工程樁自平衡試驗(yàn)后注漿處理與應(yīng)用分析

殷開成，王磊，戴欣，謝禮飛

（1.南京賽寶液壓設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211164；2.南京東大自平衡樁基檢測(cè)有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

近年來基樁自平衡法靜載試驗(yàn)在試驗(yàn)條件受限的情況下，發(fā)揮了非常重要的作用，特別是隨著住建部JGJ/T 403—2017《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》和各地方規(guī)程的發(fā)布實(shí)施，自平衡靜載測(cè)試技術(shù)獲得了廣泛的推廣和應(yīng)用。

自平衡法試驗(yàn)是對(duì)預(yù)埋在樁身的特制荷載箱進(jìn)行加載，樁身從荷載箱處分為上、下兩段，互相提供反力進(jìn)行測(cè)試[1-3]。試驗(yàn)后上、下段樁雖然仍由荷載箱連接在一起，但是對(duì)于工程樁采用自平衡法試驗(yàn)產(chǎn)生的樁身裂隙，部分業(yè)內(nèi)外人士缺少加固處理的經(jīng)驗(yàn)或者不清楚荷載箱處樁身承載力情況，擔(dān)憂基樁加固后是否可以正常使用。

本文主要從荷載箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，對(duì)工程樁自平衡試驗(yàn)后能否繼續(xù)正常使用的問題進(jìn)行討論，并且結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出荷載箱處裂隙加固處理的建議方法及質(zhì)量控制要素。

1 荷載箱位置加固的必要性

灌注樁試樁在自平衡試驗(yàn)后形成的上、下段樁抗壓承載力各占整樁極限承載力的一半，即樁身因荷載箱加載產(chǎn)生的縫隙將導(dǎo)致豎向抗壓承載力減半，未經(jīng)過處理時(shí)樁頂施加的荷載僅由上段樁承擔(dān)。而封閉荷載箱的液壓管路并不能作為長期有效的措施來保證下段樁承載力的發(fā)揮。因此，自平衡試驗(yàn)后的工程樁必須對(duì)荷載箱處裂隙加固處理。

荷載箱處裂隙可以參照樁身缺陷的注漿加固處理方式，通過預(yù)埋專用注漿管路，在自平衡試驗(yàn)后進(jìn)行注漿施工并控制其質(zhì)量。注漿的主要目的是修復(fù)荷載箱打開處的樁身間隙，該注漿又可細(xì)分為荷載箱內(nèi)部注漿與荷載箱外部注漿兩部分，其中，前者可彌補(bǔ)少部分的樁身完整性和提高樁身強(qiáng)度，后者可彌補(bǔ)大部分的樁身完整性并提高樁的承載力。

根據(jù)雙荷載箱測(cè)試發(fā)現(xiàn)，自平衡試驗(yàn)過程中會(huì)有樁周巖土體進(jìn)入荷載箱處裂隙，將荷載箱閉合位移和原張開量對(duì)比發(fā)現(xiàn)以荷載箱殘余張開量計(jì)的填充率在50%~60%，因此，注漿時(shí)應(yīng)考慮此特殊性，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以保證注漿效果。

2 注漿裝置設(shè)計(jì)與安裝

制定工程樁自平衡法靜載試驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)考慮荷載箱的位置及注漿要求，荷載箱應(yīng)設(shè)計(jì)有注漿結(jié)構(gòu)，注漿裝置與荷載箱一體加工和安裝。

在荷載箱與鋼筋籠焊接以及成樁施工過程中，應(yīng)按試驗(yàn)方案進(jìn)行注漿管的布置和安裝。

2.1 荷載箱處注漿管設(shè)計(jì)

荷載箱上預(yù)留注漿連接管的設(shè)計(jì)，主要考慮以下幾點(diǎn)：是否兼作其他檢測(cè)管；密封性；出漿口的打開性能和出漿效果。

如利用其他檢測(cè)管兼作注漿管，則首先保證相應(yīng)的檢測(cè)要求，在荷載箱加載時(shí)出漿口不應(yīng)同步打開，避免外界泥沙進(jìn)入，影響檢測(cè)效果。

