注浆加固技术在预应力混凝土管桩基础中的应用

摘要：本文结合工程实例介绍了注浆加固技术处理管桩承载力不足的方法，并通过对加固机理的分析和静载试验的结果充分证明了此方法是可行的，且具有良好的技术经济效益，值得推广应用。

关键词：预应力混凝土管桩；注浆加固；桩端阻力；桩侧摩阻力

1、前言

预应力混凝土管桩因其经济省材、结构合理、施工速度快、成桩质量好、施工安全且工业化程度高等优点，已受到越来越广泛的关注，已成为我国国内桩基础建设中常用的桩型。然而因地层的复杂性以及管桩自身一些不足，管桩施工质量事故也时有发生，如在有坚硬夹层的土层施工中，预应力管桩常难以穿越，导致桩身承载力达不到设计要求，传统的解决方法是采用引孔穿越或补桩加强。近年来也兴起用注浆加固地基的方法解决此类问题。龙江明珠二期工程预应力管桩施工过程中，部分沉桩无法穿越厚度不足3m的圆砾⑤这一坚硬夹层,达不到设计要求，采用桩端下注浆改善桩端及桩周土的特性，使桩端下和桩周土体得到加固以提高桩的承载能力，从而解决桩基质量问题。

2、工程概述

2.1 工程简介

龙江明珠二期（15#~20#楼）工程位于漳州市芗城区丹霞路东侧，有6幢商住楼，总建筑面积107321m2，地下1层，地上19层， 上部结构采用框架剪力墙结构，下部基础采用预应力高强混凝土管桩，桩身砼强度为C80，静压法施工，设计总桩数1576根，设计桩型有三种，分别为：①PHC500-125-A,单桩竖向承载力特征值为2000KN；②PHC400-95-A,单桩竖向承载力特征值为1150KN；③PHC400-95-AB,单桩竖向承载力特征值为1150KN。因PHC500桩位处的圆砾层⑤厚度分布不均,为1.0m~6.0m不等,故其桩端持力层设计比较复杂,分两种情况：当圆砾层⑤≥3m时，则圆砾层⑤作为持力层；当圆砾层⑤＜3m时，则散体状强风化花岗岩⑦-21作为持力层，对难于判断圆砾层⑤厚度的区域，进行施工补勘。 而PHC400桩相对比较单纯,其下卧的圆砾层⑤厚度均不足3m, 桩端持力层设计为硬塑残积砂质粘性土⑥-2。

2.2 地基岩土构成及特性

根据勘探钻探揭示，该场地为九龙江冲洪积平原地貌，地基岩土层自上而下共划分为七个工程地质层，具体如下：①杂填土，②粉质粘土，③淤泥，④-1中砂，④-2粉质粘土，④-3细砂，④-4淤泥质粘土，⑤圆砾，⑥-1可塑残积砂质粘性土，⑥-2硬塑残积砂质粘性土，⑦-1全风化花岗岩，⑦-21散体状强风化花岗岩，⑦-22碎裂状强风化花岗岩，⑦-3中风化花岗岩。各土层的岩土特性详表1。

3、管桩施工遇到的难题及解决方案

在需要穿越圆砾层⑤的PHC500管桩施工中，因圆砾层⑤本身比较密实再加上大承台下群桩的挤土效应，部分PHC500管桩在圆砾层⑤中加到最大压桩力5100KN仍无法进尺,甚至发生抱压夹具打滑现象，管桩无法穿越圆砾层进入到设计的持力层――散体状强风化花岗岩⑦-21，桩端土层提供的端承力达不到设计要求。经过研究及多方案的比较，采用压力注浆加固处理是最为简便、快速、经济而且质量稳定可靠的方法，即在桩的中间空心部位采用钻孔，利用高压注浆泵通过注浆管路对桩端下的可塑残积砂质粘性土⑥-1及硬塑残积砂质粘性土⑥-2进行压力注浆加固。通过注浆不仅改善了可塑残积砂质粘性土及硬塑残积砂质粘性土的特性，增强其力学性质，降低其压缩性，使其成为坚固的复合土体；而且在浆液的渗透作用下可以在桩端圆砾层中形成扩大头，也可以挤密和填充桩周土层，使得桩端阻力和桩侧摩阻力得到增强，从而提高桩基承载力。

压力注浆采用二次注浆法，具体方案如下：①注浆孔采用机械成孔，钻孔直径≥Ф89mm,进入全风化花岗岩岩层≥1.0m,钻孔终孔后应进行替浆和清孔，然后立即插入注浆管；②压力注浆采用二次注浆工艺，一次注浆管采用可重复利用的Ф20胶管，二次注浆管采用Ф20的焊接钢管，一次注浆管绑扎在二次注浆管的端部随二次注浆管放入注浆孔内，注浆管下端距孔底宜为50-100mm，二次注浆管自残积土层以下2m起打首个出浆孔，出浆孔直径≥Ф8mm，以下每50cm打一个出浆孔，出浆孔和端头应密封，确保一次注浆时浆液不进入二次注浆管内；③注浆材料采用32.5R普通硅酸盐水泥净浆，水灰比0.5，一次注浆至孔口溢浆即可停止，二次注浆时间为一次注浆体强度达到5Mpa后进行，一般应在一次注浆24小时内进行，先注注浆孔，然后注中部注浆孔；④停止注浆标准：当注浆压力大于3.0Mpa,或单孔注浆量大于250kg/m（水泥含量）。注浆加固示意图详图1。

