注漿成型擴底PHC管樁設計與施工

饒 航

上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200235

擴底樁通過樁底擴大頭增加了有效承載面積，提高了樁基承載力，進而顯著提高了材料利用效率。后注漿工藝利用鋼筋籠或管樁內預先埋設的注漿管，在成樁后2～30 d內用高壓泵進行高壓注漿，漿液通過滲入、劈裂、填充、擠密等作用與樁體周圍土體結合，固化樁底沉渣和樁側泥皮，起到提高承載力、減少沉降等效果。

目前擴底樁多采用機械成型工藝施工，施工工藝環節多、施工設備投入大、施工質量控制難；后注漿工藝過程中水泥漿液不受約束，無序滲流造成注漿效果離散性大。針對傳統擴底樁和傳統后注漿工藝的缺陷，開發了擴底樁注漿成型新工藝，即注漿成型擴底樁[1-3]。

1 注漿成型擴底PHC管樁設計

1.1 注漿成型工藝原理

1.1.1 參數確定

注漿成型擴底預應力混凝土管樁既可用于承壓，又可用于抗拔。樁身參數設計主要包括：注漿成型擴底PHC管樁選型、管樁拼接、擴大頭的材料和幾何尺寸、注漿材料和大小。

1）成孔直徑：注漿成型擴底預應力管樁成孔直徑不宜小于預應力混凝土管樁外徑D0＋100 mm。

2）樁長：用作摩擦型抗壓樁時，樁的長徑比不宜大于120；用作端承型樁時，樁的長徑比不宜大于100。對注漿成型擴底預應力混凝土管樁，其長徑比計算時，取預應力混凝土管樁樁身直徑。當樁穿越厚度較大的淤泥等軟弱土層或承臺底面以下有液化土層時，應考慮樁的穩定性及對承載力的影響。

3）PHC管樁選型：注漿成型擴底預應力管樁樁身強度按國標圖集10G409《預應力混凝土管樁》，并應滿足以下要求：

① 應選用AB型或B型、C型管樁。

② 當地下水或地基土對混凝土、鋼筋和鋼零部件有腐蝕作用時，不得選用外徑300 mm管樁。

③ 受拉（抗拔）樁或承受水平荷載的管樁基礎工程，不得選用外徑300 mm管樁。

④ 注漿成型擴底PHC管樁承壓時，長徑比不宜大于100。當管樁穿越厚度較大的淤泥等軟土層或可液化土層時，應考慮樁身的穩定性及其對承載力的影響。

⑤ 用作受拉（抗拔）樁的管樁，應根據工程情況或設計要求，除設置端部錨固筋外，應選用加厚的端板，并增大端板的焊接坡口尺寸。

4）束漿袋設計：束漿袋直徑和高度可按下列規定確定：

① 束漿袋設計高度一般取6～12 m，進入中、低壓縮性土層不宜小于4 m。

② 束漿袋直徑D=d0＋0.4 m。d0為樁身設計有效直徑，注漿成型擴底PHC樁即為管樁外徑。

5）注漿設計：束漿袋內注入的水泥砂漿強度等級不應小于M5。注漿材料均應采用P.O 42.5級水泥砂漿漿液，水灰比控制在0.55～0.60之間，灰砂比不宜大于1∶1，也不宜小于1∶5。束漿袋內設計注漿量V=π(D2－d02)Lg/4，Lg為束漿袋設計高度。

1.1.2 承載力計算

1）抗壓承載力計算：驗算時應考慮樁身材料強度、成樁工藝、吊運與沉樁、約束條件、環境類別諸因素，除按本節有關規定執行外，尚應符合現行國家標準GB 50010—2011《混凝土結構設計規范》、GB 50017—2014《鋼結構設計規范》和GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》的有關規定。注漿成型擴底預應力混凝土管樁樁身結構強度Q'd應滿足Q'd≤(0.75～0.85)fcApc－0.37Aσpc，fc為樁身混凝土軸心抗壓強度設計值，Apc為預應力混凝土管樁樁身橫截面面積，σpc為預應力混凝土管樁樁身截面上混凝土有效預加應力。

2）抗拔承載力計算：注漿成型擴底預應力混凝土管樁用于抗拔樁時，應滿足下列規定。

① 對于嚴格要求不出現裂縫的一級裂縫控制等級預應力混凝土基樁，在荷載效應標準組合下混凝土不應產生拉應力。

② 對于一般要求不出現裂縫的二級裂縫控制等級預應力混凝土基樁，在荷載效應標準組合下的拉應力不應大于混凝土軸心受拉強度標準值。

③ 對于允許出現裂縫的三級裂縫控制等級基樁，按荷載效應標準組合計算的最大裂縫寬度不應大于按現行行業標準JGJ 94—2008《建筑樁基技術規程》相關規定中的最大裂縫寬度限值。

3）水平承載力計算：建筑樁基單樁水平承載力的確定應符合下列要求。

① 單樁水平承載力宜通過單樁水平靜載荷試驗確定，水平靜載荷試驗按現行上海市地方標準DGJ 08-11—2010《地基基礎設計規范》有關規定執行。

② 對于混凝土預制樁，可根據靜載試驗結果取地面處水平位移為10 mm（對于水平位移敏感的建筑物取水平位移6 mm）所對應的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。