荷載箱出廠前，注漿連接管應(yīng)注水檢驗(yàn)密封性，確保連接管、出漿口的密封性和焊接質(zhì)量。

出漿口打開的可靠性，可由其與荷載箱打開面的一致性來保證，即出漿口應(yīng)位于荷載箱的打開面。

出漿效果指出漿口的數(shù)量或大小應(yīng)充分保證加固注入水泥漿的正常流通。從工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，出漿口數(shù)量不宜少于2 個(gè)，孔口直徑不宜小于8 mm。

根據(jù)上述要求，出漿口設(shè)計(jì)可分為打開式（敞開式）和逆止式2 種結(jié)構(gòu)類型，如圖1 所示。

圖1 出漿口類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouting outlet types

1）打開式。該結(jié)構(gòu)形式的注漿連接管在試驗(yàn)前為封閉狀態(tài)；荷載箱加載過程中，隨著位移的產(chǎn)生，出漿口在荷載箱下板處被同步打開，試驗(yàn)后可通過此開口注漿。

在技術(shù)要求上，該注漿連接管在荷載箱下板位置切有槽口，該槽口的設(shè)計(jì)深度大于管壁厚的一半，以保證槽口處為預(yù)留管的最薄弱截面，即唯一斷開處，同時(shí)根據(jù)管徑和壁厚計(jì)算其拉斷力為加載值的2%~5%，用以保證不影響荷載箱的加載。

2）逆止式。該結(jié)構(gòu)形式的注漿連接管上設(shè)有支管及逆止閥，出漿口通過逆止閥設(shè)置為封閉狀態(tài)；荷載箱加載后逆止閥出口位于樁身間隙處，形成注漿的出漿口，能夠保證清水和漿液的正常流通。

該類注漿連接管一般為檢測(cè)兼用管，在試驗(yàn)前后均需保持密封，因此連接管采用套管拉伸結(jié)構(gòu)，在外管上端開孔連接支管后安裝逆止閥，其中支管長度按逆止閥出口緊靠荷載箱下板設(shè)計(jì)，逆止閥的封閉壓力控制為1.0~2.0 MPa，既能保證檢測(cè)管的密封性，也能保證出漿口正常打開。

2.2 注漿管規(guī)格

預(yù)埋注漿管宜采用準(zhǔn)20~32 mm 鋼管，壁厚不宜小于2 mm。如以檢測(cè)管兼做注漿管時(shí)，其規(guī)格應(yīng)同時(shí)滿足其他檢測(cè)的要求。

2.3 注漿管數(shù)量

部分標(biāo)準(zhǔn)提出注漿管的數(shù)量不少于2 根。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮施工便利和注漿效果后，宜按樁徑大小進(jìn)行注漿管數(shù)量的布置：樁徑不大于1.0 m 時(shí)設(shè)置2 根，大于1.0 m 時(shí)設(shè)置2 根以上[4]。

在自平衡試驗(yàn)中，很多情況是利用其它檢測(cè)管（如聲測(cè)管、位移管等）兼做注漿管，若兼做注漿管的數(shù)量滿足要求時(shí)，可不增加專用注漿管。

2.4 注漿管安裝

注漿管按上述方式在荷載箱處連接安裝，上部注漿管與每節(jié)鋼筋籠對(duì)接后，沿主筋綁扎固定至樁頂。下放鋼筋籠時(shí)，每節(jié)注漿管內(nèi)均需注水檢查安裝質(zhì)量，避免因滲漏造成混凝土漿液堵管。

3 注漿要求

3.1 漿液的配制

1）水泥選材。漿液的基本要求是固結(jié)體強(qiáng)度不低于樁身強(qiáng)度，一般可用P.O42.5 或P.O42.5R普通硅酸鹽無結(jié)塊的雙檢水泥[4-5]。

2）漿液配比。水灰比一般為0.5~0.6，并可摻入一定量的微膨脹劑[4-6]。根據(jù)以往試驗(yàn)，28 d后的水泥凈漿試塊在水灰比為0.5 時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到35 MPa 以上；水灰比為0.55 時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)33 MPa 以上；水灰比為0.6 時(shí)，抗壓強(qiáng)度約為27 MPa。因此，注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比，避免漿液固化后的強(qiáng)度低于樁身混凝土強(qiáng)度。

