后压浆技术在西安砂土中的应用

1后压浆技术在西安砂土中的应用孙虎平①余风翔②（①西安市政设计研究院有限公司，陕西西安710068；②中铁第一勘察设计院集团公司）【摘要】桩端后压浆技术是对传统桩基技术的发展，具有较大实用性、经济型，结合西安市东风路灞河桥的工程实例，系统探讨了桩端后压浆技术的形成机理、技术优势及经济效益，并给出了完整的计算方法，具有一定的实用性，可供设计人员设计中参考。关键词：桩后压浆承载力砂土0前言桩基础是我国高层建筑、公路、城市桥梁工程等采用最多的基础形式之一，其中很大一部分采用钻孔灌注桩。目前在钻孔施工技术、桩径和桩长等方面均取得很大发展，如桥梁工程中最大桩长已达125m，桩径3.0m，单桩承载力高达12000t。但由于受施工工艺影响，钻孔灌注桩还存在一些影响桩基承载力的因素。（1）在成孔过程中，采用泥浆护壁形成泥皮，降低了桩侧摩阻力。摩阻力降低的程度与泥皮的质量、厚度等有关，泥皮质量越好，厚度越大，摩阻力越低。（2）成孔后，孔周边形成了较大的自由面，改变了地层的初始应力状态，孔周土体向孔中心产生不同程度的位移，导致孔周一点范围内原有土体的密实度降低，从而使桩土间侧摩阻力降低。（3）施工过程中，由于使用泥浆作为冲洗介质，无论采取何种清孔工艺，很难将孔内沉渣全部带出至地表。特别是当孔内泥浆比重、粘度较大，清孔不彻底时，沉渣往往较厚。故孔底沉渣的存在是影响钻孔灌注桩承载力的重要因素之一。（4）孔壁受水浸泡，使桩周土的抗剪强度降低及桩身混凝土收缩等均会导致桩侧摩阻力的降低。经理论研究及实验证实，采用桩端压浆工艺可有效的消除上述不利因素的影响并达到提高钻孔灌注桩承载力的目的。具有重要的工程使用价值。1钻孔灌注桩后压浆技术钻孔灌注桩后压浆技术是成桩时在桩体内某一位置预置压浆管路，待桩身达到一定强度后，通过压浆管路，利用高压压浆泵压注以水泥为主剂的浆液到桩周（包括桩底）的土体中，以达到对桩端沉渣、桩侧泥皮及桩周土体起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等作用。其目的是通过改变土体的物理力学性能及桩土间边界条件，以达到提高桩的承载力，减少沉降量。21.1浆液扩散机理浆液扩散机理随土层类别、性质、上覆压力、边界条件等而变化，可分为充填注浆、渗透注浆、劈裂注浆、挤密注浆四种情况。在实际压浆过程中，并不是某一种浆液扩散形式单独作用，而是以一种或二种扩散形式为主，其它形式为辅，同时作用。充填注浆：多用于土层内大孔隙、大空间的注浆，如卵石层、碎石层、砂砾层中注浆，浆液固结形态与土层内的原有空洞相同。渗透注浆：浆液在压力作用下，克服浆液流动的各种阻力，渗入土的孔隙和岩土裂隙中，将孔隙中的自由水和气体排挤出去，浆液凝固后把土颗粒粘接在一起，形成水泥土结石体，使土层的抗压强度和变形模量得以提高。劈裂注浆：在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的分块（片）破坏，使其沿垂直于较小主应力的平面上发生劈裂，形成新的裂隙，浆液进入到裂隙中，形成纵横交叉的脉状网络，这一过程压密了分块（片）土体，提高了土抗力。挤密注浆：用一定的压力压入粘稠的浆液，取代并挤密注浆点土体，在注浆管端部附近形成“浆泡”。当浆泡的直径较小时，灌浆压力基本上沿钻孔的径向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生较大的上抬力而使地层抬动。常用于中砂地基，粘土地基中若有适宜的排水条件也可采用。1.2影响桩端后压浆承载力的因素影响桩端后压浆承载力的因素大体可分为两方面：一是浆液的种类。涉及渗透性、固结性、耐久性、有效颗粒物等；二是后压浆施工因素。包括压浆装置的形式，压浆路径的畅通，压浆量，压浆压力等。1）桩端土层的性质一般来说，在其他条件相同的情况下，桩端为卵砾石、砂砾石、砂等粗粒土时因其渗透性较好且自身强度大而比桩端为粉细砂等细粒土时的承载力提高的幅度大。