樁端高壓后注漿技術在優化沖孔灌注樁施工中的應用

林 品

（福建省地質工程公司，福建 福州 350002）

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，越來越多的人口往一二線城市集中，在寸土寸金的一二線城市，住宅樓及辦公樓逐漸向高層建筑發展。沖孔灌注樁基礎在高層建筑中得到越來越廣泛的使用，特別是軟土地區，沖孔灌注樁更是主要基礎形式。然而，在實際運用中，沖孔灌注樁采用泥漿護壁成孔，且地下隱蔽工程質量控制難度大，試樁過程中往往達不到設計估算的承載力，灌注樁后注漿技術的出現，提高了灌注樁承載力，提升了工程質量。本文結合現行規范及工程實踐，闡述樁端高壓后注漿技術的基本原理、施工工藝、施工效果等，以供相關技術人員參考。

1 工程概況與樁基礎選擇

1.1 工程概況

工程地處廈門市思明區湖濱北路西段，北臨湖濱北路，西鄰正在建設的國際廣場，東面為建業大廈，南側為恒通花園。擬建地上建筑42層，設置三層地下室。樁基設計等級為甲級，樁基安全等級為一級，樁基采用沖鉆孔灌注樁，主樓樁持力層為中風化巖或中風化凝灰熔巖。

1.2 地層巖性特征

根據地勘報告，場地巖土層自上而下依次分布有：

雜填土①，雜色，主要由碎石、碎磚、碎砼等建筑垃圾組成，不均勻混20%～40%的粘性土或砂，局部夾有花崗巖塊石。堆填時間約10年，基本完成自重固結，呈松散～稍密狀態，密實度不均勻。場地內均有分布，各鉆孔均遇見該層填土，層厚1.20～5.10m，平均厚度2.49m。

淤泥質土②，深灰、灰黑色，含少量有機質及腐植質，偶見有未完全腐爛植物，略具臭味，呈飽和、流塑狀態。切面光滑，搖振無反應，干強度及韌性高。場地內均有分布，各鉆孔均遇見該層土，其頂面埋深1.20～5.10m，標高介于-0.98～3.45m，層厚2.30～11.30m。

粉質粘土③，褐黃、褐灰色，局部含10%左右中細砂，稍濕，呈可塑狀，局部呈硬塑狀，搖振無反應，干強度及韌性中等。其頂面埋深6.10～12.70m，標高介于-8.39～-1.30m，層厚0.80～6.30m。

殘積砂質粘性土④-1，褐黃、褐灰、灰白等色，系花崗巖原地風化殘積而成，原巖結構可辨，長石類礦物已風化成土，殘留約10%石英質粗顆粒（粒徑＞2mm），主要呈稍濕、硬塑狀態，局部呈可塑狀態。搖振無反應，干強度及韌性中等。其頂面埋深11.10～14.70m，標高介于-10.02～-6.89m，層厚3.10～10.70m。

凝灰熔巖殘積粘性土④-2，褐黃、灰褐色，系由凝灰熔巖原地風化殘積而成，原巖結構清晰可辨，殘留少量石英質顆粒，呈稍濕、可塑～硬塑狀態。搖振反應無，干強度及韌性高。其頂面埋深8.10～17.50m，標高介于-13.29～-3.38m，層厚3.80～16.50m。

全風化花崗巖⑤，褐黃、灰白等色，主要礦物成分為長石、石英及云母，長石類礦物風化嚴重，呈粉末狀，手可捏碎，手捏有砂感，浸水后可捏成團，風化裂隙極發育，巖芯呈土柱狀。為極軟巖，巖體極破碎，巖體基本質量等級為V級。合金鉆進容易。其頂面埋深14.20～23.20m，標高介于-18.39～-9.80m，主樓鉆孔揭露該層，層厚1.90～11.60m。

