注浆加固技术在预应力混凝土管桩基础中的应用

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1、注浆加固技术在预应力混凝土管桩基础中的应用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

2、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：PHC500-125-A,单桩竖向承载 力特征值为2000KN:PHC400-95-A,单桩竖向承载力特征值为1150KN； PHC400-95-AB,单桩竖向承载力特征值为1150KN。因PHC500桩位处的圆砾层 厚度分布不均，

3、为1.0m6.0m不等，故其桩端持力层设计比较复杂,分两种情况： 当圆砾层3m时，则圆砾层作为持力层；当圆砾层V3m时，则散体状强 风化花岗岩-21作为持力层，对难于判断圆砾层厚度的区域，进行施工补勘。 而PHC400桩相对比较单纯，其下卧的圆砾层厚度均不足3m,桩端持力层设计 为硬塑残积砂质粘性土-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：杂填土，粉质粘土，淤泥，-1 中砂，-2粉质粘土，-3细砂，-4淤泥质粘土，圆砾，-1可塑残积砂 质粘性土，-2硬塑残积砂质粘性土，-1全风化花岗岩，-21散体状强风

4、化 花岗岩，-22碎裂状强风化花岗岩，-3中风化花岗岩。各土层的岩土特性详 表1。表 1 岩土特征表层号 地层名称 岩性描述 土层厚度 杂填土 褐黄、灰褐，土质疏密不均匀，呈疏松 稍密状。 0.303.50m 粉质粘土 灰黄、灰褐、浅灰，湿 很湿，可塑，土质较均匀，粘性好。 1.405.30m 淤 泥 深灰、灰黑色，饱和，流塑 软塑，含有机质及少量腐质物。 0.706.50m -1 中 砂 灰褐、浅灰、浅黄、浅灰黄，饱和，松散 中密，主要成分 石英。 1.4010.50m-2 粉质粘土 灰黄色，很湿饱和，可塑。 1.206.80m-3 细 砂 深灰、浅黄、灰黄，饱和，松散中密。0.506.40

5、m-4 淤泥质粘土 深灰、灰黑色，饱和，流塑软塑。 1.102.40m 圆 砾 灰黄、褐黄、浅灰色，饱和，中密密实，以密实为主，主要成 分石英，砾石粒径约为25cm，部分粒径较大约为78cm，且混有10-30%粗砾 砂，力学性质好，具有低压缩性。 1.006.00m -1 可塑残积砂质粘性土褐黄、灰黄、黄白，饱和，可塑，系中细粒花岗岩原地风化残留产物，力学性质较好，具中等压缩性。 1.8011.90m -2 硬塑残积砂质粘性土褐黄、灰黄、黄白，饱和，硬塑，系中细粒花岗岩原地风化残留产物，力学性质良好，具中等压缩性。 4.4014.50m -1 全风化花岗岩 灰 黄 、 褐 黄 色 ， 中 细

6、粒 花 岗 岩 风 化 。-21 散体状强风化花岗岩 碎，力学性质良好，具低压缩性。1.6012.80m灰黄、褐黄色，岩石属极软岩，岩体属极破灰黄、褐黄色，岩石属较软岩 软岩，岩体2.1512.20m-22 碎裂状强风化花岗岩属破碎。 0.808.50m-3 中风化花岗岩 浅黄、灰黄、灰白色，岩石属较硬岩，岩体基本质 量等级为III级。2.953.10m3、管桩施工遇到的难题及解决方案在需要穿越圆砾层的PHC500管桩施工中，因圆砾层本身比较密实再加 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

7、层进入到设 计的持力层散体状强风化花岗岩-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 -1 及硬塑残积砂质粘性土-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

8、方案如下：注浆孔采用机械成孔，钻孔直 径Q89mm,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；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 20胶管，二次注浆管采用20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Q8mm，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； 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

9、达到5Mpa后进行，一般应在一次注浆 24小时内进行，先注外围注浆孔，然后注中部注浆孔；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

10、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。 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

11、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

12、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。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。注浆用水泥浆

13、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。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。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

14、计注浆量。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。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。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40m

15、m，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。表2桩型桩号 最大试验荷载（KN） 最大试验荷载下桩顶沉降（mm） 残余变形（mm） 单桩竖向极限承载力（KN）PHC500-125-A 15、16-146 400014.915.634000PHC500-125-A 17-259 400019.798.64000PHC500-125-A 1820-86400012.546.484000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。参考文献：1 孔清华等. 桩底注浆高承载力预应力混凝土管桩研究与实践 . 岩土 工程界， 2006.9. （11）2 陈峰等.管桩桩底注浆技术及其工程应用.福建建设科技.2009.53 沈保汉.桩端压力注浆效果分析.网易.2003.2.194DBJ13-86-2007/J11017-2007.先张法预应力混凝土管桩基础技术规程