桩顶荷载P与Pe Pf关系曲线 山西裕祥基础工程有限公司 14 图5试桩桩顶沉降S与Pe Pf关系曲线 山西裕祥基础工程有限公司 15 桩顶只需几毫米的沉降 就可使桩侧阻力得到充分发挥 并很快达到极限状态 按A B桩桩长及桩径计算 其极限侧阻力平均值达到108 06kPa A桩为107 4kPa B桩为109 8kPa 较常规的C桩侧阻力值86 6kPa提高25 4 表明只是经过桩端后压浆的A B两桩的侧阻力Pf值也较常规桩C为大 说明桩端注浆能够使桩周土的性质 桩土界面性质有所改良 对于端阻力Pe A B桩端阻力Pe分别为758kN 与580 7kN 均值669kN 其极限端承力特征值达到2623kPa C桩端阻力Pe分别为231kN 相应极限端承力特征值为1009kPa 表明经过后压浆 A B桩极限端承力特征值较常规C桩提高1 59倍 山西裕祥基础工程有限公司 16 需指出的是各桩达到极限荷载时 桩顶沉降值差别很大 未压浆的C桩 最大沉降分别为48 88mm 相应的桩顶最终加载量为2000kN 而A B两桩的相应沉降值分别为75 26mm和76 67mm 桩顶荷载值分别为3000kN与3200kN 产生的主要原因是由于桩底注浆液时 胶腔发生破裂 浆液中的水渗入黄土中 造成桩端持力土体局部增湿 使土层局部软化 强度降低 并引起沉降所致 因此 压浆时 压力控制在不应使胶腔产生破裂是很重要的 对于黄土地区尤甚 胶腔材质要求标准为 抗拉断裂强度 147MPa 断裂伸长率400 山西裕祥基础工程有限公司 17 注浆终止压力 关于封闭式胶腔桩端后注浆工法的理论 采用Vesic提出的球体空腔扩张理论 膨胀理论 向桩端柔性胶腔注入水泥浆 浆液与腔内的充填骨料密实结向外扩挤 形成向腔周围土体施加的压力 在这种均布径向膨胀力的作用下 腔外一定厚度的球形区域达到塑性平衡状态 随着压力增长 塑性平衡区也不断膨胀 直到腔体压力达到抗剪强度极限条件 见图6 图6灌注桩后压浆压力的控制分析 山西裕祥基础工程有限公司 18 注浆极限控制压力Pu可用下式确定 3 式中 Pu 注浆控制压力 kPa q 桩端土的初始 上覆土体自重 压力 kPa C 桩端持力土层的抗剪强度参数值 kPa 度 山西裕祥基础工程有限公司 19 Rp 腔体扩张引起的塑性区最大半径 m 见图6 Ru 腔体半径 近似值 Q 腔体注浆量 m3 Ir 刚性指标 模量强度比 桩端土的泊松比 E 桩端土的弹性模量 kPa 桩端土的塑性区平均体积应变 山西裕祥基础工程有限公司 20 上述诸因素中 除体积应变 选取应精细 对于无粘性土 主要的影响因素是桩端的埋置深度 即桩长 和桩端持力层的内摩擦角 a 无粘性土 上覆压力q 0 4MPa b 粘性土 山西裕祥基础工程有限公司 21 c 与上覆压力的关系图7注浆极限压力 山西裕祥基础工程有限公司 22 对于中密以上的砂 砾 卵 石土 目前常用的注浆压力为3 4MPa 对于粘性土与粉土 压力一般均小于3MPa 终止压浆压力宜控制为上述常用压力值的2倍内 过大时会使桩端土体接近于 甚至超过极限压力 对于将来承受基础荷载是不利的 应用球体扩张理论和相应解析式 可得到压力控制的一些建议标准 见图7 供参考 这些建议标准的应用效果是良好的 确定实际压力控制值时尚应综合注浆工艺及胶腔的质量 强度及延伸率 等因素 山西裕祥基础工程有限公司 23 3 2桩顶抬升随着浆液逐步压入胶腔 会使腔体的周围呈辐射状扩压 挤压腔周地层 并通过均压桩端预置于胶囊顶部的钢板 使桩体产生微量抬升 一般控制抬升量在0 5 1 5mm 不应超过3mm 钢板应由足够刚度 我们据试验规定 其实际厚度为2 5 3 0mm 3 3水泥浆体当水灰比小于0 8特别是达到0 5 0 6时 水泥浆体是塑性体而非牛顿体 在小管径管内流动时比较困难 需要克服较大的阻力 要求加大供浆泵压 虽然压力大了易于流动 但是会使浆液在浆管出口及渗入胶腔石粒空隙通道中的流动状态和条件出现变化 