散體狀強風化花崗巖⑥-1，褐黃、褐灰色，主要礦物成分為長石、石英及云母，長石類礦物風化明顯，風化裂隙極發育，巖芯呈散體狀。為軟巖，巖體極破碎，巖體基本質量等級為V級。合金鉆具鉆進較易。其頂面埋深20.80～31.00m，標高介于-26.19～-16.15m，主樓鉆孔揭露該層，層厚12.30～27.30m。

散體狀強風化凝灰熔巖⑥-2，灰黃、灰白色，巖體風化強烈，風化裂隙很發育，大部分礦物已風化變質，巖芯呈散體狀。屬極軟巖，巖體極破碎，巖體基本質量等級為V類，合金鉆具鉆進易。其頂面埋深21.90～39.50m，相當于標高-35.41～-17.50m，主樓鉆孔均揭穿該層，層厚7.70～21.20m。

碎塊狀強風化花崗巖⑦-1，褐黃、褐灰色、灰白色，主要礦物成分為長石、石英及云母，長石類礦物風化顯著，呈顆粒狀，風化裂隙極發育，巖芯呈碎塊狀。為軟巖～較軟巖，巖體極破碎，巖體基本質量等級為V級。合金鉆具鉆進較易。其頂面埋深40.70～55.80 m，標高介于-50.99～-36.02m，主樓鉆孔揭露該層，層厚3.40～12.70m。

碎塊樁強化風凝灰熔巖⑦-2，灰黃、灰白色，巖體風化強烈，風化裂隙極發育，大部分礦物已風化變質。巖芯呈碎塊狀和塊狀。屬軟巖～較軟巖，巖體極破碎，巖體基本質量等級為V類，合金鉆具難鉆進。其頂面埋深37.80～53.50m，相當于標高-49.41～-32.93m，主樓鉆孔均揭穿該層，層厚0.60～20.10m。

中風化花崗巖⑧-1，褐黃、淺肉紅色，主要礦物成分為長石、石英及云母，部分礦物已風化，風化裂隙發育，局部裂面呈鐵銹色，巖芯呈塊狀及短柱狀，巖石質量指標RQD介于25%～80%之間。屬較硬巖，巖體較破碎～較完整，巖體基本質量等級為VI～III級。金剛石具鉆進較難。其頂面埋深53.40～65.90m，相當于標高-61.09～-48.72m，揭露厚度5.10～15.50m。

中風化凝灰熔巖⑧-2，灰黃、灰白、深灰色，主要成分為石英、長石及暗色礦物，熔巖結構，塊狀構造，少部分礦物已風化變質，風化裂隙發育，裂隙呈陡傾角狀，裂隙面見褐黃色鐵質浸染，巖芯呈短柱狀及塊狀。屬較硬巖，巖體較破碎，巖體基本質量等級為IV級，金剛石鉆具鉆進慢。巖石質量指標RQD介于25%～70%之間。其頂面埋深48.10～66.10m，相當于標高-61.33～-43.45m，揭露厚度5.07～14.84m。

1.3 樁基礎選擇

殘積土、基巖不均勻風化和球狀風化現象突出。殘積土中分布有花崗巖“孤石”，強風化巖中分布有中風化“球狀風化體”，其分布存在隨機性、無規律性。

地勘報告對地基基礎選型分析：擬建建筑物荷載大，結構復雜，一般基礎型式難以滿足要求，因此建議采用樁基礎，樁型可選擇鉆（沖）孔灌注樁，宜以中風化花崗巖或中風化凝灰熔巖作為樁端持力層，純地下室部分亦可以強風化花崗巖層為樁端持力層。

2 普通灌注樁設計與試樁

2.1 設計方案

主樓沖孔灌注樁端全面進入中風化花崗巖或中風化凝灰熔巖≥1200mm，有效樁長≥35m，樁徑1200mm，樁身混凝土強度C35，單樁承載力特征值為11000kN，極限承載力為22000kN。按規范要求：設計等級為甲級的建筑樁基，應通過單樁靜載試驗確定單樁豎向極限承載力。

