泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用.pdf

1握 流 泣 浆 冽 第2 期 建 筑 科 学B UI L DI NG S CI E NCE 1 9 9 6 年 泥浆护 壁灌注桩后注浆技 术及其应 用 中 国 建 筑 础 研 L i ；(中 国 建 筑 瘟 瑶 础 研 究 所)“【提 要】本 文简 要介 绍中国建 筑科 学研 究院地 基基础研究所于近 年新开发成功 蜘泥 裳 护壁 灌注桩后 洼浆技术 的原 理、土体加 固机理、桩承 载力 增强效应、实施 中的有 关问题、经 济效 益 等。1 前言 随 着找 国高层 建筑 的发展，对单 桩承 载力 的要 求 愈来愈高，桩径、桩长相 应增大，无 论南 方北方，泥浆护 壁灌注桩 的使用愈 来愈 多。这类 桩固有的工艺 缺陷 桩底沉渣和桩侧泥皮 问 题始终是制约单桩承载 力和 质量稳定性的主要 因素。大量试验 资料表 明，桩底沉渣和桩侧泥皮 过厚会导致端阻力和侧 阻力显著降低。因而，研 究开发 一种有效 措施 处理沉 渣和泥皮，提高这 类桩 的质量可 靠性和承 载力 已成为 当前桩基工 程 中急待解决 的重大技术 问题 8 o 年代 初，北 京等地 区曾应用桩 底注 浆法 处理砂砾石持力 层干 作业 灌注桩桩底虚土和提 高其端 阻力 的试 验和 工程实 践，取 得 了 良好效 果。对于泥浆 护壁 灌注 桩的后注 浆处 理，要 比干 作 业灌注桩 复杂碍 多，一是 要求注浆管、阀能承 受 外部 水压和 浆液 高压，浆液既 能顺 利排出 又 不 致 回流 二 是注浆 管 阀是在隐 蔽条 件水 下埋 设，需避 免其 为混 凝土 所包 裹而失效。国外泥浆护壁灌注桩应用虽远不如我国普 遍，但对于 后注浆处理技术 仍很 重视。然而他 们 采 用 的桩底注 浆装 置复杂 而价高，桩侧 注浆是 通过埋设于钢筋 笼上的带 阀钢管 冲破混凝土保 护层 而实现，因而 需在 成桩后2 天 内进行，不仅 与成桩施工交 叉作 业，而且成功率不超过8 0 。1 9 9 2 年我们首先研 究开发成功 泥浆 护壁灌 注 桩桩底后 注浆 技术，随后 又开发 成功桩侧后 注浆技术。两者的注浆装置在构造、埋 设、工艺、效 果 等方 面 都较 国 外先进，具 有技 术 简单、易 行、价廉、可靠性 高，便于推广应用等优点。当需 对 桩身的结 构完 整性进行 超声检 测时，可利 用 注浆钢导管(直径加大至1 5 2 时)先行超声检 测，然后注浆。注浆钢导管可取代等截面的钢筋。到 1 9 9 5 年 l 2 月，全 国已有8 个城 市l 4 项高 层 建筑桩基工程 中应用后注 浆技 术。桩底、桩侧 后 注浆 技术已分 别获国家两项专利。2 后注浆工 艺简述 2 1 桩底后注浆 配制好的水泥浆液经压浆泵加压输入设置 于钢 筋笼 上 的钢 导管，高压浆 液冲 出导管底部 的单向阀(逆止阀)，通过渗入、劈裂作 用注入桩 底 一定范 围的 土体 中 高压浆 液注入 桩底 附近 土体 中的 同时，一部分 沿软弱 桩土界 面上扩 至 桩底 上l O 2 0 m，甚 至更高 的范 围 2 2桩倒后注浆 桩侧后注 浆是将 高压 浆液输 入钢 导管，钢 导管 与设置 于钢 筋笼 外侧 的加筋 P VC管 相连，P VC管 上设 置 单 向 注浆 阀。带 单 向 阀的 P VC 管可根据 土层、桩长呈花瓣形 布置2 4 个断面；也可 沿桩长呈波浪形纵向布置2 3 排。注浆 后，在注浆点处形成扩头，桩表 面形 成“浆液 套”。维普资讯 3 后注浆机理与土体注浆效应 3 I 不同土层的可注性分析 浆液注入土 中的临界压力为：P。