桩端后压浆对提高钻孔灌注桩承载力的作用机理分析

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摘 要：本文通过工程实践，详细分析了灌注桩桩端后压浆对提高桩端承载力和侧阻力，改善灌注桩荷载传递性能，提高灌注桩的综合承载力起到的重要作用，并对桩端注浆提高灌注桩单桩承载力的作用机理及桩端后注浆设计的优化方法进行了深入探讨。 

  关键词：桩端后压浆；钻孔灌注桩；承载力 ；作用机理    1引言    大直径灌注桩因其具有承载力高、适应性强等诸多优点，在我省高层和超高层建筑中得到迅速 发展 和广泛应用。但是，灌注桩应用中的二方面问题也引起了业界广泛关注：(1)灌注桩桩底沉碴的质量问题，降低了其单桩承载力，严重困扰了其应用前景；(2)如何在保持灌注桩参数不变的情况下，又能大幅提高其单桩承载力？桩端压力注浆是针对排土桩在成孔过程中对原地层土的扰动，桩侧泥皮、桩端沉碴等不利因素造成桩的承载力不能正常发挥，质量不稳定以及使正常桩能大幅提高其承载力，节省工程造价而研究开发的新技术。实践证明桩端后注浆技术可提高灌注桩单桩承载力，达到缩短桩长或减少桩数的目的。        2桩端后注浆对提高桩基承载力的工程实践分析        2.1后注浆提高桩基承载力分析    湖南某项目A为主楼30层，高约100m，二层地下室，建筑面积约5万m 2 ，设计基础原拟采用强风化花岗岩层作为持力层的钻孔灌注桩。为确定单桩承载力，在施工图设计前，先进行两根试桩静载荷试验，两根试桩均为桩径1 m，桩长58m，桩端嵌入强风化花岗岩层大于1 m。静载荷试验结果：A桩加荷至9MN时因桩头破碎而终止试验，B桩加荷至10MN时沉降明显增大，单级沉降为31mm，累计沉降约46mm，Q-S曲线呈明显的陡降段，继续加荷至11 MN时，试桩急剧沉降而破坏，单桩极限承载力为9 MN。    　     基础改采用桩端后注浆灌注桩，持力层为卵石混粘性土II。为确定注浆桩单桩承载力，在工程桩施工之前，又进行了五根试桩，试桩桩径均为0.8m( 较原设计小0.2m)，桩长约35m（较原设计约短23 m），每根桩的桩端注入水泥2.5吨。五根试桩的Q- S曲线如图1所示，试桩在最大试验荷载下的总沉降量不超过15 mm，卸载后的残余沉降小于5mm，试桩的极限承载力不小于9MN。5根试桩桩身应变实测值的轴向荷载传递以桩身摩阻力为主，在最大试验荷载下，桩端承受的荷载不大于桩顶荷载10％，但从摩阻力分布的 规律 已看出注浆后桩端以上一定范围内土层的桩周摩阻系数有显著地提高。    2.2后压浆对灌注桩桩端注浆效果分析    项目B为地上24层，地下1层，基础采用钻孔灌注桩，持力层为卵石层，桩长45m，工程桩施工前，打两根试桩做静载荷试验，试桩TP6桩径为0.9m，桩端注入水泥浆2吨，试桩TP7桩径为0.8m，桩端未注浆。两根试桩的Q-S曲线如图2所示，TP6最大试验荷载加至9MN，相应的桩顶沉降为24.67mm，TP7加荷至7.2MN时，桩顶沉降明显增大，总沉降超过40mm后终止加荷，按规范TP7达到极限承载状态，比较两根试桩承载能力，注浆明显增大了单桩承载力。2根试桩桩身应变实测值的轴向荷载传递规律可以分析出注浆明显地增大了桩端附近土层的摩阻力，由于桩顶荷载尚未使TP6达到极限承载状态，所以TP6的桩端承载力未能充分发挥。    2.3桩端注浆提高了持力层的承载能力    项目C为上部结构20层，l层地下室，基础采用桩端注浆灌注桩，为了确定单桩承载力以及注浆前后的荷载传递特征，在工程桩施工前，先进行三根试桩，TP8和TP9设计桩径为Φ900，TP10设计桩径为Φ800，桩长约54m，桩端持力层为含砾中砂层，每根试桩的桩底注水泥2.5吨，其中TP8试桩在注浆前后都作了静载试验。三根试桩的四次静载荷对比试验的Q-s曲线如图3所示。未注浆的TP8试桩当试验荷载加至7.2MN时，桩顶发生急剧的沉降，所以将前一级试验荷载6.4MN确定为极限荷载；TP8试桩注浆后重薪做了一次静载荷试验，最大试验荷载加至8MN，相应的桩沉降为21.32 m，试桩尚未达到极限状态，比较注浆前后承载能力的变化，注浆使单桩承载力提高了25％以上。TP10试桩的静载试验也达到极限状态，其极限承载力确定为7.2MN。3根试桩桩身应变实测值的轴向荷载传递分析出桩端持力层未注浆时极限承载力为0.87MPa，注浆后桩端持力层极限承载力为3.94MPa，表明桩端注浆极大地提高了持力层的承载能力。 