灌注樁后注漿技術應用及經濟性分析

武學文 王玉梅 郭曉品

（秦皇島玻璃工業研究設計院有限公司 秦皇島 066000）

0 引言

隨著我國土木工程技術的不斷發展，高層建筑、大體型建筑以及各類復雜地質條件下的建筑不斷涌現。樁基礎成為這些建筑物基礎的有效解決方案之一。鉆孔灌注樁又是各類樁基礎中應用相對廣泛的一種。鉆孔灌注樁在成樁過程中由于自身的工藝缺陷，導致其存在一定量的樁側泥皮和樁底沉渣。樁側泥皮和樁底沉渣的存在限制了灌注樁承載力的有效發揮。隨著結構設計過程中對單樁承載力的要求越來越高，單一的鉆孔灌注樁技術已難以滿足建設需求。基礎工程部分的造價占整個建筑物造價的25%～30%。簡單的通過加大樁徑、增加樁長會帶來建設成本的非線性增加，其經濟性遭到了投資者的質疑。灌注樁后注漿技術的出現成功解決了上述難題。近些年，灌注樁后注漿技術在我國得到了廣泛應用和快速發展。

1 后注漿技術原理

灌注樁后注漿技術首次應用于1958年設計的委內瑞拉Maracaibo（馬拉開波湖）大橋樁基礎，隨后陸續在其他國家的橋梁工程中應用。在國內，北京市建筑工程研究所1983年首創樁端壓力注漿樁。后注漿技術通過改善灌注樁樁側、樁端位置樁土界面薄弱部位的工作性能來提高承載能力。基本原理為利用預留的壓力管道向樁端、樁側界面注入水泥漿液固化劑。漿液在不同樁端和樁側土層中的擴散與加固機理不盡相同。注入漿液在粗粒土中以滲透固結為主，在細粒土中以劈裂注漿為主，起到置換、充填、膠結、加筋、壓密等一種或多種形式組合的作用。

后注漿的固結與劈裂加固工作原理示意見圖1［1］。

圖1 后注漿的固結與劈裂加固工作原理示意圖

2 承載力分析

2.1 樁基方案及有關參數

秦皇島地區某5層倉庫建筑，柱網9.0 m×9.0 m，使用活荷載較大，30～40 kN/m2不等。因臨近建筑物一側有20 m高擋土墻，天然地基持力層深，基坑開挖與支護風險較大。初步設計采用鉆孔灌注樁，由于單柱荷載較大，局部甚至出現了以最小樁距布樁仍不能滿足受力要求的情況。同時，建設單位與施工單位在成本控制的壓力下，尋求將普通鉆孔灌注樁方案修改為后注漿灌注樁方案。

后注漿灌注樁樁徑D＝800 mm，估算樁長8.5 m，沿樁周對稱布置2根壓力注漿管。因樁長較短，注漿方式采用單一樁端注漿。樁端持力層為強風化混合花崗巖，樁端進入持力層2.50 m，極限端阻力標準值3000 kPa。依勘察報告，樁側土層由上至下對應的土層、土層厚度和極限側阻力標準值依次為素填土（2.65 m、20 kPa）、粉質黏土（0.60 m、65 kPa）、中粗砂（1.70 m、70 kPa）、砂質黏性土（1.00 m、75 kPa）、強風化混合花崗巖（2.50 m、120 kPa）。

2.2 承載力分析與試驗結果

后注漿灌注樁的單樁極限承載力標準值可按JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》［2］（以下簡稱《樁基規范》）中的公式計算：

Quk＝uSqsjklj+uS bsiqsiklgi+bpqpkAp

式中：u——樁身周長，m；

lj——后注漿非豎向增強段第j層土厚度，m；

lgi——后注漿豎向增強段內第i層土厚度，m；qsik、qsjk、qspk——分別為后注漿豎向增強段第i層土初始極限側阻力標準值、非豎向增強段第j層土初始極限側阻力標準值、初始極限端阻力標準值，kPa；

bsi、 bp——分別為后注漿側阻力、端阻力增強系數。

單一樁端后注漿時，豎向增強段為樁端以上12 m，不考慮填土層的增強作用，該樁其余土層均位于增強段內。后注漿側阻力增強系數除中粗砂取1.7外其余取1.4，后注漿端阻力增強系數取2.0。據此可以計算出后注漿灌注樁極限承載力標準值為5400 kN。

工程樁正式施工前進行了試樁，遺憾的是由于試驗費用限制和施工進度要求，靜載試驗時未能加載至極限破壞狀態。試驗得到的數據如圖2、圖3所示。

圖2 后注漿灌注樁Q—s曲線

圖3 試樁1的s—lgt曲線

試驗采用慢速維持荷載法，荷載—沉降（Q—s）曲線無陡降，沉降—時間對數（s—lgt）曲線尾部未出現明顯向下彎曲，無“樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且24 h尚未達到相對穩定”的情況，表明各試驗樁均達到了設計要求。可見后注漿技術能有效提高灌注樁的承載力，且沉降較小，可以滿足建筑物使用功能要求。試樁沉降及承載力分析數據見表1。

