建筑工程樁端旋噴擴大截面法補強提高單樁承載力

瞿楊，王彥文，徐鋒，強洪慶

（1.江蘇建研建筑技術有限公司，江蘇 溧陽213300；2.中煤科工集團南京設計研究院有限公司，南京210000；3.溧陽市現代建筑設計院有限公司，江蘇 溧陽213300；4.山東濟鐵設計咨詢有限公司，濟南250000）

1 既有建筑樁基承載力不足的原因分析

本場地工程地質條件特點，（4-1）層以下土層均為Q3年代，工程地質條件一般，（5-1）層以上部分土層受古河道影響，存在新近沉積Q4土層（淤泥質土和粉土），該工程地下水變化大，工程地質條件差，分布不穩定。另外，由于在勘察、設計、施工過程中存在的數據誤差、評估缺陷與不當措施，造成了一些項目的樁體承載力在檢測過程中不達標。就本案例，淺部淤泥質土和黏土并不是造成承載力不足的主要原因，反而在土體可塑—硬塑狀態下，由于沉樁過程中，樁體的晃動會造成樁孔比樁體外徑稍大一些，這樣影響了側壁摩阻力的有效發揮，且土質越硬，孔洞恢復的休止時間相對越長，這種現象越明顯。相反，淤泥質土雖然側壁摩阻力相對低，但休止恢復相對快，反而能夠正常發揮摩阻力，試樁數值結果會得出相反主因，從而試樁結果反映了設計預制樁正常的承載力特性。

2 推薦優選方案

采取措施提高原樁單樁承載力，是行業人員的共同意見。對于原樁承載力差異較大（不足超過15%～20%以上），單純后壓漿處理仍然不能達到承載力要求時，采用原樁端下面旋噴處理，旋噴形成樁端擴大頭，直接處理至持力層，處理深度3m。樁端下旋噴采用三重管工藝，旋噴壓力不小于30MPa。旋噴效果要進行現場實測，主要測量擴大頭直徑。處理完成后15d 進行靜載荷試驗檢驗處理效果，達到理想承載力要求。

3 工藝原理

三重管法注漿管為三重管，分別送水、氣和漿液3 種介質。在以逸20MPa 的高壓水噴射流周圍，伴隨著一股約0.7MPa的圓筒狀氣流，同軸噴射沖切土體，使之形成較大的空隙，再由泥漿泵以2～5MPa 壓力從內管輸送噴射出漿液填充，通過漿管及噴射的旋轉和提升運動，最后在土中凝固為直徑較大的圓柱狀固結體。

3.1 施工工藝參數

施工工藝參數如表1 所示。

表1 旋噴樁施工主要技術參數參考表

旋噴樁施工前進行試樁，根據實際情況以確定預定的漿液配比、噴射壓力、噴漿量等技術參數。試樁數量不少于3 根[1]，具體位置根據現場實際情況與監理一同確定。

漿量計算：以單位時間噴射的漿量及噴射持續時間，計算出漿量，計算公式為：

式中，Q為漿量，m3；H為噴射長度，m；q為單位時間噴漿量，m3/min；茁為損失系數，通常0.1耀0.2；v為提升速度，m/min。

根據試樁參數計算所需的噴漿量，以確定水泥使用數量。

3.2 施工工法

樁端旋噴擴大截面提高單樁承載力。通過原樁孔內鉆孔，深入樁端以下逸2m，然后旋噴擴大樁端，形成樁端擴大頭，從而提高單樁承載力。

后壓漿提高單樁承載力。為了有效發揮硬土層的側壁摩阻力，采取樁端后壓漿技術，提高樁端與側壁摩阻力的有效發揮。旋噴擴大頭處理后埋設注漿管后后壓漿。

3.3 計算書

層黏土為預制空心方樁持力層，勘察報告表明，該土層孔隙比e=0.65～0.75，塑性指數Ip=16.2～16.8，液性指數Il=0.06～0.15，雙橋靜力觸探端阻力qc=3.75MPa，預制樁的樁側壁摩阻力qsik=92kPa，樁端極限端阻力標準值qpk=5500kPa，鉆孔樁的樁側壁摩阻力qsik=90kPa，樁端極限端阻力標準值qpk=1400kPa。（5-3）層粉質黏土預制樁的樁側壁摩阻力qsik=72kPa，以J5 勘探點計算。

