桩侧后注浆抗拔桩技术的研究与应用

第33卷增刊2岩土工程学报Vol.33Supp.22011年10月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringOct.2011桩侧后注浆抗拔桩技术的研究与应用王卫东1，吴江斌1，王向军1，黄茂松2(1.华东建筑设计研究院有限公司地基基础与地下工程设计研究所，上海200002；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092)摘要：桩侧后注浆抗拔桩是指灌注桩成桩后通过桩侧预埋注浆装置注浆，改变桩身与桩周土的接触界面特性，从而提高抗拔承载力。介绍了桩侧后注浆抗拔桩的侧注浆装置、施工工艺参数和桩型特点。基于现场足尺试验、离心模型试验、剪切面试验等对桩侧后注浆抗拔桩、扩底抗拔桩和等截面抗拔桩进行对比，初步认识了桩侧后注浆抗拔桩的承载能力、承载变形特性及桩土接触界面的力学特性和注浆增强机理。结合工程实践提出了估算桩侧后注浆抗拔桩承载力的增强系数法和荷载传递法。介绍了桩侧后注浆抗拔桩技术在上海世博500kV地下变电站和上海白玉兰广场工程的应用。关键词：桩侧后注浆抗拔桩；现场足尺试验；离心模型试验；剪切面试验；荷载传递法中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1000–4548(2011)S2–0437–09作者简介：王卫东(1969–)，男，辽宁人，工学博士，教授级高级工程师，一级注册结构工程师，从事高层建筑地基基础、地下工程、深基坑工程的设计与研究。E-mail:[e-mail]。Studyandapplicationofside-groutingupliftpilesWANGWei-dong1,WUJiang-bin1,WANGXiang-jun1,HUANGMao-song2(1.DepartmentofUndergroundStructure&GeotechnicalEngineering,EastChinaArchitectureDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200002,China;2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Comparedtotheusualboredupliftpiles,theside-groutingboredupliftpilesaremoreeffectiveinprovidingtheupliftresistancebychangingtheinterfacepropertybetweenthepileandthesoil.Themainfeaturesoftheside-groutingsystem,constructiontechnologyandpileparametersarepresented.Basedonthefull-scaletests,centrifugalmodeltestsandsheartests,comparisonsamongtheside-groutingupliftpiles,base-enlargedupliftpileandstraightshaftupliftpilearecarriedout.Someinitialacknowledgementisattained,suchasthebearingcapacity,characteristicsofload-displacementrelation,interfacemechanicsbetweenthepileandthesoilandthestrengtheningmechanismofgrouting.Accordingtotheengineeringpractice,twomethodstocalculatethebearingcapacityoftheside-groutingupliftpilesareintroduced,thatis,grouting-strengtheningempiricalmethodandload-transfermethod.Theapplicationcasesoftheside-groutingupliftpilesinShanghaiEXPO500kvundergroundtransformersubstationandtheprojectofBaiyulanSquareareintroduced.Keywords:side-groutingupliftpile;full-scaletest;centrifugemodeltest;sheartest;loadtransfermethod0引言在我国沿江、沿海地区，地下水丰富、水位埋深通常在地表下1～3m，随着地下空间开发向深层和大型发展，地下工程在地下水作用下的抗浮问题越来越突出。从地下工程抗浮技术来说，一般有增加自重、释放水浮力和设置抗拔锚杆或抗拔桩等方法，设置抗拔桩仍为当前最普遍采用的方式。相对常规等截面桩，扩底桩和桩侧后注浆桩等新型抗拔桩以较少材料的增加而大幅提高承载力，应用前景广阔。2000年以来，上海、杭州、天津等地开展了扩底抗拔桩的探索工作，笔者结合现场足尺试验、数值分析与工程实践对软土地区扩底抗拔桩进行了一些有益的探索，并逐步得到推广和应用[1-5]。但对于砂层，扩孔的施工与检测变得非常困难；且当桩长较长时，扩底桩更换扩底钻头也会影响工效，使得扩底抗拔桩的应用受到了一定的限制，桩侧后注浆抗拔桩则表现出特有的优势。桩侧后注浆抗拔桩是指灌注桩成桩后通过预设在桩身内的注浆导管和桩侧注浆器对桩身若干断面进行注浆，改变桩身与桩周土的接触界面特性，从而提高承载力。笔者于2006年依───────收稿日期：2011–08–02438岩土工程学报2011年托上海世博500kV地下变电站工程开展了尝试[6]，并对桩侧后注浆抗拔桩的设计分析方法、施工技术和工程应用开展了研究工作。本文总结了桩侧后注浆抗拔桩的侧注浆施工工艺与桩型特点；基于现场足尺对比试验、离心模型试验、剪切面试验等试验研究，初步认识了桩侧后注浆抗拔桩的承载变形特性；结合工程实践提出估算桩侧后注浆抗拔桩承载力的增强系数法和荷载传递法；介绍了桩侧后注浆抗拔桩技术在上海世博500kV地下变电站和上海白玉兰广场工程的应用实例。1桩侧后注浆抗拔桩的型式与特点1.1桩侧注浆装置桩侧后注浆采用预埋管的注浆方式，按桩侧注浆装置与注浆方式可分为环向点式注浆和纵向线式注浆，两种注浆方式的要点和特点如下。图1桩侧注浆方式Fig.1Modeofside-grouting（1）环向点式注浆将注浆器沿桩周环向布置，通过不同标高多个环形注浆断面实现整个桩身注浆[7]。桩侧注浆装置由纵向注浆导管、环形管及注浆器组成，见图1（a），注浆器通过环形管连接并沿环向对称布置。纵向注浆导管是连接地面注浆系统与环形管的过渡管材，一般采用内径为25mm的标准黑铁管，注浆导管应连接牢固和密封，与钢筋笼主筋绑扎固定并一起下放至孔内。环形管采用高压复合软管，实现注浆器的连接，同时与纵向注浆导管连通。通常每个环形管上沿圆周对称设置4个注浆器，注浆器为单向阀式构造。注浆时，浆液由纵向注浆导管经环形管通过注浆器的单向阀直接注入土层。由于每一个环形注浆断面需对应一个注浆导管与地面注浆装置连通，因此注浆断面不宜设置过多，应通过加大注浆量提高注浆断面的影响范围。桩侧后注浆断面的设置与注浆量应综合地层条件、桩长和承载力增幅要求等因素确定。首道注浆断面通常可在桩顶9m以下，注浆断面间距可取9～12m，当要求承载力增幅较大时注浆断面数量取小值；当位于粗粒土层时，宜将注浆断面设置于粗粒土层下部。单一断面注浆量主要根据桩径确定，上海地区桩侧注浆单一断面的水泥用量为0.4～0.6t，桩径大时取大值。环向点式注浆为目前国内普遍采用的方式。