后壓漿技術(shù)在西安地區(qū)砂土中的應(yīng)用

孫虎平，余鳳翔

（1.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068；2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)公司，陜西 西安 710043）

0 前言

樁基礎(chǔ)是我國高層建筑、公路、城市橋梁工程等采用最多的基礎(chǔ)形式之一，其中很大一部分采用鉆孔灌注樁。目前在鉆孔施工技術(shù)、樁徑和樁長等方面均取得很大發(fā)展，如橋梁工程中最大樁長已達(dá)125 m，樁徑3.0 m，單樁承載力高達(dá)12 000 t。但由于受施工工藝影響，鉆孔灌注樁還存在一些影響樁基承載力的因素。

（1）在成孔過程中，采用泥漿護(hù)壁形成泥皮，降低了樁側(cè)摩阻力。摩阻力降低的程度與泥皮的質(zhì)量、厚度等有關(guān)，泥皮質(zhì)量越好，厚度越大，摩阻力越低。

（2）成孔后，孔周邊形成了較大的自由面，改變了地層的初始應(yīng)力狀態(tài)，孔周土體向孔中心產(chǎn)生不同程度的位移，導(dǎo)致孔周一點范圍內(nèi)原有土體的密實度降低，從而使樁土間側(cè)摩阻力降低。

（3）施工過程中，由于使用泥漿作為沖洗介質(zhì)，無論采取何種清孔工藝，很難將孔內(nèi)沉渣全部帶出至地表。特別是當(dāng)孔內(nèi)泥漿比重、粘度較大，清孔不徹底時，沉渣往往較厚。故孔底沉渣的存在是影響鉆孔灌注樁承載力的重要因素之一。

（4）孔壁受水浸泡，使樁周土的抗剪強(qiáng)度降低及樁身混凝土收縮等均會導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的降低。

經(jīng)理論研究及實驗證實，采用樁端壓漿工藝可有效的消除上述不利因素的影響并達(dá)到提高鉆孔灌注樁承載力的目的。具有重要的工程使用價值。

1 鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)

鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是成樁時在樁體內(nèi)某一位置預(yù)置壓漿管路，待樁身達(dá)到一定強(qiáng)度后，通過壓漿管路，利用高壓壓漿泵壓注以水泥為主劑的漿液到樁周（包括樁底）的土體中，以達(dá)到對樁端沉渣、樁側(cè)泥皮及樁周土體起到滲透、填充、置換、劈裂、壓密及固結(jié)等作用。其目的是通過改變土體的物理力學(xué)性能及樁土間邊界條件，以達(dá)到提高樁的承載力，減少沉降量。

1.1 漿液擴(kuò)散機(jī)理

漿液擴(kuò)散機(jī)理隨土層類別、性質(zhì)、上覆壓力、邊界條件等而變化，可分為充填注漿、滲透注漿、劈裂注漿、擠密注漿四種情況。在實際壓漿過程中，并不是某一種漿液擴(kuò)散形式單獨作用，而是以一種或二種擴(kuò)散形式為主，其它形式為輔，同時作用。

充填注漿：多用于土層內(nèi)大孔隙、大空間的注漿，如卵石層、碎石層、砂礫層中注漿，漿液固結(jié)形態(tài)與土層內(nèi)的原有空洞相同。

滲透注漿：漿液在壓力作用下，克服漿液流動的各種阻力，滲入土的孔隙和巖土裂隙中，將孔隙中的自由水和氣體排擠出去，漿液凝固后把土顆粒粘接在一起，形成水泥土結(jié)石體，使土層的抗壓強(qiáng)度和變形模量得以提高。

劈裂注漿：在壓力作用下，漿液克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，引起土體結(jié)構(gòu)的分塊（片）破壞，使其沿垂直于較小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂，形成新的裂隙，漿液進(jìn)入到裂隙中，形成縱橫交叉的脈狀網(wǎng)絡(luò)，這一過程壓密了分塊（片）土體，提高了土抗力。