户 +户T(1)式 中P。注浆点浆液 出 口临界压力；P 注 浆点的静 水压力；P 被注 土 体 的抗 注 阻 力；或为 土体 的抗 渗 阻力；或 为 土体 的劈 裂 阻 力；或为土体的压密 阻力。注 浆机理 随土层类 别、性质、上覆 压力、边 界条件等而变化，可分 为下列三种情况。3 1 1渗入性 注浆 浆 液克服粒 问抗 渗阻 力，在 土体结 构 不被 破坏 的条件 下，连续渗入 土体 的天然 孔隙。实现 渗入性注浆 的前 提条件是 浆材颗粒尺寸远小于 孔 隙尺寸。对于 粘性 土、粉土，由于 自身 的粒径 很 小，即使在其孔 隙比较大 的情 况下，其相互连 通 的有效 孔 隙仍 然很 小，因此，仅 对于 卵砾 石、粗中砂存 在渗入 性注 浆的可 能。实现渗 入性注 浆的前 提条件是可注指数 需满 足 N 一 D1 51。1 5 (2)式 中D 砂 砾 土 由小到大 的粒径 分 布 曲 线中，小于某粒径 含量1 5 所对 应的粒径；以 注 浆 材 料 中 小 于 某 粒 径 含 量 8 5 所对应 的粒径。水 泥 的最 大粒 径一 般 为6 O 1 0 0 m(0 0 6 0 i mm)，水 泥强度 等级 愈 高，d。愈小，从 而 使 愈大，可 注性愈好。对 于砂 砾，D 0 6 1 0 ram，即满 足式(2)1 0 1 5；其粒度 愈不 均 匀、粒径愈大，愈大，可注性愈好。除按 式(2)评价砂砾 的可注性 外，尚可按土 的渗 透系敦 进 行评 价，当 2 1 0 3 1 0 c m s时，可 实现渗 入性 注浆。3 1、2 劈裂注 浆 高压浆液克服土体最小主应力面上 的初始 压应 力和抗拉强度，使其 劈裂，浆液沿劈裂 面注 入土体，随着劈 裂注 入的发展，土体 主应 力面发 1 4 生变化 从而形成 网状结石。劈裂注浆一 般发生 于粘性土、粉 土、粉细砂 中 由于 劈裂面受到 浆 液 附加压力 因而使土体 中出现超孔 压 并伴随 着 土体 的压缩 固结。因此，对 于低强度、高 渗透 性 土层 劈裂 注浆所形成 的 网状 结石较稠 密，扩 展范 围随之减 小；反之，对于低渗 透性 的淤 泥、粘 性 土，网状 结 石 较 稀 疏，扩 展 范 围较 大。泥浆 护壁 灌注桩桩侧 土 因扰 动 而软 化，往 往在桩表面附着一层泥皮，注浆 时 高压浆液沿 桩周软弱面 自下而上劈裂注入，包裹于桩表面 其 厚 度 为 2 2 0 ram。3 I 3压 密 注 浆 由 于压密 注浆 需 在被 压密 土层 排 水条 件 好、上 覆 压 力 大 且 其 有 较 好 的 封 闭性、浆 液 稠 度 大 的条 件下才能 发生 因此，对于 桩底、桩侧注 浆，一般难以形成压密注浆 仅伴 随着劈裂注浆 发生：体 的压密固结。3 2土体后注浆加固机理 3 2 1 充 填 胶 结 效 应 在卵、砾、砂 中实 现渗入性 注 浆条件 下 被 注土体孔 隙部分地 为浆液 充填+散粒被胶结 显 示“充填胶结效 应”，土体强 度和 变形模 量大 幅 度提 高。当被 加 固体 位 于 桩 底 时，总 桩 端 阻 力 因 扩底 效应而提 高；当被加 固体 处于桩侧时，总侧 阻 力困 桩 身扩 径 效 应 而 显 著 增 大(见图 l a)。固 化 加 觞 固 化 渗 性 注 浆 的 充填腔 结教 应 b)劈 裂 注 浆 加 筋教 庄(非 密妄 砥 石、中 蛆砂)粘性 、协土、柑缸 砂 图 1 土体 注浆 效应 维普资讯 3 2 2加 筋 效 应 对于粘性 土、粉土、粉细砂实现劈裂注浆 的 条 件下，单一 介 质土体 被 网状 结 石分 割 如筋成 复 合土体(图l b)。