钻孔灌注桩桩底压力灌浆的工艺、效果及机理.doc

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傅旭东
　　摘　要：根据新乡、巩县及扬州等地钻孔灌注桩桩底压力灌浆现场试验和桩的静载试验，介绍了桩底压力灌浆的工艺及压力灌浆的效果，并对压力灌浆提高钻孔灌注桩承载力的机理进行了分析，对其推广应用作了介绍。
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钻孔灌注桩桩底压力灌浆的工艺、效果及机理
傅旭东
　　摘　要：根据新乡、巩县及扬州等地钻孔灌注桩桩底压力灌浆现场试验和桩的静载试验，介绍了桩底压力灌浆的工艺及压力灌浆的效果，并对压力灌浆提高钻孔灌注桩承载力的机理进行了分析，对其推广应用作了介绍。
　　关键词：钻孔灌注桩；压力灌浆；承载力
　　分类号：U443.154；U445.552　　文献标识码：A　　　论文编号：1003-4722(1999)01-0052-55
Construction Technique,Effect and Mechanism of
Pressure-grouting for Increasing the Bearing Capacity of Bored-Piles
Fu Xudong
　　Abstract:　Based on the in-situ pressure-grouting experiments and the full-scale pile tests of Xinxiang and Ligou and Yangzhou bridges, the process and effect of jet pressure-grouting are presented in this paper.The mechanism of increasing the performance of bored piles by grouting is also analyzed.An engineering experience of applying the new technique is presented in the paper.
　　Key words:　bored pile;grouting;bearing capacity
　　近年来，钻孔灌注桩在各类建筑工程中的应用越来越广泛，但由于钻孔灌注桩施工过程中泥浆护壁及清孔不彻底，常在桩周形成“软套子”、在桩底形成“软垫子”，使得钻孔灌注桩摩擦力及端阻力不能有效地发挥，造成钻孔灌注桩承载力偏低，桩材没有充分的利用。国内外的试验研究和工程实践表明，对钻孔桩进行后压力灌浆加固(post-grouting)，能够有效地提高桩的承载力。这种工艺1961年首次在修建马拉开波湖(Maracaibo)大桥桩基时得到应用，由于此工艺能大幅度地提高桩的承载力，此后在全世界得到了广泛的应用［1～4］。我国自80年代起，先后由中国建筑科学研究院地基所、西南交通大学岩土工程研究所等科研单位对此项工艺进行了试验和推广，形成了各自的特点并取得了显著的效益［5～6］。由于压力灌浆技术能有效的提高钻孔灌注桩的承载力，其必将成为钻孔(冲孔、挖孔)灌注桩不可缺少的配套技术［7］。
1　桩底压力灌浆加固工艺
　　压力灌浆是指钻孔桩在成桩、桩身混凝土强度达50%～70%后，通过预埋在桩身的注浆管道，对钻孔灌注桩桩底(或桩侧)进行压力灌浆的后灌浆工艺。下面根据新乡、巩县及扬州等地钻孔灌注桩压力灌浆试验，介绍桩底压力灌浆工艺。
桩底压力灌浆时在桩底预先安放一灌浆腔，灌浆腔由一块钢板和有弹性的橡胶囊制成(见图1)，橡胶囊中可装入φ10mm左右的石料。在桩身钢筋笼的内侧预埋2根钢管和灌浆腔相联(见图2)，其中一根为注浆管，另一根为溢浆管，在注浆管上端安装高压止浆阀，结构见图3。灌浆时待管路中的空气及污水排完后，在溢浆管上端安装堵头［8］。
图1　压力灌浆腔
图2　压力灌浆腔的位置
图3　止浆阀(单位：cm)
灌浆前先压清水，待管路畅通及冲击污物后，进行压力灌浆。压力灌浆的浆液可采用水灰比为0.6的净水泥浆或粘土水泥浆(水∶水泥∶粘土=0.6∶1∶0.025)。高压灌浆的同时，作好灌浆记录及桩顶上抬量的观测。各压浆桩的桩底灌入水泥浆0.3～2.0m3，稳定压力在3.0MPa左右，桩顶的上抬量为1.0～2.0mm。
2　钻孔灌注桩桩底压力灌浆的效果
　　为了评价压力灌浆的效果，以及灌浆工艺的可靠性，从1993年起先后在京广线新乡某特大桥、巩县铁路专用线里沟大桥以及扬州某公路特大桥进行了钻孔灌注桩桩底压力灌浆试验与试桩静载试验。见图4。
图4　各试桩尺寸及地层剖面
　　压力灌浆的钻孔桩和普通钻孔桩的试验对比结果见表1，P～S曲线见图5。
图5　各试桩的P～S曲线
表1　试桩的实测极限承载力
桩号
桩长/m
桩径/m　
极限承载
力/kN
试桩类别
灌浆量/m\+3
新乡A
　29.4
0.92
　6 650
普通钻孔桩
　1.50
新乡B
14.4
0.88
9 500
桩底压浆桩
新乡C
24.4
0.88
6 100
普通钻孔桩
新乡D
14.0
0.87
10 450
桩底、侧压头
1.50
里沟A