如触变 絮流等 这将不利于渗入注浆与压密扩腔作业 因此 国内外许多注浆工法都建议 对水灰比小于0 8的浆液注浆时 注浆管径宜不小于30mm 山西裕祥基础工程有限公司 24 再者 根据我们采用水灰比为0 55 0 6水泥浆的经验 为了增加浆液的流动性 加入适量的木钙等减水剂是可行的 同时宜在浆液中加入少量的悬浮稳定剂 如5 8 的粘土 压浆流量一般用50 75L min 关于浆液结石率 一般为85 88 平均为86 在腔内填充粒料设计合理 浆液中加必要的防止失水收缩的微膨胀剂时 会取得更好的注浆结石效果 3 4注浆用水泥材料建议使用P O型普通硅酸盐水泥或高早强水泥 而不选用P S型矿渣水泥 后者早期强度低 干缩性大 且抗碳化能力差 曾在多个工地进行两类试块的测试 平均结果如表2 山西裕祥基础工程有限公司 25 表24 承载性能机制分析图8 图9分别为各试桩的轴力分布 桩侧摩阻力分布及其发挥过程 山西裕祥基础工程有限公司 26 图8各试桩的轴力图图9各试桩桩侧摩阻力分布图 山西裕祥基础工程有限公司 27 从图8a b注浆桩与常规C桩的桩轴力图比较说明 由于桩端后注浆过程中会使桩端土压实 引起桩 土刚度的改变 进而影响到桩体轴力的变化 图9试验曲线还可看出 加荷初期 前两级荷载 桩侧摩阻力的分布是上大下小 这是由于靠桩顶部分桩身压缩量大 桩土间产生相对位移 从而桩侧摩阻力得以发挥 而下部桩土相对位移小 摩阻力较少发挥 随着荷载的增加 桩身下部的桩土间相对位移量增大 桩侧摩阻力得以较充分发挥 如C桩 当桩顶荷载P为1600kN 地面下7m深处桩侧摩阻力达到138 7kPa 而当桩顶荷载P达到极限荷载1800kN 相应于7m的桩侧摩阻力达到161 3kPa 桩端附近桩侧摩阻力更大 9m深度也是如此 P 1600kN f 174 2kPa P 1800kN f 183 21kPa 对桩端后压浆桩的桩端附近 侧摩阻力增大为更明显 见图9之a b 山西裕祥基础工程有限公司 28 这是由于桩底下土层压实过程产生预压实 径向扩张与握裹作用的综合效果 见图10 可用极限滑动面理论表达 由于桩埋置较深 滑动面不会延伸到地面 又因为桩的对称性使滑动面所含的土体应是一个梨形体 通过桩轴线的任一截面所截得的图形如图10所示 这也是梅耶霍夫在求解深基础时所取得破坏图式 从图10可知 当桩端处的 区受压向下滑动时 将通过 区和 区的土体向 区的土体施加压力和剪力 最终迫使 区的土体压密并对桩体产生握裹作用 从而使得桩的摩阻力加大 另外由图10也可知道这种摩阻力加大的现象主要发生在桩的下部 山西裕祥基础工程有限公司 29 图10桩端后注浆机理示意 山西裕祥基础工程有限公司 30 综上所述 可认为桩端后注浆工法即可改良桩端土的承载性能 同时还能够提高其侧阻抗力 就本组试桩 侧阻抗力平均提高了25 4 端阻抗力平均提高了160 关于后注浆灌注桩承载力值 同济大学陈强华教授建议 可用预制钢筋混凝土桩的承载力参数来估算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 与公路桥涵地基基础设计规范 JTGD63 2007 均有专门规定 前已述及 桩端后注 压 浆工法分为管式开敞型后注浆与囊腔式封闭型后注浆两类 使用于除沉管灌注桩 挤土成桩孔 以外的各类钻 挖 冲击灌注桩 它是灌注桩的辅助工法 封闭性注浆前面已讲述了 现就开敞型后注浆的工作机理简述之 它是通过渗透 粗粒土 和劈裂 细粒土 形成在沉渣和桩端一定范围土体中扩散而起到加固作用 同时浆液还会循桩侧泥皮和软弱扰动层向上扩散 试验表明可向上扩散8 12m高 粗粒土低 细粒土取高值 对桩身侧阻力 山西裕祥基础工程有限公司 31 也有增强作用 对于后注浆灌注桩承载力的计算 有以下几种类型可参考 建筑桩基规范5 3 10条及相应增强系数表摘引如下 后注浆侧阻力增强系数 si端阻力增强系数 p 山西裕祥基础工程有限公司 32 注 