复合土体 的强度 变形 性状 由 于 网状结 构 的制 约 和强化作 用而 大为改 善，显 示“加筋效应。网状结石与 桩体 紧密相连，桩顶 受载 后，桩 侧和 桩底的 复合土体 能有效 地传递 和分担荷载 从而提 高总侧阻力和总端阻力。3 2 3固化效应 桩底沉淤 和桩侧泥皮 与注入 的浆液发生物 理 化学反应而 固化，使 单位端 阻 力和侧阻 力显 著提高，显示“固化效应”(见图1)。此外，由于不 等厚 度 的水 泥结 石 固着 于桩 表面 和桩底，因此 尚能起到 一定 的扩 径和扩底作 用。4 桩承载力的注浆增强效应 及变 化规 律 4 1 端阻 力和 侧阻 力的变化 表l 所 示为天津保税 区国 贸大厦桩侧阻力、端阻力测试结果，桩端洼浆与未注浆相 比 距 桩 底 1 0 m 范 围的 细砂 层 极 限 侧 阻 分 别提 高 8 7 (d=6 0 0 ram)和7 3 =8 0 0 ram)，极 限端 阻 力 分 别 提 高 1 3 3 (d一6 0 0 mm)和 1 4 1 (一 8 0 0 ram)表2 所 示 上 海 江 山大 厦(d一8 0 0 ram =?0 m)桩侧 阻力、端 阻力测 试结 果。对 于桩底 浆 桩，桩 底 以 上 l 9 m 粉 细 砂 q，提 高 2 5 4 7 q p 提 高3 5 ；桩底、桩侧 注浆 桩，地面 以 下1 3 m 范 围困第一横 断 面桩 侧注 浆装置 受损，变 化不大，桩底 以上5 6 m 范围 增大3 6 7 3 ，q 增大4 l 。上述测试结 果说 明，桩底注 浆不仅 能提高 端 阻力，而 且能 使下部 桩身(1 0 2 0 m)的侧 阻 因浆液沿桩土界 面上扩而增强 表1、表2 所列侧 阻、端阻 的注浆 效应 表明，对于桩底 洼浆 桩，侧 阻 的提高份额(总侧阻增量 与单桩承载 力 增 量 之 比)为6 5 9 5 ，桩 的长 径 比 t,d 愈大，侧阻提 高份 额 愈大；对 于桩底、桩侧 联 合 注浆 者，侧 阻提 高份 额更大。4 2 单桩承载力 的变化规律 由表 3 可见，桩底 注浆，其单 桩承载 力提 高 2 0 0 0 5 0 0 0 k N，相应增 幅为2 4 9 2 ；桩底、桩侧联 合注 浆(试桩 数较 少)，其 单桩承 载力 增 幅 为4 0 1 0 0 。单 桩 承载力增 值、增 幅随下 列 因素变化。其一，桩端 持力层和桩侧 土层性 质：非密实 卵砾石、中粗 砂，由于渗 入性注浆 率较 高，承载 力增 幅较大，如 表3 福州、武汉工 程；粘性 土、粉 土，属劈裂 注浆，注浆 率小，承载力 增幅 随之减 小，如天津、上海工程。天津保税区国贸大厦桩侧阻、端阻的测试结果 表1 厚度 d=6 0 0 ram=4 6 m 厚度=8 0 0 ram 一5 6 m 土 层(m)未注袋 桩底 注浆(m)未注 浆 桩底 注泉 索壤土 3 2 3 2 极 限侧阻 淤泥、赫 泥质牯 土 2 5 粉质牯土、粉土 5 0 5 0 8 5 0 f k Pa)7 5 7 5 1 8 7 5 密实粉 细砂 7 5(1 0 0 )1 4 0(1 8 7 )0 7 5(0 0 )1 3 0(1 7 3 1 极 限端 阻 密 实粉细 砂 8 】7 6 3 4 1 08 85 2 0 6 4 g P (kPa)(1 O 0 )(23 3 )t1 00 )(2 4 1 )单桩极 限承载 力Q(k N)4 8 0 0 6 7 0 0 8 0 0 0 总极限 侧阻(k N)4 2 9 2 5 5 1 7 7 5 6 l 总极限 端阻Q珈(k N)j 0 8 n8 3 4 3 9 橱 她 6 4 5 6 9 1 注浆技 应 端 阻 。