浅析高压注浆提高灌注桩承载力的机理

摘要：本文通过对压浆机理、高压注浆提高灌注桩承载力的影响因素及机理的分析，较为深刻的认识了高压注浆提高灌注桩单桩竖向承载力的作用，以达到更好利用高压注浆技术的目的。

关键词：高压注浆、机理、单桩竖向承载力。

中图分类号：TP301文献标识码： A

1 前言

钻孔灌注桩在基础领域应用广泛，然而受施工条件、施工方法等因素的限制，灌注桩承载力往往很难达到预期的要求。因此，有效的提高灌注桩的承载力，以保证灌注桩的承载力要求就显得尤为重要。高压注浆作为一种提高灌注桩单桩竖向承载力的技术，以越来越多的应用到工程实践领域。正确认识高压注浆提高灌注桩承载力的机理，对于更好的利用高压注浆技术具有重要意义。

2 压浆机理分析

2.1 压浆材料的渗透理论

压浆材料在外力作用下渗入到岩土的裂隙或孔隙中，一般地说，压力越大，注入的浆液量越多，扩散的距离也就越远，加固的效果也就越好。但压浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如岩土的孔隙率及孔隙大小，材料的可注性，压浆的施工方法，地基的非均质性，也下水的流动，压浆材料的时间特性等。所以很难使压浆的渗透来严格地理论化。

在高压注浆情况下，水泥浆液首先充满地基土的空隙、裂隙中，然后随着注浆压力增大。空隙、裂隙逐步扩大，因此空隙周围的土得到密实，也必然增加土颗粒的连接数，从而提高土的抗剪能力。

2.2固结作用

2.2.1固结土强度的增长原理

地基土在注浆后，无论是水泥浆液或是化学浆液，都是依靠浆液的渗透凝胶把土颗粒粘结在一起，并充填了岩土的孔隙，使土体密实度增加；同时，浆液在化学反应进程中，某些化学剂与岩土中的元素进行离子交换形成了新的物质，这都增加了固结的粘聚力。强度增长的原理可用下式表示：

注浆前的元粘性土的抗剪强度（）为

注浆后的抗剪强度（）为

式中：为土体内剪切面上法向有效应力；为土的内摩擦角；为土的粘聚力。

2.2.2 粘性固结土的强度

粘性土地基注浆后，在注浆压力作用下，浆液克服了地基的初始应力和抗拉强度，使土体沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂，浆液进入劈裂的土体形成脉状浆液固结体。脉状浆液固结体、由于浆液与土颗粒的化学作用以及因浆液脉状渗透的注入压力而挤密的土体、未受注浆影响的原地基土一起组成了一种复合地基，可共同承受上部荷载。

在对饱和粘性土地基用注浆法进行处理时，由于其透水性并、强度低、触变性强等特点，可能使整个地基土质改良的效果不太理想。所以在采用注浆法处理饱和软粘土地基时应慎重。

2.2.3 固结土的渗透性

由于土的种类、注浆材料的种类、注浆方法的不同及浆液渗透的不均匀性，使得止水效果要低于实验室内试验的结果。一般来说，原地基的透水性大，止水的效果就好；原地基透水性小，止水效果就较差。

3影响高压注浆灌注桩承载力的因素

3.1适用土层

当灌浆材料的颗粒尺寸小于土的有效孔隙尺寸，即 时，表明土体具有容纳浆粒的空间，浆液才是可灌的。在注浆过程中，如果浆液浓度较大，材料往往以两粒或多粒的形式同时进入孔隙，出现“挤粒”现象，导致渗透通道的堵塞。能够直接以渗透方式进入的土层，仅包括中砂、粗砂、砾石等少数土层。由于渗透方式对浆材的扩散较为有利，可以使浆材渗入土体后较 均匀地生成结石体，增加灌注桩的桩径、桩长及桩 端截面积等，因此较大幅度地提高桩的承载力。 对于颗粒粒径比砾石更大的土层，如卵石、碎 石土等，其密实度如果过小，会由于浆液渗透系数 过大而产生流动，在这种土层中压浆，浆材的走向 随机性较大，无法有效控制，因而不宜设作压浆土层。 对不能直接渗透压浆的土层，其总厚度往往占桩身长度的较大比例，在这些土层中注浆，往往以 劈裂、挤密、推排充填等方式注入。