4、压力注浆加固机理

4.1改善持力层条件，提高桩端阻力

⑴在细粒土（粘性土、粉土、粉细砂等）的桩端持力层中注浆时,浆液渗入率低，实现劈裂注浆。在注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的破坏和扰动，使其沿垂直于主应力的平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，浆液沿劈裂脉渗透注入地层，浆液的可注性和扩散距离增大。劈裂注浆的浆液劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络，使单一介质土体被网状结石体分割加筋成复合土体，提高桩端土体密度并能有效地传递和分担荷载, 从而提高桩端阻力。

⑵ 在粗粒土( 孔隙较大的卵砾石、中粗砂等) 的桩端持力层中注浆时, 主要实现渗入式注浆，浆液在压力作用下，渗入粗粒土孔隙中，将孔隙中的自由水和气体排挤出去，但不改变土体结构的原状和体积，通过渗透及填充方式充填孔隙,浆液凝固后把土颗粒粘结在一起，形成水泥结石体，大幅度提高持力层扰动面及持力层的强度和变形模量, 并形成水泥土扩大头, 增大桩端受力面积, 提高桩端阻力。

4.2 大幅提高桩侧摩阻力

桩端注浆在压力作用下,浆液从桩端沿桩侧向上，通过渗透、挤密、充填和固结作用，使桩侧土孔隙率降低、密度增加，使桩身混凝土与桩周土体的间隙得到充填，提高了桩周土的粘结力，呈现渗透填充胶结效应；当注浆压力超过劈裂压力，则土体产生水力劈裂，呈现劈裂加筋效应。这两种效应不仅使压桩时扰动的桩周土恢复原状，提高强度，同时在桩周形成浆脉状结石体，如同树根植入土中，大幅度提高了桩侧摩阻力。

4.3 提高桩土的整体性

管桩底注浆对桩周土体会产生扰动, 但浆液可通过劈裂裂缝渗入到土层的孔隙及裂缝中。一旦浆液凝结, 这部分土的强度就会有所提高, 由于浆液与管壁之间的凝结力远大于土与管壁间的凝结力,故可将注浆管桩及土凝结体视为一个整体, 共同承担上部荷载, 从而其承载能力可大幅度提高, 随着浆液凝结龄期的增长, 其承载力也会明显增加。

5、压力注浆施工

5.1 施工工艺

压力注浆施工工艺流程为: 钻机安装定位 成孔 替浆和清孔 安放注浆管 搅拌机、注浆泵安装 水泥浆制作 一次注浆封孔 二次高压注浆。

5.2 施工技术

⑴严格控制钻孔深度，钻孔必须进入全风化花岗岩层1m，以确保注浆加固效果。

⑵在使用前对高压注浆泵及管线的密封性能要进行试运行，对注浆管要检查注浆头的长度、出浆孔径、孔距是否符合方案要求，二次注浆管的端头和出浆孔是否用合适的橡胶膜封闭、包裹；注浆管各节连接是否牢固密封, 及注浆管上端是否略高出地坪, 并要有良好的封堵, 以防止杂物进入堵塞浆管。

⑶注浆用水泥浆按设计水灰比配置，并且搅拌2min以上，并在2h内用完，采用20目以上滤网进行二级过滤，防止未搅拌均匀的水泥粗颗粒进入高压泥浆泵造成堵塞。如发现高压泥浆泵压力跳动较大等异常现象，宜停止注浆，查找原因，排除故障后再进行注浆施工。

⑷注浆应低档慢压，先稀后浓。低档慢压既能有效防止压力突然增大出现无法压浆的情况，也能防止浆液顺着桩身上窜或从其他地方冒出，使桩端或桩周土体被水泥浆液逐步填充，随着注浆量的增加，压力自然形成注浆增加的状况。

⑸如压浆量未达到设计要求，就出现浆液冒出地面时，应暂停注浆，并将注浆管内的水泥浆用缓凝型的水泥浆置换出来，停止1h小时左右再进行注浆，如此反复，直至达到设计注浆量。

⑹注浆过程应进行双控制，即控制水泥用量和注浆压力，一般以注入水泥量为主控因素，水泥注入量达到预定量，无特殊情况即可停止注浆。

⑺注浆完毕或较长时间停泵时, 必须对高压注浆泵、浆液拌和机及地面管路系统等认真清洗, 以防产生水泥结块, 堵塞管路和泵体。

⑻注浆完毕, 须立即将注浆管拧上堵头, 以防回浆, 降低注浆效果。

6、结束语

本工程共对246根未达到设计持力层的PHC500管桩进行注浆加固处理，静载试验时也特别抽取了3根经注浆加固处理的管桩进行试验，试验最大荷载为4000KN,试验加荷方式为慢速维持荷载法。试验进展顺利，未出现异常现象，试验在最大荷载作用下桩顶沉降均小于40mm,且没有明显沉降增大的现象，试桩未达到极限承载状态。经注浆加固处理的管桩静载试验结果见表2。

通过静载试验结果证明采用注浆加固处理预应力混凝土管桩桩端持力层提供的承载力不足的质量问题是成功的，是完全可行的。此方法施工简便、处理速度快、质量稳定可靠而且成本较低，技术经济效益显著，值得推广应用。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看