口 。u 3 5 5 3 O 9 维普资讯 上海 江 山大厦 桩侧 阻、端 阻 测试 结果 表 2 厚度 土 层(m)桩赢注浆 位底 桩蛔 注浆 未往浆 杂 填 十 褐 黄牯 土 撒 泥 质牯 上 极 限侧 阻 g。撒 泥 质牯 土(k Pa)粉质 牯土 2 3 6(1 O O )3 2 9(1 3 9)粉质 牯土,1 3 8(1 0 0 )4 3 8 7 5 6(1 7 3 )8 5 0 】0 5 9(1 2 5 )密 实粉细 砂 l 1 52(1 J6 j (1 O O )1 2 5 1(1 4 7)8 6 5 l l 7 l l 2 l 9 极 限端 阻(k P a)密 宴粉细 砂 1 o o (1 0 0 )(1 3 5 )(14 1 )极限承 载力吼(k N)8 4 0 0 1 0 0 0 0 总极限 侧阻Q。(k N)7 9 5 7 9 4】2 总极限 端阻Q (k N)4 4 3 5 8 8 饲 目,a Q，9 0 9 9 5 3 注浆效 应 端阻 d Q d 9 1 d 7 茬 注桩后 注浆 承载 力静 载对 比试 验 表3 比j 壹 工程 名称 桩 持力层 桩 倒土层 试桩 处 理(m m)(13 1)0】8 7 5 0“一1 5 ram)明鸿 广场 粉 砂 粘 性土、粉细 砂 TP 2 未注 浆 1 0 0 0 1 8 7 5 0(一1 8 ram)TP3 桩底 注浆 1 0 0 0 2 0 o 0 0“一1 4 ram)S 4 未 注浆 8 0 0 福 州 赭 泥、央 砂 砾 残 S 1 桩底 注浆 8 0 0 龙 泉大厦 含 砾粉土 积 土 S3 桩底 注浆 8 0 0 S 5 桩底 洼浆 8 0 0 上 海 糖 泥 质 土、粉 细 1 1 2#未注浆 8 0 0 7 0 8 4 0 0 江山大 厦 中密细砂 1 1 6#桩底 注浆 8 0 0 7 O l 0 o o o 砂 1 1 4#桩倒、底 注浆 8 0 0 7 0 1 0 0 0 占 维普资讯 续 表3 H 二 较 r程 名称 桩持 力层 桩 侧土层 试 桩 址 刊 d f“n Q(kN，()】来 注 浆 l O 0 武 2#桩 底注 浆 9 2 n 0“一 1 7 mm)I 6 7 沮 止荷 稍晰 砾 l百 橱土、柑l 砂 3#桩 底注浆 9 2 I】0“一 1 4 ram)1 6 7 高堪住 宅 4#桩 底往柴 O O“一2 3 ram)l 6 2 5#桩底、侧注 浆 9 8 0 O f 2 O m)l 7 8 Mi 束注浆 6 0 0 1 2 t 3 0 0(一 3 8 6 mm)t 0 O 武 汉 中密橱 细砂 糟、粘性 _十 M 桩 底 注浆 6 0 0 1 Z 】5 6 0“一4 5 O mm)1 2 0 国际 商域 M1 桩 底、侧注浆 6 0 0 1 2 1 O M2 桩底、侧注 浆 6 0 0 1 2 3 6 0 0 二=4 2 6 ram)2 0 0 S 2 丰往禁 2 5 北 京 柑质 粘 _十和耪 细 S d 来注 浆 2 5 9 2 0 0(一4 0 ram)r场 密实 卵 砂互层 S1 桩底 扫禁 2 5 S 桩底 注壤 2 j ；为桩 顶况酶 量 I 桩侧 二叶、横 断 面注浆；桩 倒沿 纵 向注 浆 其 l J，土层土质相 同的条 件下 桩侧注浆点 多、注 浆 量大(持 续 时间 长)者，承载 力增 幅 大，如武汉 汉正 街 工程，注浆量(水泥)约2 t，单桩承 载力增幅为7 8 ；又如武 汉国际商城模型 桩 M 为沿纵 向布置 桩侧注浆点 l o 个，M 为横 向布 二 个断面花瓣 形 注浆 点(每 断面 四个 注浆 点)，前 者 注 浆量(水 泥)6 0 0 k g，后者 3 0 0 k g，承 载 力增 幅前者 为1 0 0 ，后者4 o 。