3.4 后臺準備

后臺拌漿系統主要包括散裝水泥罐、漿液攪拌桶、漿液儲藏桶、高壓注漿泵、空壓機、發電機組等，占地長度約12.0～15.0m，寬度約4.0m。

1）水泥罐容量50t，每個后臺設置1 個水泥罐，單機每天水泥用量40～50t，早晚運送1 次水泥。

2）采用1 臺超高壓注漿泵，注漿管有效長度約150m，對于長距離，可以采用注漿接力方式。移動一次高壓注漿泵，水泥罐位置盡量不動。采用低壓泵倒運水泥漿液。

3）采用螺旋管輸送水泥至攪拌桶，攪拌桶水泥漿液自流至儲灰桶內，用注漿泵泵至攪拌頭。

4）后臺需要搭設防曬防雨、防塵棚。

5）水泥罐車充水泥時，應將通氣管深入到攪拌桶中，防止水泥塵外泄，污染環境。

3.5 旋噴施工

旋噴樁機下墊鋼枕木，保證設備底盤水平，機架垂直；樁位對中誤差小于5cm，導向機架垂直度小于1%；帶水旋噴成孔，成孔鉆進速度1.2～1.5m/min；旋噴樁進途中遇到硬層或障礙物，則增加附加壓力并慢速慢進；特殊情況下另行處理；進入設計深度時原地旋噴15s，開始噴漿和噴氣；嚴格控制漿液配比：水灰比W/C=1.0，漿液比重1.25，以C=100kg 水泥為基準，需要水W=100kg，漿液量V100=160L；根據攪拌桶容積確定每次攪拌以300kg 水泥為基準，漿液量V300=480L；旋噴提升速度v=15cm/min，旋轉速度10r/min，噴漿速度45kg 水泥/min，折合漿液量23L/min，選擇BW50 型注漿泵（額定注漿量50L/min）合理；噴漿應均勻、穩壓；每排橫隔樁3 根，間距2.8m。每完成一排則移動一次，然后將鉆機移位。

4 后壓漿標準工藝

4.1 工程調查

工程調查解決3 個問題：（1）地層是否據有可注性；（2）地層注漿時，需要何種漿液材料，采用多大壓力，注多少漿液，一般通過試注來確定；（3）預計注漿后的強度增加效果。

工程調查的主要內容：（1）注漿區的地質構造及漿液可能流失的通道和空穴；（2）地質分層及需要注漿處理地層的土質或巖性特征；（3）調查需要處理地層的強度或滲透程度；（4）調查構筑物的損害程度和注漿會對周圍構筑物的影響；（5）調查注漿過程中，廢漿排放對環境的影響、注漿后地下水位的變化對鄰近居民飲水及灌溉的影響。

4.2 注漿材料的性能和選擇

決定因素：（1）土質條件；（2）環境條件；（3）注漿目的與預期效果。

理想的注漿材料要求：（1）漿液黏性低，流動性與可注性好，容易滲透孔隙和粉細砂礫層；（2）漿液凝固時間能夠準確控制；（3）漿液的穩定好；（4）漿液無毒、無臭、不污染環境；（5）漿液對注漿設備、管路損傷小，并且容易清洗；（6）漿液固化時收縮小，并能牢固與巖土黏結；（7）漿液結石率高，易于形成結合體；（8）結合體耐態化性能好；（9）注漿材料的粒度較細，易于擴散流動；（10）漿液配置方便，操作容易掌握，原材料來源豐富，且價格便宜。

注漿漿液要求：通常樁底注漿采用水灰比0.4耀0.6 的純水泥漿，對滲透性好的地層可摻入膨脹劑或注水泥砂漿。

4.3 施工參數與施工設備

施工參數：（1）注漿量：（2）注入率：（3）注漿壓力：（4）注漿速度。注漿壓力是施工效果好壞的關鍵因素之一，注漿壓力的確定要考慮下列3 方面：（1）最終注漿壓力要小于樁上抬的摩阻力，即注漿時不能使樁向上嚴重位移；（2）最終注漿壓力要盡可能使樁端、樁身混凝土少破壞；（3）最終注漿壓力要使注漿量達到設計要求，形成擴大頭，使樁端加固明顯。

施工設備包括：（1）注漿泵：電動往復式泥漿泵，最大壓力達10MPa 以上，排漿量大（5m3/h 以上)；（2）拌漿裝置：（3）輸漿管。

4.4 后注漿工藝技術

4.4.1 注漿管設置與制作

注漿管設置與制作應注意：（1）注漿管采用直徑為25～50mm 的鋼管；（2）用榔頭將鋼管底端砸成尖形開口；（3）距底端約30mm 鉆若干小孔，并在小孔放圖釘（單向閥作用），再用絕緣膠布加膠帶包裹；（4）鋼管可作為鋼筋籠的1 根主筋，用絲扣連接或者外加短套管電焊。