在粗粒土（孔隙率较大的卵砾石、中粗砂等）中压浆时，浆液渗入率高，通过渗透、部分挤密、填充及固结作用，大幅度提高持力层受荷面积及持力层的强度和变形模量。在细粒土(粘性土、粉土、粉细砂等)中压浆时，浆液渗入率低，实现劈裂压浆，土体被网状结石分割加筋成复合土体，它能有效地传递和分担荷载，极限承载力增幅通常在14%～88%的范围内，个别桩的增幅可达106%～138%，其增幅较在粗粒土中压浆时小。2）压浆量（水泥量）：在土层性质、桩端压力注浆装置形式、桩体尺寸、压浆工艺及压浆压力等条件相同的前提下,对于桩端压浆而言,压浆量多者承载力增幅一般也大。33）压浆压力：压浆压力影响注浆范围，一般情况下，土体被加固的范围越大，土体承载力增幅也越大。4）浆液种类:：浆液压浆工艺的基本要求是浆液必须渗入土体的孔隙，即浆材颗粒尺寸应远小于孔隙尺寸。另胶料的耐久性、强度等也直接影响着注浆加固的效果。普通水泥最大颗粒尺寸约在60～100μｍ(0.06～0.10ｍｍ)之间,其浆液难于进入渗透系数k5×10-2cｍ/ｓ的砂土孔隙或宽度小于200μｍ的裂隙。为了提高水泥浆液的可注性，国外常采用把普通水泥浆材再次磨细的方法,从而获得平均粒径小于3～4μｍ的超细水泥。2工程实例西安市东风路灞河桥，桥梁全长505.3米，宽53.5米。主桥采用两跨89.2m半中承式连续系杆拱桥，引桥采用小箱梁。基础采用钻孔灌注桩群桩基础，其中主桥桩径2m，桩长为39m~45m；引桥桩径1.2、1.5m，桩长为20m~33m。均采用桩端后压浆工艺。2.1地质概况据勘探揭露，场地内地层自上而下依次由第四系全新统人工填土（Q4ml），冲湖积（Q4al+l）冲填土、冲湖积（Q4al+l）砂砾及上更新统冲洪积（Q3al+pl）粉质粘土、砂砾和中更新统冲积（Q2al）粉质粘土、中粗砂组成。各层土钻孔桩承载力计算参数建议值见表1。表1钻孔桩承载力计算参数建议值表层序岩土名称桩端阻力特征值(KPa)桩侧阻力标准值(KPa)层序岩土名称桩端阻力特征值(KPa)桩侧阻力标准值(KPa)1-2素填土160407中砂450752中粗砂220507-1圆砾8001603圆砾300808粉质粘土230604中粗砂320609中砂450804-1粉土220409-1粉砂200705圆砾4001209-2砾砂5501206中砂3707010粉质粘土400756-1粉质粘土2806511中粗砂450906-2圆砾6001302.2试桩设计参数为验证桩端压浆后实际承载力以保证设计桥梁安全，特在桥梁3#墩、5#墩、7#墩下游分别布置试验桩，实施后压浆桩基的静载试验。为能够进行科学对比，另选取工程桩2-12实施了非后压浆桩的试验。具体参数见表2。4表2试桩参数表桩号桩径（m）桩长（m）平衡点位置备注2-121.530桩端以上9米非后压浆3#1.530桩端以上5米后压浆5#1.530桩端以上5米后压浆7#1.545桩端以上15米后压浆2.3承载力测试结果试桩测试采用自平衡试桩法，根据实际测量数据，取荷载平衡点（荷载箱）上部桩侧阻力修正系数0.8，得出4根试桩的极限承载力和相应的桩顶位移见表3。表3各桩极限承载力及相应的桩顶位移桩号项目2—123#5#7#最大加载量（kN）55008250825010285最大加载量时累计沉降值（mm）43.6845.1842.9653.52极限承载力Qu=WQu上+Q下u（kN）11262155501555019448各桩的等效荷载曲线如下图所示：011002200330044005500U(kN)0.004.008.0012.0016.0020.0024.0028.0032.0036.0040.00δ(mm)U-δ曲线0150030004500600075008250U(kN)0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00δ(mm)U-δ曲线2-12号桩等效荷载位移曲线3#号桩等效荷载位移曲线50150030004500600075008250U(kN)0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00δ(mm)U-δ曲线01870374056107480935010285U(kN)0.006.0012.0018.0024.0030.0036.0042.0048.0054.0060.00δ(mm)U-δ曲线5#号桩等效荷载位移曲线7#号桩等效荷载位移曲线2.4后压浆对承载力影响分析通过2-12未压浆桩基的试验结果与3#、5#桩端压浆试验桩的试验结果对比，得出承载力提高了38.0%。