3）水泥漿性能要求。初凝時(shí)間3~4 h，稠度17~18 s，7 d 強(qiáng)度逸20 MPa。

4）漿液配制程序。先放水，再均勻加水泥，宜采用中高速攪拌，攪拌時(shí)間大于2 min，攪拌好的漿液具有良好流動(dòng)性，不離析，不沉淀，并用16 目紗網(wǎng)過濾，防止雜物堵塞注漿孔及注漿管路[6]。

3.2 注漿步驟及要求

1）注漿前清管。注漿前從其中一個(gè)注漿管內(nèi)注清水至其它管冒出清水后停止，其作用主要有兩點(diǎn)：一是檢查和清理注漿管道；二是盡可能沖出因荷載箱打開間隙產(chǎn)生負(fù)壓吸入的土體雜質(zhì)[4-5，7]。

2）壓力注漿。通過高壓膠管連接壓漿泵與工程樁的一根注漿管，當(dāng)回漿管內(nèi)冒出正常的漿液后，封閉回漿管口，進(jìn)行壓力注漿，注漿壓力控制為臆0.5~2.0 MPa[4-5，8]。

3） 注漿量。若僅考慮填充荷載箱處樁身間隙，其理論注漿量與樁身截面面積乘以間隙張開量相對(duì)應(yīng)（間隙張開量指殘余位移量），注漿時(shí)可按理論注漿量的3~5 倍進(jìn)行注漿。

4）注漿流量。控制在100 L/min 內(nèi)。

5） 壓漿終止。以壓漿壓力、壓漿量雙重控制，若特殊要求可按常規(guī)樁側(cè)注漿要求進(jìn)行注漿，注漿完成后應(yīng)保壓5 min 以上方可拆卸注漿管。

4 注漿可靠性分析

4.1 樁身強(qiáng)度

4.1.1 抗壓強(qiáng)度

以樁徑1 000 mm 的鉆孔灌注樁為例，根據(jù)近幾年傳統(tǒng)型荷載箱出廠約400 例的工程實(shí)際參數(shù)，對(duì)荷載箱的數(shù)量及極限承載力均值統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 荷載箱分類統(tǒng)計(jì)Table1 Classification statistics of loadcell

根據(jù)表1 可見，該樁型抗壓極限承載力平均值約為10 000 kN，其荷載箱型號(hào)則為CH-10 000 kN，一般采用6 個(gè)額定推力為850 kN 的YG165型液壓缸組成，荷載箱空腔截面積（即液壓缸空腔截面積之和）占該試樁截面積的16.3%。

此類常規(guī)荷載箱內(nèi)部空腔面積占試樁截面的比例為10%~20%，以上述荷載箱為例，計(jì)算荷載箱處樁身截面承載力，液壓缸外徑205 mm，內(nèi)徑165 mm，不考慮液壓缸內(nèi)注漿。表2 為液壓缸筒與其導(dǎo)致樁身混凝土截面削弱的承載力對(duì)比。

表2 荷載箱截面處抗壓承載力Table 2 Compressive bearing capacity at section of loadcell

由表2 對(duì)比可知，雖然環(huán)形的液壓缸筒截面積僅為液壓缸整體替代的混凝土截面積的35.2%，但其抗壓強(qiáng)度是混凝土的15.09 倍，液壓缸截面抗壓承載力相當(dāng)于原混凝土截面抗壓承載力的5.31 倍。

表3 中液壓缸規(guī)格為組成常規(guī)荷載箱的主要系列，其占據(jù)樁身截面積約35%，將荷載箱處樁身抗壓強(qiáng)度與常規(guī)樁身抗壓強(qiáng)度對(duì)比。

表3 荷載箱截面處抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength at section of loadcell