4.4.2 樁端后注漿工藝技術

樁開始注漿時間與壓水試驗(開塞)應注意：（1）注漿時間宜在混凝土初凝（7～15d）后進行。過早，會破壞樁體本身；過晚，不容易打開注漿通道；（2）成樁后至灌漿前，應進行壓水試驗，以疏通注漿通道，即進行開塞，提高樁底可灌性；（3）壓水開塞一般用清水，按2～3 級壓力逐級進行，壓水量一般控制在0.6m3，開塞壓力一般小于8MPa。

漿液濃度應注意以下幾方面：（1）稀漿（水灰比逸0.8），滲透力強，便于加固預定范圍周邊地帶；（2）中等濃度漿液（水灰比0.5～0.8），加固預定范圍的核心部分，起充填、壓實、擠密作用；（3）濃漿（水灰比0.3～0.5），對已注漿體起脫水作用，最后注入濃漿可摻加減水劑（木鈣）、固化膨脹劑（UEA）和早強劑（石膏）；（4）一般是先稀后濃，即水灰比從0.6 開始，漸變為0.4。

注漿量控制應考慮：（1）注漿量是主控因素；（2）應由樁端、樁側土層類別、滲透性能、樁徑、樁長、承載力增幅要求、沉渣量、施工工藝等因素控制；（3）一般砂礫石層注漿水泥量經驗參數表。

注漿壓力控制從以下幾方面進行：（1）將水泥漿通過高壓泵（要求最大壓力達10MPa 以上）壓入地下被注土層中；（2）初注壓力較小，漿液由稀到稠；（3）關注注漿壓力、注漿量和注漿皮管變化，并控制注漿節奏；（4）用百分表監測樁的上抬量；（5）容許注漿壓力與地層密度、滲透性、初始應力、鉆孔深度和位置；（6）土層滲透性好，注漿壓力較低，一般在4MPa 以下；（7）土層滲透性差，注漿壓力較高，可達4～10MPa 注漿節奏與終止條件。

注漿時應注意：（1）為使有限漿液盡可能充填并滯留在樁底有效空間范圍內，應實行間歇；（2）間歇時間長短可依據壓水試驗確定；（3）短樁，樁底注漿會出現上冒，應在冒漿后停止幾個小時，待樁周漿液；（4）單管注漿量全部達到設計要求可以終止注漿；（5）第1 根管未達到注漿量設計要求，第2 根達到也可終止注漿；（6）2 根均未達到，但注漿壓力達10MPa，且穩定5min 以上，可以終止；（7）樁體發生上抬，終止注漿。

4.4.3 注漿效果檢測

注漿效果檢測應注意：（1）由于樁端后注漿屬于地下隱蔽工程，對其進行完整的注漿效果檢測難度較大；（2）除了在注漿過程中嚴格遵守注漿規程外，對其注漿效果檢測一般是對注漿樁抽樣進行靜載荷試驗，并與未注漿樁進行對比；（3）對深度不大的樁，也可以采取鉆芯取樣的方法。

5 旋噴擴大頭+后注漿

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》后壓漿灌注樁理念，預制樁側壁相當于干作業樁，樁側增強段長度6.0m，黏性土側壁增強系數茁si=1.4～1.8，擴大頭樁端相當于是鉆孔樁底，增強系數茁p=2.0～2.5，按照地質報告的設計參數計算：

原樁樁端以上6.0m 范圍內的側壁極限摩阻力為：

原樁樁端極限端阻力為：

處理后樁端以上6.0m 范圍內的側壁極限摩阻力為：

處理后樁端極限端阻力為：

處理前6.0m 范圍內的側壁極限摩阻力與極限端阻力=2250kN；

處理后6.0m 范圍內的側壁極限摩阻力與極限端阻力=3463kN；

處理后極限承載力提高幅度=3463-2250=1213kN。

6 結語

本次施工采用了樁端旋噴擴大截面法以提高單樁的承載力來完成對基礎的補強并以此來滿足對建筑物所需要的地基承載力，從而避免了基礎承載力不夠而進行返工所造成的一系列損失以及工期延誤和建筑不安全所帶來的不良社會影響及不必要的損失，從而對施工方進一步幫助其完善施工并節約施工工期帶來了巨大的影響，因而幫助其取得了良好的社會效益。