3桩端后压浆设计桩端后压浆设计包括合理压浆量、压浆压力、后压浆桩承载力的设计计算。3.1合理压浆量后压浆桩承载力和压浆量有很大关系。在一定范围内，承载力提高幅度和压浆量成正比，但当压浆量超过一定量时，增加压浆量，承载力不提高或提高幅度极小，因此存在一个合理的压浆量或界限压浆量。但由于地下土层的复杂性，加上施工过程的影响，准确地计算合理压浆量比较困难，实际中常用下列经验公式来估算。dGpc＝（1）式中:Gc——注浆量，以水泥重量计(t)，d——桩直径(m)；αp-——注浆量经验系数；经验系数αp取值范围如表4。表4注浆量经验系数αp持力层粘土粉砂细砂中砂粗砂/砾砂卵石取值范围2.1-2.52.5-3.22.4-2.72.3-2.73.1-3.82.3-2.8使用该公式时应注意：①本公式适用于较长较大直径钻孔灌注桩注浆量的计算;6②本公式为经验公式，考虑到施工中很多的影响因素，没有对实际问题进行理想化和一系列的假定，具有一定的实用价值;③本公式考虑到土层对注浆量的影响，但影响趋势不太明显,如粉砂的系数取值整体大于细砂，这与理论不相符合,在实际计算时，可以通过取值来实现增长趋势的变化。3.2承载力计算建议目前，承载力计算公式大多采用的是建科院公式，公式如下。Quk=Qsk1+Qsk2+Qpk=UΣqskiLi+(UΣξsiqskiLi+ξpqPkAp)λg（2）式中：Qsk1，Qsk2——桩上部未压浆侧阻力和桩端压浆上返段侧阻力；Qpk——压浆后桩端阻力qski,qPk——极限侧阻力和端阻力；Li——桩侧的第i层土厚度;U,Ap——桩身周长和桩端面积；ξsi——侧阻力增强系数，侧阻力的增强范围在桩端以上10～20m范围，ξsi按下表取值,其他位置ξsi取1.0；ξp——桩端力增强系数，按下表取值；λg——压浆量修正系数，λg＝实际压浆量/合理压浆量，取λg≤1.0表5侧阻力增强系数ξsi，端阻力增强系数ξp土层名称粘性土粉土粉砂细砂中砂粗砂砾砂ξsi1.61.61.82.0ξp1.62.02.83.2在总结现有承载力计算公式的基础上，根据现有工程资料，结合东风路灞河桥桩端后压浆试桩工程试验，以桩径、桩长和合理的注浆量为变量，按土层分类，对压浆前后极限承载力一系列数据进行对比分析、归纳总结，以得出侧阻力增强系数βsi和端阻力增强系数βp。同时考虑到了建科院公式中指出的注浆量合理影响，改进出如下公式。gppkpksikskippksikuk11AqLqUAqLqUQii（3）式中:Quk——桩端后压浆灌注桩的单桩轴向受压承载力qsik,qPk——极限侧阻力和端阻力；Li——桩侧的第i层土厚度;U,Ap——桩身周长和桩端面积；7βski——侧阻力增强系数，侧阻力的增强范围,当在饱和土层中压浆时，取桩端以上8.0~12.0米；当在非饱和土层中压浆时，取桩端以上4.0~5.0米，βski按下表7取值,其他位置βski取1.0；βpk——桩端力增强系数，按下表6取值；λg——压浆量修正系数，λg＝实际压浆量/合理压浆量，一般取λg≤1.0其中端阻增强系数βpk和侧阻增强系数βski如下表：表6端阻力增强系数βpk持力层粘土(βp1)粉砂(βp2)细砂(βp3)中砂(βp4)粗砂/砾砂(βp5)卵石(βp7)取值范围1.5-2.12.5-3.22.1-2.63.82.9-3.52.7-3.6表7侧阻力增强系数βski持力层粘土(βs1)粉砂(βs2)细砂(βs3)中砂(βs4)