根據(jù)表3 可知，常規(guī)荷載箱的液壓缸不會(huì)削弱樁身抗壓承載力，反而將荷載箱位置的樁身抗壓強(qiáng)度提高1.17~1.88 倍。

另由表2、表3 中數(shù)據(jù)可知，對(duì)常規(guī)荷載箱不進(jìn)行液壓缸內(nèi)部注漿的承載力便高于同等樁身截面，因此對(duì)液壓缸內(nèi)部注漿的意義不大。但是，如果采用中低壓（臆30 MPa）加載類型的荷載箱，因其液壓缸筒的鋼管壁薄，且相同荷載下缸筒直徑變大，所以液壓缸筒截面與其占據(jù)的混凝土截面比更小，導(dǎo)致其液壓缸筒不能彌補(bǔ)樁身該截面混凝土缺失造成的承載力削減，試驗(yàn)后應(yīng)考慮對(duì)荷載箱內(nèi)部注漿，以彌補(bǔ)缸體薄弱造成的樁承載力損失。

4.1.2 抗剪強(qiáng)度

以表1 中典型荷載箱為例，某試樁主筋為HRB400 螺紋鋼，直徑22 mm，數(shù)量20 根。另液壓缸活塞截面約為液壓缸筒截面的2 倍，選取液壓缸筒參數(shù)計(jì)算樁身抗剪承載力，結(jié)果見表4。

表4 荷載箱截面處抗剪承載力Table 4 Shear bearing capacity at section of loadcell

由表4 數(shù)據(jù)可知，即使不計(jì)樁身注漿截面的抗剪承載力，僅液壓缸筒的抗剪承載力也為常規(guī)樁身混凝土與主筋的抗剪承載力之和的3.1 倍，表明荷載箱處樁身抗剪承載力未削弱，滿足抗剪強(qiáng)度要求。

4.1.3 實(shí)際受力狀態(tài)

荷載箱一般置于樁的中下部，該處樁身主要承受豎向荷載。按樁承載力發(fā)揮機(jī)理，該處軸力很小，而由以上分析得知，該處加固后的樁身抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于常規(guī)樁身截面，故不影響工程樁的正常使用。

當(dāng)樁受橫向力時(shí)，一般情況下深度大時(shí)剪力為0；即使荷載箱處仍有剪力，液壓缸可承擔(dān)該荷載。

4.2 樁側(cè)承載力

試驗(yàn)后荷載箱處產(chǎn)生的裂隙，相當(dāng)于一道樁側(cè)壓漿環(huán)管，對(duì)荷載箱外部進(jìn)行注漿時(shí)，也相當(dāng)于增加了一道樁側(cè)注漿工藝。漿液首先可以填滿荷載箱處混凝土的縫隙，其次也將縫隙內(nèi)部分未清理完全的土體雜質(zhì)進(jìn)行固化增強(qiáng)，充足的注漿還可以對(duì)荷載箱附近的樁側(cè)土體滲透，提高側(cè)摩阻力[2]。其注漿效果如圖2 所示。

圖2 荷載箱處樁身注漿效果示意圖Fig.2 Schematic diagram of grouting effect at section of loadcell

按照我國樁基規(guī)范，進(jìn)行樁側(cè)注漿可大幅提高對(duì)應(yīng)土層的側(cè)摩阻力，依土層的不同，提高幅度在40%~250%之間[2，6，9]。另自平衡試驗(yàn)后注漿處理的驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行荷載箱外部樁身注漿后再次由傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)測(cè)得的樁承載力比原自平衡試驗(yàn)測(cè)得的承載力提高19%以上，也就是說，試驗(yàn)樁經(jīng)過注漿處理后承載力可顯著提高[10]。

5 結(jié)語

1）工程樁采用自平衡法靜載試驗(yàn)后，為保證其安全使用，必須對(duì)荷載箱處裂隙進(jìn)行注漿加固處理。

2）荷載箱處注漿管設(shè)計(jì)為打開式、逆止式兩種，結(jié)構(gòu)符合相應(yīng)試驗(yàn)、其他檢測(cè)和注漿的要求。

3）結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，給出了注漿管埋設(shè)、漿液材料和配制要求以及注漿步驟等質(zhì)量控制建議。

4）荷載箱位置的樁身抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均明顯高于試樁本身的強(qiáng)度。

5）注漿可有效修復(fù)自平衡靜載試驗(yàn)產(chǎn)生的樁身間隙，且樁身抗壓、抗剪強(qiáng)度均有所提高，樁側(cè)土體承載力也有所提高，工程樁可以正常使用。