灌注樁復(fù)式注漿技術(shù)對(duì)單樁承載力的影響

周杰剛 周 洋 羅亞明 易 釗 劉 瑋 陶云兵

中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430064

1 鉆孔灌注樁后注漿原理和施工工藝

1.1 復(fù)式注漿原理

復(fù)式注漿基本原理指預(yù)先埋設(shè)于灌注樁樁身內(nèi)的注漿管和樁端樁側(cè)注漿閥，在成樁一定時(shí)間后，向注漿導(dǎo)管和注漿閥內(nèi)注入水泥漿，使樁端、樁側(cè)土體，包括沉渣和泥皮得到加固，從而提高單樁承載力，減小沉降[1-2]。

樁基后注漿分為樁底注漿、樁側(cè)注漿和樁端樁側(cè)復(fù)式注漿，可根據(jù)地層性質(zhì)、樁長、承載力增幅等因素選用（圖1）。

圖1 復(fù)式注漿增強(qiáng)機(jī)理

背景工程選用樁端樁側(cè)復(fù)式注漿，屬于劈裂注漿與滲透注漿相結(jié)合。劈裂注漿，即注入的高壓漿體克服土體主應(yīng)力面上的初始?jí)簯?yīng)力，使土體劈裂破壞，漿體沿劈裂縫隙滲入土體填充空隙，并擠密樁側(cè)土，促使土體固結(jié)從而提高注漿區(qū)的土體強(qiáng)度。

樁端注漿區(qū)，漿液首先在樁底沉渣區(qū)劈裂和滲透，使沉渣及樁端附近土體密實(shí)，產(chǎn)生“擴(kuò)底”效應(yīng)，使端承力提高；樁側(cè)注漿區(qū)，該部位也同樣出現(xiàn)“擴(kuò)徑”效應(yīng)。

1.2 施工工藝

1.2.1 工藝流程

目前國內(nèi)主流工藝為采用單向截流閥作為出漿口，將注漿管固定在鋼筋籠上，出漿口（單向截流閥）壓入樁底土中30～50 cm，在進(jìn)行樁身混凝土澆筑時(shí)漿液不會(huì)灌入閥內(nèi)，注漿時(shí)漿液也不會(huì)回流，注漿成功率可達(dá)97%以上，且壓力相對(duì)穩(wěn)定，注漿效果顯著。工藝流程如下：綁定注漿管及單向閥→焊接測試元件→樁成孔→安放鋼筋籠→灌注混凝土→清水開塞→壓力后注漿。

1.2.2 注漿參數(shù)

1）漿液的水灰比應(yīng)根據(jù)土的飽和度，滲透性確定，對(duì)于飽和土，水灰比宜為0.45～0.65；對(duì)于非飽和土，水灰比宜為0.7～0.9。

2）注漿終止標(biāo)準(zhǔn)采用注漿量與注漿壓力雙控的原則，以注漿量（水泥用量）控制為主，注漿壓力控制為輔；當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可終止注漿；當(dāng)注漿壓力大于4 MPa并持荷3 min，且注漿量達(dá)到要求的80%時(shí)，也可終止注漿。否則，需采取補(bǔ)救措施。

2 背景工程簡介

某高層群體住宅項(xiàng)目樁基工程位于南昌市紅谷灘新區(qū)九龍湖片，毗鄰贛江，屬于濱江深厚軟土地帶，地質(zhì)條件如下：耕植土，呈飽和流塑狀，厚度2.6 m；粉質(zhì)黏土，以黏粒為主，韌性及干強(qiáng)度中等，可塑～硬塑，厚度3.2 m；圓礫土，顆粒成分為硅質(zhì)巖，以粉質(zhì)黏土充填為主，飽和、稍密，厚度1.2 m；粉質(zhì)黏土，硬塑，厚度4.5 m；泥質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，根據(jù)風(fēng)化程度分為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部夾雜有礫石、卵石層。

設(shè)計(jì)樁長12～18 m，摩擦端承樁，由于有效樁長較短，樁周土摩阻力較低，樁端土的承載力也較低，設(shè)計(jì)為了保險(xiǎn)起見，樁基采用樁端樁側(cè)復(fù)式注漿技術(shù)提高其單樁承載力，控制高層建筑的沉降。

