后注漿技術在南水北調中線工程基樁施工中的應用

李書群，吳宏軍

后注漿技術在南水北調中線工程基樁施工中的應用

李書群，吳宏軍

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021)

灌注樁后注漿是一項土體加固技術與樁工技術相結合的樁基輔助方法，可用于各類鉆、挖、沖孔灌注樁，分為樁側后注漿與樁端后壓漿2種，在解決土體擾動、樁底沉碴和樁周泥皮降低樁基承載力方面效果好。本文通過南水北調工程某大型渡槽灌注樁專項載荷試驗成果，在復雜地質條件下，研究應用灌注樁樁端后壓漿技術，并提出施工技術要求，為類似工程提供參考。

灌注樁后注漿；南水北調；施工技術要求

1 工程概況

南水北調中線干線工程布置多座輸水渡槽，其中邯邢段共布置大型跨河渡槽5座，單跨跨度30～40m，上部結構重7000～10000 t，上部荷載較大，多采用樁基礎，樁徑1.3～1.7m。

邯邢段總干渠地處太行山山前傾斜平原與丘陵過渡地帶，渡槽工程區上部多為第四系上更新統卵石或泥礫地層，下部為第三系(N1)泥巖、礫巖地層或二疊系泥巖砂巖交互地層，地質條件復雜。

2 后注漿技術加固機理

基樁成孔過程中，易產生土體擾動、樁底沉碴和樁周泥皮過厚問題，嚴重影響樁基承載力。灌注樁后注漿基于所注漿液的膠結凝固、與之相關的巖土體加密增強及樁基承載力發揮機理改變的加固機理，進而提高樁基承載力。其注漿效應在一次注漿實施過程中相互交織，只有主次之分，無明顯界限。漿液在高壓作用下對沉碴及樁周土產生劈裂、滲擴、填充、壓密、固結等作用，不但使樁端持力層在一定范圍內原本松散的碎石、土粒和裂隙膠結成一個高強度的結合體，而且在樁周形成脈狀結合體，其效應機理簡述如下。

(1)充填膠結效應：巖土體空隙有漿液填充，充填固結后市巖土體強度與剛度大幅度提高。

(2)加筋效應：巖土體中網狀漿液填充結石體及注漿劈裂過程中伴生的土體固結與化學硬化，使樁周與樁端巖復合土體能有效的傳遞與分擔荷載，進而提高總側阻力與總端阻力。

(3)固化效應：注漿液和樁周泥皮與樁底沉渣發生物理化學作用而固結，能提高端阻力與側阻力，并起到一定的擴徑與擴底作用。

(4)壓密效應：樁側與樁端土體不同程度壓密，特別是樁端壓密，使樁端阻力提前發揮，提高承載力。

總之，樁基后壓漿可以改善持力層條件、提高樁周側摩阻力，從而提高樁基承載力。

3 樁底壓漿專項試驗

為確定渡槽樁基受力特性，工程實施前，在現場場區外相似地層條件位置，進行了3根試驗樁專項載荷試驗，以確定樁基技術參數。

3.1 專項試驗設計

根據現場情況，試驗位置選擇接近渡槽跨中開闊區域，在渡槽軸線東、中、西間隔10m布置了3根(S1、S2、S3)試驗樁，進行載荷試驗，以便獲得樁的極限側摩阻力及驗證樁端后壓漿效果，確定樁基設計參數。試驗方案如下：

(1)根據現場試驗條件和先導孔成果，試驗樁樁徑采用1500mm，混凝土強度等級C25，樁長32m。

(2)造孔應采用膨潤土制備泥漿，按規范要求清孔。為保證試驗中樁能發生滑移，在混凝土澆筑前樁底沉入不小于30cm厚褥墊層。

(3)樁內布置3根灌漿管(兼作聲測管)至樁底，并在管底設置橡皮堵頭，混凝土澆筑初凝后應進行疏通，保證灌漿得以進行。

(4)試驗樁預定最大加載量22000kN。試驗分2個階段進行，第一階段為獲得樁的極限側摩阻力，試驗應加載至樁體滑移破壞，然后卸載，檢測試驗樁在不注漿條件下的極限側摩阻力。第二階段為驗證壓漿效果，將樁底褥墊層沖洗干凈，之后進行高壓灌漿，待注入漿體達到設計強度后，進行第二次加載至破壞或試驗最大加載量。

(5)在試驗樁樁身設置鋼筋計，樁底設置土壓力計，確定分層土的極限側摩阻力、樁端承載力。鋼筋計布設在地層巖性變化位置(包括基巖風化界面)及樁頂、樁底(較厚的單一巖性土(巖)層內也應設置鋼筋計)，每個觀測斷面沿120°設置鋼筋計3只，與豎向鋼筋同徑，鋼筋計和土壓力計觀測應與加載過程的沉降觀測同步進行。根據先導孔成果，S1試驗樁共布設10個鋼筋計斷面，S2、S3試驗樁均布設9個鋼筋計斷面，每根試驗樁底部布設3個土壓力盒。