5 后 注 浆 实施 中的若 干 问 题 后 注浆 是一项 新开 发 的专 利技 术，在十 多 项工 程 实践 中 已积 累一定 经验 为 防止应用 过 程出现误 区，并不断完善提高，提 出以下几点供 鬟菔 参考 5 1 桩身 强度 的设 计应 与注浆 后土 对桩 的支 承阻力相匹配 桩端 阻力和 侧阻 力 囤注 浆而 显 著提高，因 此设 计 中应相应提高桩 身强度，并按 建筑桩基 技术规范 验算，避免 桩身强度先于土阻力破坏 而 使注浆 失效。后 注浆桩的 混凝 土强 度等级一 般 应 较 普 通 桩 提 高 1 3 个 等 级，常用 C3 0 C4 0。5 2控制成桩质量 成 桩质 量需严 加控制 不 可 囤采 用后注 浆 而放松，特别是要防止断桩、缩径 离析，因为后 注浆 不能 弥补这些 歃陷。5 3 最佳注浆时间 泥浆护 壁灌注桩 桩侧 泥皮和扰动土触变恢 复，一般需 时一个 月以上，故后注浆时 间宜 在成 桩后 1 3 周 内进行。注浆过早，会导致 因桩侧阻 力过低而溢 出地 面；注 浆过 晚，可能难以形成 桩 周 连续 的劈裂注浆面而导致浆液 向远处 流失。5 4 提 高注浆 均匀度和有效性 为使桩底、桩侧土层 尽可能均 匀注浆，避 免 浆液扩散范 围过 大而 降低其有效性，应做到：一 是桩底注浆管埋深应超 出沉渣 最低 处并进入持 力层一定 深度；二是桩侧注浆 点不宜太 少；三是 在保持 浆液 连续注 八 的条件下，浆 压宜低 不宜 高，泵的最大 额定 压力宜高 于 6 MP a；流 量控制 宜 小不宜 大，速率宜慢 不宜快；四是浆液出灰 比 和 外 加剂应根 据土 层性 质 适当调 整，一般不宜 过大；五 是大面 积桩 群宜 先注外围后注内部桩。5 5 桩 底、桩侧注浆顺序 对 于 桩 端 持 力 层 密 实 或 桩 不 太 长(z 3 0 m)的情况下，为避免桩底 注浆沿桩侧软弱 面 溢 出而无法 实现理 想注浆量，宜先行桩 侧注浆，一周左右后，再行桩底注浆。北京某工程的实践 f 维普资讯 表 明，先 桩 侧 后 桩 底 注浆 较先 桩 底 后 桩 侧 注 浆，其承 载力增幅高出一倍以上。s 6注浆量 合理 注浆 量(水泥用量)应 由桩端、桩侧 土 层类别 与状 态、桩 径、桩长、承 载力增 幅要求 诸 因素确定。承载 力增幅相 同的条件 下，单桩注浆 量高于 群桩。实践 与试验 表 明 对 于桩径 0 6 1 0 m，桩 长 2 O 6 0 m 的 基 桩，桩底 注 浆 量(水 泥)为0 6 2 。t，若 加 桩侧 注 浆，注 浆量 约增 一 倍。对 于常 用桩距，每一 基桩 的注浆 量也 可按 下式估算。桩 底 注 浆 量(水 泥，t)；G。一(0 1 5 d+?t o d)(3)桩 侧 注 浆 量(水 泥，t)：G。一 o 0 1(一 1 O)d+m H。d (4)式 中d、桩直径(m)、桩 长(m)；桩底 或 桩 侧土 的 天 然 孔 隙率，。一 9 e o 为天然孔 隙 比；注浆率(渗入性 注浆为土孔 隙充填 率；劈裂 注浆为土体挤 压充填率)，对 于 卵、砾、中 粗砂 取 为 o 3 o 5，对于 粘性 土、粉 土、粉 细砂 取 为 o、2 O 3；m桩 侧注 浆花瓣 形 横 断面 数，对 于 纵 向波 形 布 点情 况，m 值 取注 浆 点数的 1 4。式(3)、(4)系经 验公 式，其尺 寸 单位 以 m 代入，在浆液 水灰 比为 0 5 0 5 5 条 件下，所得 即为水 泥用量(t)。