3 單樁承載力試驗(yàn)與理論分析

3.1 沉降量與荷載關(guān)系

本文選取4種樁基設(shè)計(jì)情況進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)：持力層為粉質(zhì)黏土的樁Z1，未采用后注漿技術(shù)；持力層為粉質(zhì)黏土的樁Z2，采用后注漿技術(shù)；持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的樁Z3，未采用后注漿技術(shù)；持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的樁Z4，采用后注漿技術(shù)。

以上4種設(shè)計(jì)情況下，樁徑均為1 000 mm，有效樁長為18 m，設(shè)計(jì)單樁承載力特征值為5 400 kN，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均一致。

通過慢速維持荷載法，采用逐級(jí)等量加載，得出Q-s曲線和s-lgQ曲線（圖2～圖5），觀察沉降隨荷載變化的特征可確定單樁豎向極限承載力情況。

圖2 Z1荷載Q與沉降量s關(guān)系曲線

圖3 Z2荷載Q與沉降量s關(guān)系曲線

圖4 Z3荷載Q與沉降量s關(guān)系曲線

圖5 Z4荷載Q與沉降量s關(guān)系曲線

根據(jù)圖2～圖5可得出，Z1最大沉降量為29.83 mm，最大回彈量為2.38 mm，回彈率為8.0%；Z2最大沉降量為5.67 mm，最大回彈量為2.27 mm，回彈率為40.0%；Z3最大沉降量為6.22 mm，最大回彈量為1.32 mm，回彈率為21.2%；Z4最大沉降量為6.75 mm，最大回彈量為1.59 mm，回彈率為23.6%。

可見，樁端持力層為粉質(zhì)黏土的樁基是否采用后注漿，其沉降量區(qū)別較大，但樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的樁基，可不必采用后注漿工藝，其沉降量本身較小，且是否注漿區(qū)別不明顯。

3.2 單樁極限承載力增幅理論

后注漿灌注樁的單樁極限承載力，通過靜載試驗(yàn)確定，其后注漿單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按式（1）進(jìn)行估算：

式中：u——樁身周長；

lj——后注漿非豎向增強(qiáng)段第j層土厚度；

lgi——后注漿豎向增強(qiáng)段內(nèi)第i層土厚度；

qsik、qsjk、qpk——分別為后注漿豎向增強(qiáng)段第i土層初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、非豎向增強(qiáng)段第j土層初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、初始極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qsk——后注漿非豎向增強(qiáng)段的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qgsk——后注漿豎向增強(qiáng)段的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qgpk——后注漿總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Ap——樁端面積；

βsi——后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)；

βp——后注漿端阻力增強(qiáng)系數(shù)。

通過大量靜載試驗(yàn)，針對(duì)樁基持力層為粉質(zhì)黏土、粉砂、礫石卵石這3種情況，進(jìn)行復(fù)式注漿前后對(duì)比，得出的后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βsi和端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp如表1所示。

表1 后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs i、端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp

通過觀察巖層漿體分布，可發(fā)現(xiàn)，漿液主要分布在樁底和樁側(cè)被擾動(dòng)的土層中，當(dāng)注漿壓力較大時(shí)，可沿小主應(yīng)力面或某個(gè)薄弱面向外劈裂或滲透，形成的片狀劈裂體上面大下面小。結(jié)合理論與實(shí)際，可發(fā)現(xiàn)，持力層為礫石卵石的復(fù)式注漿單樁極限承載力增幅最大，粉砂和粉質(zhì)黏土次之，顆粒越粗，漿液擴(kuò)散越趨近理想模式，復(fù)式注漿效果越好，其承載力增幅可達(dá)到20%～80%。

4 結(jié)語

大量樁基靜載試驗(yàn)表明，針對(duì)持力層為粉質(zhì)黏土層、粉砂層或礫石卵石層，采用樁基復(fù)式注漿技術(shù)可較大幅度增強(qiáng)單樁豎向極限承載力，其中卵石礫石持力層增幅效果最明顯。而對(duì)于持力層為中風(fēng)化或微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其后注漿基巖劈裂效果較差，漿液擴(kuò)散不規(guī)則，持力層本身抗壓極限承載力較高，可不必采取后注漿施工工藝。同時(shí)，施工過程中，樁底沉渣過厚不但降低樁端極限端承力，而且會(huì)降低樁側(cè)極限摩阻力，采用復(fù)式注漿通過滲透、壓密、劈裂等方式，可彌補(bǔ)施工過程中部分缺陷，對(duì)保障單樁承載力和減少群樁不均勻沉降效果明顯。