应用上表时的初始值 端阻标准值是按桩基规范5 3 5条建议的侧阻值表5 3 5 1 端阻值表5 3 5 2采用 公路桥涵地基与基础设计规范 JTGD63 2007 5 3 6条建议的侧阻增强系数基本上处于 建筑桩基规范 的抵线值 端阻增强系数比 建筑桩基规范 低20 30 而且初始端 侧阻值 公路桥规 比 建筑桩基规范 一般低15 20 既反映后注浆工法不同引起的取值差异 也表明地质条件 工作环境条件差异带来的不一致 因而在应用增强系数时需与成桩初始条件参数匹配成套使用为宜 山西裕祥基础工程有限公司 33 5 工程实例5 1太原华吉大厦华吉大厦为两幢地上28层 地下2层的联合建筑 剪力墙结构 设墙下桩基 场地土质条件示于表3 试桩地段的地层条件及桩端持力层位见表4 有关试桩参数列于表5 山西裕祥基础工程有限公司 34 表3华吉大厦地基土条件表 山西裕祥基础工程有限公司 35 表4试桩地段地基条件 山西裕祥基础工程有限公司 36 表5试桩参数表 山西裕祥基础工程有限公司 37 静载试桩Q S曲线示于图11 SZ2试桩为未压浆普通桩 其Q S曲线形态表明 在曲线的末端明显变陡 取出现陡降的起始点为极限承载力Qu 则Qu可取9000KN 相应的沉降值为34mm S D 0 049 图11试桩Q S曲线 山西裕祥基础工程有限公司 38 对于经过桩端压浆的SZ1试桩与SZ3试桩 其Q S曲线形态由未压浆的陡降型转变为缓变形特征 而且1 3 两根桩的Q S曲线十分稳定 基本上可视为同一组试验曲线 1 试桩加荷至13MN时的沉降值S为23 4mm 相应的S D 0 033 3 试桩加荷至11MN 其时的沉降值S为17 6mm 而1 试桩在Q 11MN时的沉降为17 2mm 两者接近 因之可认为 这两根试桩的承载力值均大于13000kN 如将2 试桩折算为1 及3 试桩相同桩长及桩端持力层为中砂层 其极限承载力值可达到7000kN 这时经过压浆的桩承载力值比之提高了1 8倍以上 山西裕祥基础工程有限公司 39 5 2其它工程试桩原太路石宝高架桥原设计为桩径2 0m 桩长40 0m的钻孔灌注桩 但在施工过程中 当不同桥墩的桩端钻至22 4 27 9m时 均进入硬质石英质卵 砾石层 钻进极为困难 以每小时进尺小于20cm为准 考虑此层已是良好的桩端持力层 虽然桩长不及设计值 但采用桩底压浆技术可使其竖向极限承载力满足设计的要求 达到10000kN 试桩成果列于表6 山西裕祥基础工程有限公司 40 表6试桩成果汇总表 山西裕祥基础工程有限公司 41 对于钻孔灌注桩 当桩端有砂 砾石等良好持力层时 采用适宜的桩底压浆措施可大幅度提高桩的承载力 同时能够减少桩的变形量 并保证群桩沉降的均匀性 即桩的承载工作性状得到显著改善 同时亦可根据持力层的赋存条件 选择减短原设计桩长并采用桩底压浆的方式来达到设计对桩承载力的要求 6 结语采用后压浆工法对提高基桩竖向承载力的效果是显著的 提高幅度与采用的工艺参数 方法 持力地层条件与桩的长度 入土深度 等因素有关 据山西地区30余项桩端封闭式后压浆桩基工程的数据 承载力提高幅值为同条件常规桩的1 1 5倍 需说明的是试桩一般只加荷至设计值的两倍或略超 并未真正达到极限值 而桩顶沉降有大幅降低 一般降低率有40 60 相应的沉降值为10 15mm 并重视下述几点建议 山西裕祥基础工程有限公司 42 1 对于钻孔灌注桩实施合理的桩底后压浆 能够大幅度提高桩的竖向承载力 并改善其承载工作性状 2 适宜的注浆工艺与参数的选定是保证压浆成功的重要因素 施工时既应控制注浆压力 又需保证合理的注浆量 宜采用两项标准同步控制 单桩注浆量估算 对桩径0 6 1 0m 桩长20 40m的钻孔灌注桩 可用式Gc pd 式中Gc 注浆量 t 以水泥用量计 p 桩端注浆量经验系数 取1 8 2 2 与开敞型注浆量系数不同 开放型注浆量系数可参见 6 7及附录N后压浆关键技术参数 d 桩径 m 3 桩底设柔性注浆腔的压浆工法 