10.25
0.55
3 000
桩底压浆桩
0.30
里沟B
10.22
0.55
2 800
桩底压浆桩
0.267
里沟C
10.20
0.54
1 800
普通钻孔桩
2.00
扬州B
18.85
0.95
6 075
桩底压浆桩
扬州D
32.50
1.24
7 300
普通钻孔桩
从静载试验的结果知：
　　(1) 新乡试验中，进行压力灌浆加固的B桩、D桩的极限承载力是普通钻孔桩A、B极限承载力的1.6倍以上，但A、C的桩长却是B、D的1倍左右。若和相同桩长、桩径的普通钻孔桩相比，提高的幅度会更大。与现行的桥规计算值相比，压力灌浆桩的极限承载力是规范计算值的2.6倍左右。
　　(2) 在里沟试验中，压力灌浆加固的A、B桩的极限承载力分别是普通钻孔桩C极限承载力的1.67倍、1.56倍。
　　(3) 扬州试验中，压力灌浆的B桩的极限承载力和普通钻孔桩D极限承载力相近，但D的桩长、桩径比B要大得多。B桩和相同桩长、桩径的普通钻孔桩相比，JGJ94-94规范计算的普通桩极限承载力为2 600 kN，压力灌浆桩的极限承载力提高了1倍左右。
　　试验结果还表明，当持力层为砂性土时，压力灌浆提高钻孔桩承载力的幅度比持力层为粘性土时要大。
3　桩底压力灌浆提高钻孔桩桩侧摩阻和端阻的机理
3.1　桩底压力灌浆提高桩侧摩阻的机理分析［9］
　　通过埋设在桩身的钢筋计，可以得到桩侧摩阻力的大小。试验结果表明，桩底压力灌浆对桩侧摩擦力均有所提高。各试桩的单位摩擦力fu与位移S曲线如图6。其中fi为摩擦力；fsu为极限摩擦力；Qs为摩擦力；Qp为总的端阻力。
(c)杨州B桩
图6　各试桩的摩擦力-位移曲线
桩底压力灌浆能提高桩侧摩阻，其机理可从以下3个方面说明：
　　(1) 由于桩底压力灌浆在桩下端形成扩大头，挤压桩底土层及其周围土层使其密实，增加了桩端及其周围土层的侧向压力，因而使桩的桩侧摩阻有所提高。
　　(2) 在桩底压力灌浆过程中，由于灌浆量及灌浆压力的增加，形成的扩大头超过了橡胶囊的弹性，部分浆液串出，沿桩土之间的软弱层上升，提高了桩侧单位侧摩阻。
　　(3) 桩底压力灌浆时，在压密桩端虚土的同时，向上传递反力，因而桩侧摩阻力有所提高［10］。
3.2　桩底压力灌浆提高桩端阻的机理分析［9］
　　桩底压力灌浆能明显地促进桩端阻的发挥，其机理可以从以下几方面分析：
1、 桩底压力灌浆形成的扩大头使桩端虚土挤密，同时使桩上抬几个毫米；桩端阻一开始就参与发挥，这是压力灌浆桩与普通钻孔桩的显著区别。新乡及里沟的试验结果表明，当桩顶位移为5mm时，普通桩的桩端阻为零，而压力灌浆桩新乡A桩、里沟A桩和B桩的桩端阻占桩顶荷载的比例分别为：24.9%、10.8%、11.2%。随着桩顶荷载的增加，压力灌浆桩的桩端阻力和桩侧阻力基本上按线性增加(如图7)；在极限荷载的作用下，压力灌浆桩新乡B桩、新乡D桩的桩端阻力占极限荷载的比例分别为：45%、30%，而普通钻孔桩新乡A桩、新乡C桩的桩端阻力占极限荷载的比例仅分别为：4.8%、7.8%。可见压力灌浆桩基本克服了普通钻孔桩桩侧摩阻和桩端阻异步发挥，桩端阻滞于桩侧摩阻的缺点。
图7　杨州B桩的Q\-s、Q\-p～S曲线
　　(2) 桩底压力灌浆在桩端形成了扩大头，增加了支承面积。压浆的同时，土体及沉碴排出孔隙水，扩大头逐渐形成，压密区的范围也逐渐扩大。
　　(3) 在桩底压力灌浆过程中浆液向桩底持力层中渗透，改变了持力层的性质，提高了其单位端阻力。
　　桩底压力灌浆使得桩侧摩阻和桩端阻同时提高，因而能较大幅度地提高桩的承载力。
4　结　论
　　根据对钻孔桩压力灌浆试验及机理的研究，可以得出如下的结论：桩底压力灌浆不仅能提高桩端阻，使桩端阻一开始即参与承载，桩端阻和桩侧摩阻的发挥趋于同步，而且使桩侧摩阻有所提高。灌浆量和灌浆压力与桩极限荷载有直接的关系，灌浆量越大、灌浆压力越高，桩的承载力也提高得越大。
　　桩底压力灌浆施工工艺简单，在施工中易于实现；由于压力灌浆能较大幅度地提高钻孔桩的承载力，采用此工艺可以减短桩长、减少桩数、降低施工难度、提高经济效益，具有广阔的推广应用前景。1995年8月，在河南巩县铁生沟煤矿铁路专用线上的里沟大桥上推广应用了该项新工艺，桩径为1.25m的挖孔灌注桩，桩长由原设计的32m减为20m，其承载力还超过了设计要求的值，取得了显著的技术经济效益。
　　由于此项工艺刚刚在我国兴起，试桩资料不足，灌浆施工工艺缺乏统一的标准。以上只是定性的分析，要作定量的分析，尚需要不断积累资料，进行深入的理论研究。
作者简介：傅旭东(1966-)，男，博士后，1997年毕业于西南交通大学地下工程及岩土工程系桥梁及隧道工程专业，工学博士。
作者单位：武汉水利电力大学水利学院，湖北　武汉　430070
参考文献
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傅旭东
　　摘　要：根据新乡、巩县及扬州等地钻孔灌注桩桩底压力灌浆现场试验和桩的静载试验，介绍了桩底压力灌浆的工艺及压力灌浆的效果，并对压力灌浆提高钻孔灌注桩承载力的机理进行了分析，对其推广应用作了介绍。
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