（2）纵向线式注浆桩侧注浆装置由纵向注浆导管及注浆器组成，见图1（b）。根据桩径的大小，沿桩周对称设置2～3根纵向注浆导管，注浆导管从地面通至桩端，在导管上每隔1～2m设置桩侧注浆器。注浆时，在纵向注浆导管内插入可上下移动的可控注浆芯管，实现对导管上不同标高桩侧注浆器的注浆。由于在纵向注浆导管内插注浆芯管，导管内径通常大于50mm。与环向点式注浆相比，纵向线式注浆特点是通过一个注浆导管便可实现整个桩长的线式注浆，布设导管数量少、沿桩长注浆点密集，注浆施工可控性好，注浆效果更均匀和稳定。纵向线式注浆方式在国内较少采用，是进一步发展的方向。1.2注浆工艺与施工控制除桩侧注浆阀外，桩侧后注浆抗拔桩在注浆系统与施工参数上皆与桩端后注浆没有明显差异。桩侧注浆的施工难点在于侧注浆阀的构造、预埋和保护。桩侧注浆施工参数主要包括浆液配方、泵压、泵量、浆液注入量等，其中泵压包括开塞压力、注浆压力、终止压力等。注浆水泥宜采用P.O42.5水泥，注浆水灰比为0.6～0.7。一般成桩后12h进行清水劈裂对注浆阀进行开塞，当压力超过4MPa时视为管路不通。后压浆起始作业时间一般于成桩后5～7d进行，具体时间可视施工情况与经验进行调整。注浆流量的选择要满足渗透注入，以30～50L/min为宜，同时要参照压力的变化，在恒定注入压力比较低的情况下，可适当加大泵量，否则应以低值注入，桩侧注浆压力不宜大于1.5MPa。后注浆采用注浆量和注浆压力双控方法，以水泥注入量控制为主，泵送终止压力控制为辅。当注浆量达设计要求时，可终止注浆；当水泥注入量达到预定值的70%，泵送压力超过4.0MPa并持荷3min也可停止注浆。一般宜采用自上而下的注浆顺序，即先注最上部断面，待其有一定的初凝强度后，再依次往下注浆，通常各断面的注浆间隔时间不宜小于1h。这种方式可以最大限度地保证每一个注浆断面所注浆液能分布在预定的范围内。1.3桩侧后注浆抗拔桩的特点受泥浆护壁钻孔桩施工工艺的影响，成孔过程中增刊2王卫东，等.桩侧后注浆抗拔桩技术的研究与应用439桩周土体应力释放、侧壁土层受泥浆浸泡松软、泥浆颗粒吸附于孔壁形成泥皮等成为降低桩侧摩阻力的主要因素。桩侧注浆浆液通过渗透充填、挤密、固结作用，对桩周土加固，同时浆液沿着桩土接触面向上“返浆”，从一定程度上削除泥皮带来的不良效应，使桩侧摩阻力得到提高，从而较大地提高抗拔承载能力。桩侧后注浆适用于黏性土、粉土和砂土，适用范围较广。桩侧注浆施工可以与桩基施工交叉进行，不占用总工期。当桩长较长时，扩底桩施工调换扩孔钻头所需的时间也就更长，从而影响工期。当桩身下部位于深厚砂性土层，扩底抗拔桩的扩孔施工质量不易保证，而砂层中注浆的效果却较好。因此，相对于扩底抗拔桩，桩侧后注浆抗拔桩的适用性强、工效高，特别是对于桩径和桩长相对较大的情形，其施工可行性和承载力的提高比例都更有保证。2试验研究与承载特性依托实际工程，开展了桩侧后注浆抗拔桩、扩底抗拔桩和等截面抗拔桩的抗拔承载力足尺对比试验[8]，基于对桩身轴力的量测初步认识了桩侧后注浆抗拔桩桩侧摩阻力的分布与发挥特性。联合同济大学开展了离心模型试验和剪切面试验[9]，离心模型试验开展了桩侧后注浆抗拔桩、扩底抗拔桩和等截面抗拔桩3种桩型抗拔极限试验，研究不同桩型的极限承载能力；剪切面试验则开展了模拟注浆与未注浆桩土接触界面的大型剪切试验[9]，深入认识桩侧注浆加固机理及桩土接触面界面的力学特性。2.1现场足尺试验试桩场地位于上海虹桥综合交通枢纽的西交通广场，包括等截面抗拔桩、扩底抗拔桩和桩侧后注浆抗拔桩3种桩型，试桩的剖面及相应土层如图2所示。其中常规等截面桩2组、桩侧注浆桩4组、扩底桩3组。3种桩型的桩径皆为700mm，桩长约50m，桩侧后注浆抗拔桩设置了4道注浆断面，最下面一道注浆断面距桩端5m，往上每间隔9m设置一道注浆断面，每道断面水泥注入量为0.5t，扩底桩的扩底直径为1400mm，扩大头高度2m。所有试桩皆埋设沉降杆进行桩端位移的量测，桩身内力的测试则采用了光栅或光纤传感器，测点多，能全面了解不同埋深土层