3.2高压注浆管的布置

所谓压浆管布置，主要是指出浆口的布置。目前工程中常用桩端压浆、桩侧压浆、桩端桩侧联合 压浆等布置法。后压浆主要通过改善桩底沉碴及桩侧泥皮提高承载力。大量的研究表明：改善桩端沉碴优于改善桩侧泥皮所获得的效果。在注浆总量相等时，桩端、桩侧联合压浆比仅用端压浆的承载力高。对于细砂层，其渗透系数已较接近压浆可渗透系数，压浆时先采用稀浆，这时一方面由于细砂层中孔隙水较易于消散，同时稀浆减少了浆材颗粒在细砂孔隙中灌浆 “挤粒”的概率。因此，砂层及含砾砂层均可考虑布置侧压浆，中砂以上及含砾砂层可设为端压浆。

对于桩端土层适宜渗透注浆，而桩侧绝大部分土层并不适宜渗透注浆的情形，往往会出现桩端压浆量还末达到设计值时浆材便已冲破桩侧泥皮冒出地面的现象，降低了等量水泥浆对承载力的提高幅度，造成注浆浪费。在这种情况下，可以在桩侧离桩端一定距离处设置侧压浆管，先进行侧压浆，待浆材终凝后再进行端压浆。侧压浆距桩端的距离，应大于浆材在桩侧向下注入的行进距离。

3.3高压注浆顺序

在大面积桩基施工时，压浆顺序往往决定于桩基施工顺序。考虑到其它因素，如压浆时浆液串入其它区域，硬化后将对该区域内末施工的桩的钻孔造成影响，因而往往将全部桩基根据集中程度划分为若干区块，每个区块内桩距相对集中，区块之间最小桩距大于区块内最小桩距 2 倍以上。从而将压浆影响区域限定于单个区块之内，各区块之间的施工顺序不受影响。 对于区块内的各桩，宜采用先周边后中心的顺序压浆。对周边桩应以对称、有间隔的原则依次压浆，直到中心。

3.4高压注浆手法

压浆手法是施工管理人员基于对压浆过程的判断而采用的注浆速度，属于人为因素。选择不同注浆速率的主要目的是为了提高压浆量。如浆材在较短时间内迅速冒出地面，由于压浆压力的大小取决于阻力的大小，这样就破坏了泥皮阻滞注浆所自然形成的注浆量条件。因此，适宜的压浆速率应使挤出孔隙水所需压力与泥皮被 劈裂所需压力之间大致达到平衡。

4高压注浆提高单桩承载力的机理分析

4.1桩端压浆

在桩端压注水泥浆液，浆液首先渗透到最疏松的桩端残碴间隙中，与残碴胶结结合成强度较高的混凝上，消除了孔底沉碴的影响当残碴间隙被水泥浆液充满后，随着浆压的增加，浆液将充填由于灌注混凝上离析形成“虚尖”、“干碴石”等，增加了桩端混凝上的强度

随着注浆量的进一步增加及浆压的增高，水泥浆液一方面向受泥浆浸泡而松软的桩端持力层渗透，另一方面向桩端四周扩散，形成梨形结石体，从而在压实桩端上的同时，扩大了桩端面积，提高了承载力.同时。浆液会沿桩壁上返，充填桩侧与桩周土间的间隙，增大侧阻力。当浆液受到桩和桩端限制时，浆压被迫提高，将给桩底面施加反向的预应力当桩承受向下的竖向荷载时，此反向预应力将分担部分荷载，进而提高单桩承载力。

4.2 桩侧压浆

桩侧压浆的主要作用是借助高压使水泥浆渗透、充填、置换桩周泥皮和充填因桩身固化收缩形成的微间隙，扩大灌浆段桩的有效半径，提高了桩上粘结强度，从而提高桩侧摩阻力。施工中常见的泥皮在高压作用下，沿桩周被顶出的现象就是最好的证明。

结束语

通过以上分析，在高压注浆设计时，选根据地基土的性质，选择合适的注浆材料及注浆量，合理布置注浆管；在施工时，合理确定注浆顺序，根据注浆情况及时调整注浆速率；就能有效的保证注浆质量，从而达到提高灌注桩承载力的目的。

参考文献

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[2] 华祥征．基础工程设计与施工．长春：吉林大学出版社，1996

[3] 李丹. 后压浆灌注桩承载力的影响因素分析. 土木基础，2004

[4] 张明远. 后压浆桩承载力提高机理与应用. 武汉理工大学学报，2004