2.2 試樁情況

經參建各方共同選定在主樓區域，B3勘探點附近進行第一次破壞性試樁，樁徑1000mm，施工樁長55.60m，持力層經地勘單位及參建各方判定為中風化凝灰熔巖，樁端入巖1400mm。沖孔施工過程無斜孔、塌孔；下鋼筋籠階段正常；第二次清孔采用正循環清孔，澆筑前孔底未測有明顯沉渣；混凝土質量良好，首灌返漿正常，澆筑過程拔導管正常。

樁身混凝土試塊經試壓合格，動測樁身完整性符合要求后進行靜載試驗，檢測試樁1#單樁豎向抗壓極限承載力為10000kN。經設計換算，未達到主樓設計承載力特征值11000kN要求。

2.3 原因分析

參建各方與設計單位共同分析試樁結果，認為在持力層為中風化凝灰熔巖無異議的情況下，承載力不高的原因：（1）施工中暴孔時間（沖孔時間、下鋼筋籠時間、灌注混凝土時間以及間隙時間）過長，以致在樁孔表面生成一層較厚的泥皮；（2）正循環清渣工藝，清渣時間長，增加泥漿護壁泥皮厚度，增加孔洞縮徑風險，削弱樁側摩阻力；（3）二次清渣泥漿泵停泵到混凝土澆筑，有時間間歇，泥漿中沉渣會沉淀于孔底，沉渣過厚，首灌混凝土無法有效地沖翻孔底沉渣，造成孔底沉渣超標，樁身混凝土質量下降，引起承載力不足。

2.4 改進措施

針對以上原因，參建各方共同確定，項目后續工程樁施工，采用以下措施：（1）繼續加強施工過程管理，配備施工經驗豐富、質量意識強的現場管理人員和鉆機操作人員，嚴格控制各道工序的施工質量，特別是持力層的判定，由地勘單位逐根到場驗收持力層巖性；（2）沖孔灌注樁24h施工，加快成樁時間，下鋼筋籠前應進行掃孔作業，減少泥漿護壁泥皮；（3）鋼筋籠下籠完畢，采用氣舉反循環二次清孔工藝，（3）合理安排混凝土澆筑時間，二次清孔完畢應立即澆筑混凝土，特別是夜間清孔完成，嚴禁等第二天才澆筑混凝土，以免清孔時間過長引起縮徑可能，（4）增加樁端高壓后注漿技術的應用。

為檢驗以上改善措施，設計院建議進行第二次試樁驗證，第二次試樁兩根，樁長均為45m，樁徑均為1200m，樁端持力層為散體狀強風化凝灰熔巖，其中一根采用樁端高壓后注漿技術。

3 樁端高壓后注漿技術對灌注樁施工的優化分析

3.1 樁端高壓后注漿技術基本原理

樁端高壓后注漿技術是指灌注樁在成樁后，通過預埋在樁身的注漿管向樁端地層均勻注入能固化的漿液（通常為純水泥漿），視漿液性狀、地層特性和注漿參數等不同條件，壓力漿液對樁端土層、中風化與強風化基巖、樁端虛土及樁端附近的樁周土層起到滲透、填充、置換、劈裂、嚴密及固結或多種形式的組合等不同作用，改變其物理化學力學性能及樁與巖、土之間的邊界條件，消除虛土隱患，從而提高樁的承載力以及減少樁基的沉降量[1]。

3.2 樁端高壓后注漿技術優化沖孔灌注樁施工工藝

3.2.1 沖孔灌注樁施工流程

（1）泥漿護壁沖孔成孔；（2）放鋼筋籠和灌注導管；（3）注漿管安放；（4）按常規方法灌注混凝土；（5）壓力注漿。

3.2.2 注漿管安放及注漿施工工藝

（1）沿鋼筋籠圓周對稱設置3根Ф25壁厚為3.0mm的焊接鋼管，深度直達樁底，注漿管的下端設出漿口，并用膠帶或塑料膜包住，出漿口的位置高出孔底30～50cm，注漿管應與鋼筋籠綁扎固定。