5、7后注浆的经济效益 通过 1 4项工程的 实践及静 载对 比试 验，由 于后 注浆桩，单桩承 载力增 幅为 2 0 1 0 0 ，因而桩 数可减少或桩径、桩 长减小，其工程量相 应 减 小 2 0 i 0 0 。注 浆 费 用，对 于桩底 注 浆，其技 术服务 与材 料 费为 0、2 5 0 3 0万元 根 桩底、桩侧 均注浆 约 为 0 4 0、5万元 根。注 浆钢 导管 可取代等截面的钢筋。扣除注浆费，对 于 单桩 混 凝 土用 量 1 5 m 以 上的 桩，每 根可 节 约 0 3 1 5万元。对于大型单项工程，其经 济 效益可达千 万元，1 4项工程 已累计节约 5千 万元 以上。此外，由于工程量 减小，工期相应缩 短；由于注浆，建筑物沉降相应减 小。6 结语 后注 浆这 一实用新技 术在近 三 年 1 4项工 程的应用实践表 明，它具有节约工程造价、缩短 工期，消除泥浆护壁灌注桩的 固有缺 陷，提 高工 程质量等优点，其应用前景是很好 的。该项技术通过 一定数量 的试 验研究和工程 实践，已形成配套技术。由于地质、成桩条件的 复杂 多变，有些 问题仍有待进 一步研究完善，如 后注 浆桩 承载力 的估算、有 关工艺 参数如 何根 据土性、桩的几何尺寸调整 优化 等。参考 文献 1 祝 经成，饱 和 土 中长 灌 往桩 桩端 压浆 结合 超 青 检测 技 术；中国建 筑科学 研究院 地基所 t 1 9 9 4 1 2。2张雁 高文 生 等 武 汉五 潮 国际 商 城 B C 区后压 浆 泥浆 护 壁 灌 往 桩 技 术 报 告，中 国 建 筑 科 学 研 究 院 地 基 所、1 9 9 3 1 0 Te c hnol o gy a nd Appl i c a t i o n o f Pos t-Gr ou t i ng f o r Sl u r r y Dr i l l i ng Pi l e s Li u di n e Zhu Ji ngc he ng(I n s t i t u t e o f Fo u n da t i o n En gi n e e r i n g，Ch i n a Ac a de my of Bu i l di n g Re s e a r c h)A J s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t e c hn o l o g y a n d a p p l i c a t i o n o f p o s t g r o u t i n g f o r s l u r r y d r i l l i n g p i l e s，d e v e l o p e d b y I FE，CABR r e c e n t l y The t e c h n o l o g i c a l p r i n c i p l e，t he r e i n f o r c i n g me c h a n i s m o f s o i l，t h e s t r e n g t h e n i n g e f f e c t s o f b e a r i n g c a p a c i t y o r p i l e，r e l a t e d p r o b l e ms i n p r a c t i c e a nd t he e c o n o mi c b e n e f i t o f t u i s t e c h n o l o g y a r e i n c l u d e d 1 8 维普资讯