擠密注漿：用一定的壓力壓入粘稠的漿液，取代并擠密注漿點土體，在注漿管端部附近形成“漿泡”。當(dāng)漿泡的直徑較小時，灌漿壓力基本上沿鉆孔的徑向擴(kuò)展。隨著漿泡尺寸的逐漸增大，便產(chǎn)生較大的上抬力而使地層抬動。常用于中砂地基，粘土地基中若有適宜的排水條件也可采用。

1.2 影響樁端后壓漿承載力的因素

影響樁端后壓漿承載力的因素大體可分為兩方面：一是漿液的種類。涉及滲透性、固結(jié)性、耐久性、有效顆粒物等；二是后壓漿施工因素。包括壓漿裝置的形式，壓漿路徑的暢通，壓漿量，壓漿壓力等。

（1）樁端土層的性質(zhì)

一般來說，在其他條件相同的情況下，樁端為卵礫石、砂礫石、砂等粗粒土?xí)r因其滲透性較好且自身強(qiáng)度大而比樁端為粉細(xì)砂等細(xì)粒土?xí)r的承載力提高的幅度大。

在粗粒土（孔隙率較大的卵礫石、中粗砂等）中壓漿時，漿液滲入率高 ，通過滲透、部分?jǐn)D密、填充及固結(jié)作用，大幅度提高持力層受荷面積及持力層的強(qiáng)度和變形模量。

在細(xì)粒土 (粘性土、粉土、粉細(xì)砂等 )中壓漿時，漿液滲入率低 ，實現(xiàn)劈裂壓漿，土體被網(wǎng)狀結(jié)石分割加筋成復(fù)合土體，它能有效地傳遞和分擔(dān)荷載，極限承載力增幅通常在14%～88%的范圍內(nèi)，個別樁的增幅可達(dá)106%～138%，其增幅較在粗粒土中壓漿時小。

（2）壓漿量（水泥量）：在土層性質(zhì)、樁端壓力注漿裝置形式、樁體尺寸、壓漿工藝及壓漿壓力等條件相同的前提下 ,對于樁端壓漿而言 ,壓漿量多者承載力增幅一般也大。

（3）壓漿壓力：壓漿壓力影響注漿范圍，一般情況下，土體被加固的范圍越大，土體承載力增幅也越大。

（4）漿液種類:：漿液壓漿工藝的基本要求是漿液必須滲入土體的孔隙，即漿材顆粒尺寸應(yīng)遠(yuǎn)小于孔隙尺寸。另膠料的耐久性、強(qiáng)度等也直接影響著注漿加固的效果。

普通水泥最大顆粒尺寸約在 60～100μm（0.06～0.10 m m）之間,其漿液難于進(jìn)入滲透系數(shù)k<5×10-2c m/s的砂土孔隙或?qū)挾刃∮?00μm的裂隙。

為了提高水泥漿液的可注性，國外常采用把普通水泥漿材再次磨細(xì)的方法 ,從而獲得平均粒徑小于3～4μm的超細(xì)水泥。

2 工程實例

西安市東風(fēng)路灞河橋，橋梁全長505.3 m，寬53.5m。主橋采用兩跨89.2m半中承式連續(xù)系桿拱橋，引橋采用小箱梁。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，其中主橋樁徑2m，樁長為39～45m；引橋樁徑1.2m、1.5 m，樁長為20～33 m。均采用樁端后壓漿工藝。

2.1 地質(zhì)概況

據(jù)勘探揭露，場地內(nèi)地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），沖湖積（Q4al+l）沖填土、沖湖積（Q4al+l）砂礫及上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）粉質(zhì)粘土、砂礫和中更新統(tǒng)沖積（Q2al）粉質(zhì)粘土、中粗砂組成。各層土鉆孔樁承載力計算參數(shù)建議值見表1。

表1 鉆孔樁承載力計算參數(shù)建議值表

2.2 試樁設(shè)計參數(shù)