施工效果稳定 作用明确 机理清楚 不仅能够提高桩的端阻力 而且可提 山西裕祥基础工程有限公司 43 高桩的侧阻力 同时 在合理选择桩端持力层条件下使缩减桩长成为可能 这样就可降低桩工施工难度 有效利用桩材 并能取得显著的经济效益 具有良好的发展前景 选录18项工程中28根后压浆钻孔灌注桩的试验资料选入附表作为示例 供参考 注 附表中 计算极限承载力 是采用土的物性指标依据 建筑桩基技术规范 JGJ94 94 式5 2 8计算得到的单桩极限承载力标准值 在侧阻 端阻参数取值时 一般取中值 使用冲击成孔时 考虑到扩径因素充盈系数一般取1 2进行承载力修正 表中统计的28根试桩静载荷试验数据 由于设计的要求 一般试桩均未达到桩的极限承载力 因而统计的承载力提高幅度相差很大 山西裕祥基础工程有限公司 44 1 承载力提高幅度100 150 的试桩 表中所列的城市花园 军区高干楼 文汇苑 并东1 高层 铁三局五个工程 是试桩时允许加大试验荷载 2 承载力提高幅度小于35 的试桩 表中所列的引黄调度楼 省人民医院外科楼 山西鑫茂商业中心3 8 试桩 试桩荷载值按满足设计要求即可 3 承载力提高幅度50 100 的试桩 试桩荷载控制在相应的桩顶沉降量为15 20mm即可 4 上述试桩资料均由山西裕祥基础工程有限公司提供 特此致谢 山西裕祥基础工程有限公司 45 附件 山西裕祥基础工程有限公司 46 工法关键技术鉴定证书晋建科鉴 2005 002号成果名称 钻孔灌注桩胶囊式桩端后压浆技术完成单位 山西裕祥基础工程有限公司鉴定形式 会议鉴定组织鉴定单位 山西省建设厅鉴定日期 二00五年六月二十四日鉴定批准日期 二00五年六月二十五日 山西裕祥基础工程有限公司 47 简要技术说明及主要技术性能指标一 简要技术说明钻孔灌注桩胶囊式桩端后压浆技术是在钻孔灌注桩的桩端设置一定形状和规格要求的注浆腔 灌注成桩后对桩端的胶囊按一定压力和数量注入水泥浆 达到提高基桩承载力的目的 注浆腔由胶囊 胶囊盖板 3mm厚钢板 及腔内连接器和充填料组成 胶囊盖板上设置两根 30 42 mm的钢管 一根是输浆管 另一根是检查管 把胶囊固定在钢筋笼的下端并与钢筋笼一起下入钻孔中 胶囊盖板上的两根钢管逐节连接并冒出地面1m左右 然后按照正常灌注桩施工方法灌注混凝土 桩体混凝土达到7天龄期后 开始进行后压浆 注浆采用P O32 5普通硅酸盐水泥 水灰比0 8 注浆压力不大于3 0Mpa 桩体抬升0 5 3 0mm 注入水泥量多少要根据单桩承载力设计值的大小确定 经压浆处理后单桩承载力比普通灌注桩提高50 100 山西裕祥基础工程有限公司 48 二 主要技术指标1 注浆腔为柔性胶囊 壁厚2 0mm 其拉伸强度大于14Mpa 拉断伸长率大于400 胶囊盖板为圆形钢板 厚2 7mm 直径小于桩径100mm 柔性胶囊内设置有连接器并填入充填料 2 注浆管为两根直径30mm的焊接钢管 由多节钢管用管箍连接而成 注浆管要冒出地面1m左右 3 桩体灌注7天后开始进行注浆 注浆材料为P O32 5普通硅酸盐水泥 水灰比0 8 注浆压力不大于3 0Mpa 桩体抬升不大于3 0mm 注入水泥量要经计算确定 4 经后压浆处理后的灌注桩单桩承载力比未注浆的普通灌注桩提高50 100 山西裕祥基础工程有限公司 49 推广应用前景与措施该工法的核心技术是由西南交大岩土研究院开发的 经我公司生产实践中历时5年不断改进和完善 使其形成目前较成熟的工法 本工法的关键技术有大量的载荷试验数据作基础 通过对测试数据进行数值分析 对后压浆桩的载荷传递和承载性状进行了系统研究并提出了后压浆桩承载力提高幅度与相应的沉降量之间的数学关系 由于后压浆灌注桩能极大地提高单桩承载力 承载性状稳定可靠 工艺简便易行 成本较低 在试用期间被广大设计人员接受 使用该技术可以缩短施工期 加快施工进度 减少桩基成本30 40 由于后压浆桩的沉降量比未注浆的普通灌注桩明显降低 改善了建筑物基础的受