3.2 試驗成果

2011年11～12月完成了試驗樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗，第一、二階段靜載荷試驗S-Q曲線如圖1、2所示，成果匯總見表1。

表1 第一階段、第二階段靜載荷試驗結果匯總

圖1 第一階段靜載荷試驗s-Q曲線

由S1試驗樁第一、二階段軸力匯總表中歸一斷面與V9斷面軸力之差得到各分級荷載下的總側摩阻力及其平均值，如圖3-4所示。

由S1試驗樁第一、二階段所測得土壓力盒應力數據計算出各階段每級荷載下的樁端阻力，如圖5-6所示。

圖2 第二階段靜載荷試驗s-Q曲線

通過以上圖表對比，S1試驗樁第一階段試驗情況下，2者之和與分級荷載不大相同，但第二階段試驗2者之和與各分級荷載基本保持一致，偏差不大，這驗證了本次試驗計算側摩阻用的鋼筋計數據合理。

土壓力盒數據作為鋼筋計數據驗證，驗證結果與鋼筋計反映規律基本一致。

圖3 S1試驗樁第一階段靜載荷試驗鋼筋計折算分析

圖4 S1試驗樁第二階段靜載荷試驗鋼筋計折算分析

圖5 S1試驗樁第一階段靜載荷試驗土壓力盒分析曲線

3.3 樁基設計參數

參考《公路橋涵地基與基礎設計規范》選取樁側土的摩阻力標準值：壤土層40kPa，卵石層160kPa，風化巖層80kPa。試驗樁成果揭示：壓漿前卵石層各組鋼筋計分層樁周極限側摩阻力17.57～128.35kPa，建議值47kPa；風化巖層各組鋼筋計分層樁周極限側摩阻力9.74～113.44kPa，建議值32kPa。壓漿后，卵石層各組鋼筋計分層樁周極限側摩阻力16.81～172.69kPa，建議值87kPa，是壓漿前的1.85倍；風化巖層各組鋼筋計分層樁周極限側摩阻力16.52～209.18kPa，建議值88kPa，是壓漿前的2.75倍。

圖6 S1試驗樁第二階段靜載荷試驗土壓力盒分析曲線

4 灌注樁樁端后壓漿設計

根據專項試驗取得樁基土層參數，按照普通灌注樁設計，樁徑不變，樁長需加長到100～120m，不僅施工難度大、施工周期長、投資較高，而且泥皮厚度與沉渣的不利影響加劇；按照樁端后壓漿樁基設計，樁長僅需51.5～54.5m，投資較小，按試驗施工工藝實施更可靠。

經綜合分析，采取樁端后壓漿方案提高樁基承載力，四座槽墩樁基布置如下：A#槽墩承臺底高程67.50m，B#～D#承臺底高程64.50m，承臺長28.6m，寬7.6m，厚2.5m。承臺下設兩排直徑1.7m灌注樁與承臺固接，每排7根，樁距、排距均4.2m。樁長51.5～54.5m，相應樁底高程10.0～16.0m，逐樁均布3個灌漿管，兼做聲測管。

4.1 樁基承載力計算

按照《公路橋涵地基與基礎設計規范》附錄N計算，摩擦樁后壓漿單樁軸向受壓承載力設計值計算式為：式中，［Ra］—樁端后壓漿后單樁軸向受壓容許承載力，kN；βsi—第i層土側阻力增強系數，根據泥巖(砂巖)的地層條件、現場灌漿差異較大的情況和S1、S2、S3試驗樁靜載荷試驗成果專家咨詢意見和可灌性條件，取1.4，按照規范對樁端以上8m范圍進行增強修正；βp—端阻力增強系數，根據造孔工藝、泥巖、砂巖的地層差異和弱～中等透水特點，選用1.7；單樁最大豎向承載力允許值13092～13217kN，考慮地震工況地基容許承載力調整系數后，滿足規范要求。

4.2 灌漿壓力

抗撥q′su為樁承壓摩擦力qsu乘ξ后可得到，所需最大灌漿壓力Pmax為：

式中，Pmax—最大灌漿壓力，kN；G—為樁自重，kN；A—樁端截面積，m2。

計算允許最大灌漿壓力6.95～7.73MPa，根據強風化～弱風化的巖層條件，選擇灌漿壓力5MPa。

4.3 估算灌漿量

樁端置于強風化巖或中風化巖中的大直徑樁，壓力灌漿時難以擴徑，灌漿目的以加固樁端沉渣或樁端巖層中裂隙為主。在樁底形成灌漿體的直徑1.70m需注入純水泥漿液3.5 t，水灰比w/c=0.8。考慮到灌漿損失，注入純水泥量Gc=αp×d=2.5× 1.8=4.5t。