③ 當沒有進行靜載荷試驗時，可按現行上海市地方標準DGJ 08-11—2010《地基基礎設計規范》有關規定對單樁水平承載力進行估算。

1.2 樁身構造設計

1.2.1 擴底灌注樁樁身構造設計

1）基樁形成前樁身構造包含鋼筋籠、注漿擴底裝置；基樁注漿擴底成型后包含鋼筋混凝土樁身以及水泥砂漿漿體擴大頭。其中，注漿擴底裝置由擴底注漿管和束漿袋組成，擴底注漿管數量不應少于2根，設置于雙層束漿袋內（圖1）。

圖1 擴底灌注樁注漿前樁身構造、注漿后擴大頭形成示意

2）擴底PHC管樁樁身構造設計：基樁形成前樁身構造包含管樁、注漿擴底裝置；基樁注漿擴底成型后包含管樁樁身、水泥砂漿包裹層以及水泥砂漿漿體擴大頭。其中，注漿擴底裝置由擴底注漿管和束漿袋組成，擴底注漿管數量不應少于2根，設置于單層束漿袋內（圖2）。

圖2 擴底管樁注漿前樁身構造、注漿后擴大頭形成示意

2 注漿成型擴底PHC管樁施工技術

2.1 施工流程

注漿成型擴底PHC管樁施工并不會根本改變傳統樁基的施工，而是在傳統樁基施工的基礎上穿插進行注漿系統加工、安裝以及注漿成型等一系列工藝流程。

施工流程（圖3）：測量準備→攪拌形成水泥土攪拌樁→鋼管樁（PHC管樁）上安裝束漿裝置→安裝注漿裝置→靜壓鋼管樁（PHC管樁）入水泥土攪拌樁→注漿擴底成型。

2.2 注漿成型施工技術

2.2.1 注漿系統

圖3 擴底樁注漿成型施工工藝流程

注漿系統由注漿泵和注漿管路組成。注漿泵選用山東科工機械設備有限公司生產的ZB1-150型注漿泵，其最大工作壓力為5.0 MPa，額定流量為80～150 L/min。注漿管選用直徑1 mch（約25.4 mm）黑鐵管，采用螺紋連接，接頭處纏裹生料帶，注漿管底端采用特殊裝置密封，防止注漿管堵塞。

2.2.2 束漿裝置

束漿裝置呈長袋狀，采用高強維綸防水帆布縫制而成。維綸防水帆布經向拉伸5 cm所需的力大于2100 N，緯向拉伸5cm所需的力大于1600 N。

2.2.3 注漿材料

注漿材料為水泥砂漿，強度不低于M5。為確保注漿施工順利進行，水泥砂漿必須具備高流動性。為避免水泥砂漿硬化后產生大量泌水現象，影響擴底樁承載性能，水泥砂漿必須具備低泌水性。另外，為保證水泥砂漿硬化前后體積基本一致，水泥砂漿必須具備低收縮性。

3 工程應用

為了檢驗注漿成型擴底PHC管樁的實際應用效果，選擇在上海建工醫院病房樓改建項目中進行試樁試驗。

3.1 樁基概況

該工程位于上海市虹口區，包含1幢6層病房樓以及1個1層地下車庫。

本次試樁樁數為6根抗壓樁，其中普通PHC管樁（SZ）3根；注漿成型擴底PHC管樁（SP）3根（表1）。抗壓樁試樁采用φ400 mm的PHC管樁，外徑為300 mm，壁厚為70 mm，普通PHC管樁樁長31 m，注漿成型擴底PHC管樁樁長28 m（圖4）。

3.2 試驗結果

本工程設計前抗壓試樁試驗加載值不小于2 000 kN。從試驗結果看，與普通PHC管樁相比，注漿成型擴底PHC管樁在樁長節省3m長度的情況下，抗壓承載力比較接近。

表1 靜載試驗結果匯總

圖4 注漿成型擴底PHC管樁施工

3.3 工效與經濟性

注漿成型擴底樁在上海建工醫院病房樓改建項目的應用取得圓滿成功，一個臺班可以施工4～5根工程樁，樁基造價較傳統PHC管樁降低逾30%，有力證明了注漿成型擴底樁的優異性能。

4 結語

與機械擴底成型工藝相比，注漿擴底成型工藝具有顯著的優點：

1）工藝簡單。樁身施工完成后，將額定的高壓水泥砂漿注入束漿袋中即可在樁身底部形成擴大頭。

2）設備簡易。注漿成型施工主要設備為常規注漿泵，設備來源廣、投入少。

3）質量可靠。注漿成型工藝環節少，只要控制束漿袋制作和水泥砂漿注入質量，施工質量就有保障。

4）成本低廉。施工設備投入少，防水帆布束漿袋、黑鐵管等施工用材多為常規建筑材料，成本低廉。

5）土層適應性強。不僅適用于易成型的硬土層，也適用于軟土層。

同時，通過大量的工程試驗及工程應用，也證明了注漿成型擴底PHC管樁具有施工工效和承載性能高、經濟性優的特點。