3注浆提高钻孔灌注桩承载力作用机理分析        从以上工程实例分析可以看出，采用后压浆的灌注桩桩端、桩身及周围土体综合效应使其承载力得到大幅度的加强，其作用机理及作用过程描述如下：    3.1灌注桩的可灌性    灌注桩成孔对桩周土的扰动降低了桩端土体强度；灌注桩水下作业使桩周及桩端土体遇水软化，土的强度急剧下降；灌注桩桩周泥皮存在如同桩与土体之间加上润滑剂大大降低了桩侧摩阻力。土体扰动、桩底沉碴严重影响了灌注桩端承力发挥。灌注桩施工中存在的土体扰动、桩底沉碴和桩周泥皮，一方面对灌注桩承载力产生负面影响，另一方面正是这些薄弱面的存在才使得其具有可灌性。    3.2改善持力层、提高端承力    桩端注浆使浆液在高压作用下对沉碴及桩周土劈裂、渗扩、填充、压密、固结等作用使桩端持力层在一定范围内形成浆液和土的结石体，从而改善持力层的物理力学性能，消除了沉碴对端承力发挥的不良影响（图4为某桩桩端注浆前后的低应变动力测试曲线。曲线表明桩端注浆前其桩端持力层强度明显偏低，经取芯证实其桩端未能按设计要求进入中风化岩，而是落在厚达9.28 m的残积土层上。经桩端高压注浆后，桩端持力层强度已有明显提高) 。    3.3大幅提高桩侧摩阻力    桩端注浆在高压作用下，浆液沿桩土界面上浸，通过渗扩、填充、胶结综合作用，对桩周泥皮置换，使桩与泥皮及土层胶结成整体并在桩周形成脉状结石体，如同树根植入土中。注浆不仅可以完全消除桩周泥皮对桩侧摩阻力的负面影响，而且注浆胶结体在置换桩周泥皮同时还挤占桩周部分原状土，增大了桩的平面几何尺寸，从而使桩侧摩阻力大幅度提高。    3.4改善持力层受力状态和荷载传递性能    桩端注浆在高压浆液作用下通过劈裂、渗扩、挤密和胶结使桩端附近土层产生较大的压缩变形形成桩端扩大头，增大了桩端受力面积，改善了其受力状态。桩底沉碴在浆液置换、渗扩、填充、压密、固结作用下，使其压缩变形提前完成，减少了桩在荷载作用下的竖向变形，使桩端承载力得以充分发挥。试验结果表明，桩端注浆后，桩侧摩阻力提高先于桩端承力提高。当桩端邻近土层的桩-土相对位移Sz ≤So ( 4~10mm) 时，随荷载增加Sz 增大，桩侧摩阻力提高增大，此时桩侧摩阻力提高(△Qs)对单桩承载力提高起主导作用，而桩的端承力潜能尚未被充分发挥当SzSo时，桩侧摩阻力下降，而桩的端承力提高(△Qp)迅速增加，此后桩的端承力提高对单桩承载力提高起主导作用(如图5)。        4桩端后注浆施工过程中优化措施        4.1合理的注浆设计是实现目标的前提    为使桩端注浆施工合理、有效，有必要对注浆目标的土岩特性、地下水条件、地下埋设物分布状况和周围环境进行详细调查和分析，并在分析相关资料基础上进行桩端注浆设计。桩端注浆设计主要包括浆液配比，浆液浓度、注浆率、注浆量和注浆压力等参数确定。    4.2合理的注浆工艺是实现目标的保证    1）注浆管埋设    桩端注浆处理大直径灌注桩需在桩中心造一注浆孔直至桩端持力层一定深度，然后埋人注浆管至孔底，并封闭孔口一定范围注浆管与孔之间空隙；或成孔后，将注浆管随钢筋笼埋至孔底。    2）压水试验    压水试验不仅起到疏通注浆通道的作用，而且注浆设计的有关参数也应根据压水试验结果做相应调整。    3）合理控制注浆参数有利于提高桩端注浆效果在桩端注浆过程中，注浆压力、浆液浓度、注入率和注浆量是变化的。合理的确定和控制其变化对提高桩端注浆效果十分重要。桩端注浆压力随注浆进展呈现出由低到高的变化 规律 。若注浆过程中压力突然急剧下降，表明发生冒浆或漏浆现象，应在浆液中加入相应的添加剂和采取间歇灌浆措施以确保桩端注浆效果。在桩端注浆中，浆液浓度经历了由稀浆向浓浆变化过程。稀浆渗透性强可扩大桩端注浆加固范围，浓浆有利于提高桩端注浆加固区土体强度。    4.3桩端注浆灌注桩承载力取值    大直径灌注桩经桩端压力注浆，其单桩极限承载力可提高30％以上，实测中最大的可达155％。由于桩端压力注浆后，单桩承载力提高的幅度范围较大，这给设计者如何确定注浆后的桩承载力带来困难。试验表明排土桩经压力注浆后其桩周极限摩阻力和桩端极限承载力的数据缩小了与挤土桩的差距，根据排土桩在注浆的有效范围内接近于挤土桩的特征可对注浆桩承载力进行 计算 。表1是部分实例的对比数据，排土桩挤土桩按规范取值计算求得，其中，长桩qp取低值，短桩qp取中值。        5结论        综上所述，大直径钻孔灌注桩经桩端压力注浆，明显改善了灌注桩桩端持力层和桩周土体的力学性能，提高了桩端承力和侧阻力，大大改善了灌注桩荷载传递性能，使灌注桩的综合承载力得到大幅度提高。大量工程实践表明，其单桩极限承载力可提高30％~50％以上。工程设计可根据灌注桩( 排土桩) 经压力注浆后其桩周极限摩阻力和桩端极限承载力的数据缩小了与挤土桩的差距，可按接近于挤土桩特征对其注浆桩进行设计取值。