（2）樁身混凝土灌注24h后對注漿管實施預壓劈裂通道工序，壓水壓力為1～2MPa，壓通后壓力自然下降，壓水量以壓通為止。

（3）樁身混凝土灌注后2～30天內完成樁端壓力注漿，終壓力10MPa，漿液濃度（水灰比）0.5∶1～0.6∶1。

（4）達到以下條件中的任何一條時即可停止注漿：注漿壓力超過10MPa；每根注漿管水泥用量超過3t；所注的水泥漿從地面冒出。

3.3 試樁情況

第二次試樁兩根，兩根樁基本參數均一致，并且試樁距離較近，試樁2#樁未采用樁端高壓后注漿技術，試樁3#樁采用樁端高壓后注漿技術，實際注漿水泥用量1.8t。經靜載試驗所得數據如表1。

表1 兩次試樁參數與結果統計表

從表1數據可看出，樁端高壓后注漿的單樁極限承載力大于未注漿的承載力,提高幅度將近60%。

兩次試樁工作后，地勘單位結合試樁檢測數據出具了《樁基設計參數值修正建議函》，對各地層qpk、qsik等取值進行調整，為樁基設計調整提供了重要參考依據。經設計調整，該工程主樓樁單樁承載力特征值取9350kN，主樓樁采用樁端高壓后注漿技術。

3.4 樁端高壓后注漿效果分析

3.4.1 提高樁承載力

設計調整后，主樓樁全部采用樁端高壓后注漿工藝。經樁基驗收靜載試驗選取的5根主樓樁承載力均滿足要求，極限承載力極限值達到18700kN[2]。比試樁1#未采用高壓注漿，持力層同為中風化巖相比，單樁承載力提高顯著。

3.4.2 解決虛土問題

由于沖鉆孔灌注樁以泥漿作沖洗介質，無論采用何種先進的二次清渣工藝，不可能將鉆渣完全攜帶至地表；另外，在灌注樁身混凝土前的二次清渣工序與首灌混凝土工序之間有一定的時間間隙，在此間隙內，孔內泥漿中部分沉渣將沉淀于孔底。注入樁端的水泥漿液與樁端虛土發生物理化學反應使其固化，凝結成一個結構新、強度高、化學性能穩定的結石體，并有一定的擴底效應，提高樁端阻力，從而提高樁的極限承載力。

3.4.3 提高樁側摩阻力

對于泥漿護壁法沖鉆孔灌注樁，由于泥皮的存在，阻礙樁身混凝土與樁周土的粘結，相當于在樁側涂上一層泥皮“潤滑劑”，泥皮越厚，樁側摩阻力降低越嚴重，因此，泥皮的存在成為泥漿護壁沖鉆孔灌注樁的另外一大癥結。

該工程灌注樁空孔較長，多達14m，現場施工過程中，樁端高壓后注漿壓力很難達到10MPa，只能按照單樁注漿水泥用量9t及水泥漿從地面冒出作為終止注漿條件。當水泥漿從空孔中冒出時，往往水泥用量約5～8t。根據現場樁頭剝露情況來看，多數樁外圍均包裹著水泥漿。

這說明這種高水泥用量樁端后注漿，同時也在一定程度上對樁側進行了注漿。樁側注漿，水泥漿液滲入泥皮與樁側更大范圍的樁周土體，漿液凝結后，樁側泥皮被加固，更大范圍的樁周土體被調動起來參與承載，樁側摩阻力得到較大提高，有效地解決了泥漿護壁沖鉆孔樁泥皮降低樁側摩阻力的問題。

4 結束語

綜上所述，沖孔灌注樁施工過程中，通過制定周密的施工方案及針對性的技術措施，可以有效提高沖孔灌注樁成樁質量。樁端高壓后注漿技術，能夠有效消除孔底沉渣和樁側泥皮對成樁質量的不利影響，提高了樁身承載力，工程質量和經濟效果顯著。