5 灌注樁后注漿施工

5.1 主要施工技術要求

(1)加強鉆孔灌注樁成樁控制要求。鉆孔灌注樁應嚴格按照試驗工藝進行施工，成孔泥漿指標應通過試驗選定，并設置泥漿循環凈化系統，嚴格控制泥漿比重、粘度及膠體率等指標。為減少卵石層成孔固壁影響，樁基成孔應在基坑開挖形成作業面(鋼筋籠頂面+護筒高度)后進行，改善成樁條件。

(2)后壓漿施工技術要求。樁端后壓漿單樁布置3根灌漿管兼做聲測管，深入樁底，采用3個回路均勻同步灌漿；壓漿前，通過壓水試驗認知樁底可灌性并疏通灌漿通道；漿液采用凈水泥漿，水泥強度等級不低于42.5，水膠比0.5∶1～1∶1，濃度應由稀到濃，逐級變換調整；單樁壓漿量4.5t，樁底最大灌漿壓力5.0MPa，持續注漿壓力可采用2～ 3MPa，確保慢速、低壓、低流量注漿。

5.2 施工控制

樁基后壓漿施工過程應符合下列規定。

(1)樁底后壓漿在樁身混凝土超聲波檢測結束后進行，壓漿前，應先將孔底進行疏通，確保漿液注入樁端地層。

(2)樁基壓漿時，同一根樁中的全部壓漿孔應同時均勻壓入水泥漿，并隨時監測樁頂的位移和樁周土層的變化情況。壓漿終止時間應根據壓漿量、壓漿壓力和孔口返漿等因素確定。在壓漿10m范圍內不進行其它鉆孔樁的施工。

(3)樁基后壓漿的終止條件灌漿采取壓漿量與壓力雙控，以壓漿量控制為主，壓力控制為輔。當壓漿量達到設計壓漿量或壓漿壓力達到控制壓力，并持荷5m in注入率小于1L/m in，可停止灌漿。

(4)壓漿分3次進行，且依次按總壓漿量的40%、40%、20%循環壓入，壓水試驗后應立即進行第一序灌注稀漿，初始注漿壓力可采用1MPa，水灰比可采用1∶1，第二序采用中等濃度水泥漿，水灰比采用0.7∶1，第三序采用0.5∶1濃漿液壓入，個別樁基據壓水試驗現場進行了調整，確保了樁底漿液密實。

(5)若注漿量超過初定壓漿量較多，注漿壓力長時間低于穩定灌漿壓力，或發生樁周冒漿、周圍樁孔串漿，可加入水玻璃速等速凝材料調低水灰比采用間歇灌漿，間歇間隔30～60min；或將該注漿管用清水或壓力水沖洗干凈，等到原來壓入的水泥漿液終凝固化、堵塞冒漿、串漿的孔道后再重新注漿。

按照以上控制要求灌注樁壓漿成果如圖8所示。

圖8 渡槽槽墩后注漿量

總體上樁端巖質較好，灌注量少，灌漿壓力已達到設計要求；多數樁基出現樁周冒漿現象；先期灌注樁體灌漿量較大。

5.3質量檢驗

(1)后壓漿完工后，應提供水泥、水和外加劑的材質檢驗報告，壓力表鑒定證書、試壓漿記錄、設計工藝參數、后壓漿施工記錄、特殊情況處理記錄等資料。

(2)樁底沉渣厚度采用鉆芯法測定，并鉆取樁端持力層不少于0.5m巖土芯樣檢驗樁端持力層，每個槽墩下不少于3根，采用鉆心法檢測及注漿管疏通過程中應采取措施，嚴禁損壞樁頂及樁周鋼筋，確保壓漿質量與樁體質量。

5.4 效果

后壓漿灌注樁解決了樁基承載力的問題，改善與恢復了基礎持力層條件。目前，渡槽工程輸水正常，渡槽先后經歷了一次充水試驗、二次充水試驗、全線試通水試驗，根據安全監測結果，樁基礎采用后壓漿處理后，槽墩沉降量較小，承載力與變形均滿足了設計要求，取得了良好的經濟技術效果。

6 結語

鉆孔灌注樁樁底后壓漿經濟技術優勢明顯，應用于復雜地質條件下，不但可以提高樁基承載力、加快施工進度和降低工程造價，還可以解決常規灌注樁無法實現的復雜技術問題，在工程中推廣后壓漿灌注樁意義重大、前景廣闊。

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TU473.1

B

1672-2469(2017)03-0073-04

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.027

2017-01-17

李書群(1973年—)，男，教授級高級工程師。