為驗證樁端壓漿后實際承載力以保證設(shè)計橋梁安全，特在橋梁3#墩、5#墩、7#墩下游分別布置試驗樁，實施后壓漿樁基的靜載試驗。為能夠進(jìn)行科學(xué)對比，另選取工程樁2-12實施了非后壓漿樁的試驗。具體參數(shù)見表2。

表2 試樁參數(shù)表

2.3 承載力測試結(jié)果

試樁測試采用自平衡試樁法，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，取荷載平衡點（荷載箱）上部樁側(cè)阻力修正系數(shù)0.8，得出4根試樁的極限承載力和相應(yīng)的樁頂位移見表3。各樁的等效荷載曲線見圖1～圖4。

表3 各樁極限承載力及相應(yīng)的樁頂位移

圖1 2-12樁等效荷載位移曲線

圖2 3#樁等效荷載位移曲線

圖3 5#樁等效荷載位移曲線

圖4 7#樁等效荷載位移曲線

2.4 后壓漿對承載力影響分析

通過2-12未壓漿樁基的試驗結(jié)果與3#、5#樁端壓漿試驗樁的試驗結(jié)果對比，得出承載力提高了38.0%。

3 樁端后壓漿設(shè)計

樁端后壓漿設(shè)計包括合理壓漿量、壓漿壓力、后壓漿樁承載力的設(shè)計計算。

3.1 合理壓漿量

后壓漿樁承載力和壓漿量有很大關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，承載力提高幅度和壓漿量成正比，但當(dāng)壓漿量超過一定量時，增加壓漿量，承載力不提高或提高幅度極小，因此存在一個合理的壓漿量或界限壓漿量。但由于地下土層的復(fù)雜性，加上施工過程的影響，準(zhǔn)確地計算合理壓漿量比較困難，實際中常用下列經(jīng)驗公式來估算。

式中:GC——注漿量，以水泥重量計（t）；

d——樁直徑(m)；

αp——注漿量經(jīng)驗系數(shù)。

經(jīng)驗系數(shù)αp取值范圍見表4。

表4 注漿量經(jīng)驗系數(shù)αp

使用該公式時應(yīng)注意：

（1）本公式適用于較長較大直徑鉆孔灌注樁注漿量的計算;

（2）本公式為經(jīng)驗公式，考慮到施工中很多的影響因素，沒有對實際問題進(jìn)行理想化和一系列的假定，具有一定的實用價值;

（3）本公式考慮到土層對注漿量的影響，但影響趨勢不太明顯,如粉砂的系數(shù)取值整體大于細(xì)砂，這與理論不相符合,在實際計算時，可以通過取值來實現(xiàn)增長趨勢的變化。

3.2 承載力計算建議

目前，承載力計算公式大多采用的是建科院公式，公式如下。

式中：Qsk1，Qsk2——樁上部未壓漿側(cè)阻力和樁端壓漿上返段側(cè)阻力；

Qpk——壓漿后樁端阻力

qski,qPk——極限側(cè)阻力和端阻力；

Li——樁側(cè)的第i層土厚度;

U,Ap——樁身周長和樁端面積；

ξsi——側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，側(cè)阻力的增強(qiáng)范圍在樁端以上10～20 m范圍，ξsi按表5取值,其他位置ξsi取1.0；

ξp——樁端力增強(qiáng)系數(shù)，按表5取值；

λg——壓漿量修正系數(shù)，λg＝實際壓漿量/合理壓漿量，取λg≤1.0。

表5 側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)ξsi，端阻力增強(qiáng)系數(shù)ξp

在總結(jié)現(xiàn)有承載力計算公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有工程資料，結(jié)合東風(fēng)路灞河橋樁端后壓漿試樁工程試驗，以樁徑、樁長和合理的注漿量為變量，按土層分類，對壓漿前后極限承載力一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析、歸納總結(jié)，以得出側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βsi和端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp。同時考慮到了建科院公式中指出的注漿量合理影響，改進(jìn)出如下公式。