表1 試樁沉降及承載力分析數據

3 注漿參數分析

注漿效果的好壞直接影響樁基的承載力，而合理的注漿參數是取得良好注漿效果的基礎。最優注漿量應根據樁長、樁徑、加固土體特性、承載力增幅等因素綜合取定，不能簡單的依據規范公式計算得出。最終的注漿參數仍應以現場試樁工藝試驗結果為準。

3.1 注漿量

注漿量的初步估算可依據《樁基規范》公式確定，注漿量計算公式：

Gc＝ apd＋asnd

式中：ap、 as——分別為樁端、樁側注漿量經驗系數，ap＝ 1.5～1.8， as＝0.5～0.7；

n——樁側注漿斷面數；

d——基樁設計直徑，m；

Gc——注漿量，以水泥質量計，t。

樁端、樁側注漿量經驗系數由加固土層性質確定，對獨立單樁和群樁初始注漿的數根基樁注漿量按上述估算值乘以1.2的系數。本例中僅單一樁端注漿，按土層性質ap取1.65，計算得注漿量為1.32～1.58 t。

對比3種長徑比的單樁，其承載力隨注漿量的增加而提高，但是注漿量對基樁承載力的影響曲線逐漸趨于平緩［3］。該研究表明樁端后注漿對承載力的提高幅度是有極值的，注漿量對承載力的貢獻僅在一定范圍內有效。

3.2 注漿壓力、流量與終止注漿條件

終止注漿壓力應根據土層性質及注漿點深度確定，對風化巖宜為3～10 MPa，并按此終止注漿壓力維持不小于3 min。注漿流量不宜超過75 L/min。終止注漿條件滿足下列之一即可：①注漿總量和注漿壓力均達到設計要求；②注漿總量已達設計值的75%，且注漿壓力超過最大設計值。規定終止注漿的條件是為了保證后注漿的預期效果及避免無效過量注漿。

3.3 漿液水灰比及其他

漿液的水灰比應根據土的飽和度、滲透性確定，對于飽和土和非飽和土分別宜為0.45～0.65、0.7～0.9，低水灰比漿液宜摻入減水劑。施工時注意選擇施工工藝，是一次注漿還是二次注漿。注漿開始時間不宜早于成樁后2天，也不宜遲于成樁后30天，過早注漿有可能影響樁身強度。注漿作業與成孔作業應間隔10 m以上。樁端注漿應對同一根樁的注漿導管依次實施等量注漿。

4 經濟性分析

經濟性需要從不同層面進行分析，同一層面也有不同的技術經濟指標可以考量。在此，分別從個體的單樁經濟性和總體的基礎造價兩個層面進行對比分析。為方便計算和排除不必要的干擾因素，需要作部分假定。假定所有樁長均為8.5 m，注漿量以中值1.40 t計。工程實踐表明，承臺部分的造價約占基礎造價的20%，單樁承載力越低，承臺造價越高。總體比較時未考慮承臺因素對造價的影響。

設計時按普通灌注樁單樁承載力特征值1500 kN方案布樁需375根；按后注漿灌注樁單樁承載力特征值2700 kN布樁需234根。梁金永等［4］從樁基優化角度提出承載效率指標，即樁體單位體積混凝土提供的承載力特征值，同樣適用于經濟性比較。另外，單位承載力特征值基樁造價指標、增量承載力特征值基樁造價指標均能較好地揭示經濟性。單樁經濟性分析見表2。基礎工程造價分析見表3。

表2 單樁經濟性分析

表3 基礎工程造價分析

由于后注漿技術較大幅度提高了單樁承載力，其經濟效果明顯。當然，影響基礎工程造價的因素眾多，設計過程中還需結合上部結構布置形式、荷載分布情況、巖土體特性等因素，合理應用灌注樁后注漿技術，方可得出最佳方案。

5 結語

灌注樁后注漿技術具有適應性廣，施工方法簡便，技術經濟效果明顯等優點。實際應用中也出現過工程樁不滿足設計要求承載力的情況，故設計與施工人員仍須加強質量控制。

（1）按照《樁基規范》公式計算的極限承載力標準值僅適用于初步設計。后注漿灌注樁的單樁極限承載力，應通過靜載試驗確定。正式施工前應進行試樁，靜載試驗宜加載至破壞狀態，避免后期工程樁出現大面積不滿足設計要求承載力的質量問題。對于后注漿樁承載力的提高幅度，端阻的增幅高于側阻，粗粒土的增幅高于細粒土，樁端樁側復式注漿高于樁端、樁側單一注漿。

（2）設計確定注漿量時應綜合考慮樁長、土層性質等因素。注漿壓力、終止注漿條件等注漿參數仍宜以現場試驗為準。除設計因素外，施工也是決定后注漿效果的關鍵因素之一。后注漿樁由于承載力提高幅度大，應嚴格控制施工質量。要求施工單位應有較高的注漿工藝水平，因地制宜地制定注漿操作規程和質量控制標準。

（3）后注漿灌注樁具有的顯著經濟效益是毋庸置疑的。不同的地質條件、不同的注漿方式對承載力提高的影響各不相同。如何根據不同工程的特點調整設計以求達到最佳的經濟效果仍是一大難題。