式中:Quk——樁端后壓漿灌注樁的單樁軸向受壓承載力；

qsik,qPk——極限側(cè)阻力和端阻力；

Li——樁側(cè)的第i層土厚度;

U,Ap——樁身周長和樁端面積；

βski——側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，側(cè)阻力的增強(qiáng)范圍,

當(dāng)在飽和土層中壓漿時，取樁端以上8.0～12.0m；當(dāng)在非飽和土層中壓漿時，取樁端以上 4.0～5.0 m，βski按表 6取值,其他位置βski取1.0；

βpk——樁端力增強(qiáng)系數(shù)，按表7取值；

λg——壓漿量修正系數(shù)，λg＝實際壓漿量/合理壓漿量，一般取λg≤1.0。

表6 側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βski

表7 端阻力增強(qiáng)系數(shù)βpk

使用該公式時應(yīng)注意：

（1）由于參數(shù)綜合考慮施工中各影響因素的間接影響，比如返漿效果、土的上抬、各土層的吸收、滲透等，考慮了施工過程中可能出現(xiàn)的一些問題，具有一定的實際應(yīng)用價值。

（2）由于較長較大直徑鉆孔灌注樁的廣泛使用和后壓漿技術(shù)的普遍推廣，所以對較長較大直徑鉆孔灌注樁承載力計算公式的需要更為迫切。而本文所統(tǒng)計數(shù)據(jù)均為樁徑大于0.8 m且樁長大于40 m的大直徑鉆孔灌注樁，因此對目前橋梁設(shè)計采用的直徑較大且長度較長的樁來說，計算結(jié)果更接近于實際。

（3）本文改進(jìn)的公式考慮了壓漿量在樁基承載力中發(fā)揮的作用。

（4）對于土層的歸類，以偏于安全的準(zhǔn)則進(jìn)行歸類，如將“粗砂和礫砂夾層”均歸為“粗砂”類。

（5）對樁端后壓漿而言，在計算承載力時，對樁側(cè)僅考慮4.0～12.0 m的影響范圍。而在統(tǒng)計時，對于部分返漿效果比較好的，也作了統(tǒng)計，與理論有所偏差，但可以作為安全儲備來考慮。

（6）壓漿量對承載力的影響本公式是通過λg來體現(xiàn)的，當(dāng)壓漿量超過合理壓漿量時，取λg＝1，保守認(rèn)為超過合理壓漿量的部分對承載力沒有貢獻(xiàn)，而實際上壓漿效果會隨著注漿量的增大而效果會逐漸增加，只是增加的幅度會減小。所以這和實際情況不相符合。但可以以此提高安全系數(shù)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)壓漿后樁的試驗數(shù)據(jù)，驗證了后壓漿工藝在樁端持力層為砂土層時的壓漿效果，取得了一定的成果。

（2）通過總結(jié)國內(nèi)外樁端后壓漿合理壓漿量和承載力計算公式，結(jié)合本橋的試驗成果，改進(jìn)提出了樁基承載力計算公式。

（3）通過對東風(fēng)路灞河橋試樁的工程實踐分析，證實了后壓漿工藝能提高30%以上的樁基承載力，且具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

[1]沈保漢.后壓壓漿技術(shù)（1）～（8）[J].工業(yè)建筑,2001,31(5)-31(12).

[2]傅旭東,于志強(qiáng),趙善鏡.鉆孔樁樁底、樁側(cè)后壓力灌漿試驗[J].工業(yè)建筑,2000,30(4):45-49.

[3]李樹榮,王樹中.鉆孔灌注樁后壓漿提高承載力的機(jī)理及計算[J].山西建筑,2002,28(4):34-35.

[4]龔維明,施明征,孫遜.樁底壓漿灌注樁承載力計算[J].建筑結(jié)構(gòu),1998(11):3-5.

[5]黃生根,曹輝.超長鉆孔灌注樁應(yīng)用后壓漿技術(shù)地效果分析[J].建筑技術(shù),1999,30(3):178,181.

[6]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].2007.