灌注桩后压浆工法

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（a）封闭式柔性胶囊结构示意图（b）开放式注浆装置示意图
图1桩端后压浆示意图
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1.2桩侧压力注浆工艺分类 按桩侧注浆管设置分为沿钢筋笼纵向设置（图2a）和沿钢筋 笼环向设置（图2b）两类。
(a)
(b)
图2桩侧后压浆示意图
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钻孔灌注桩后压浆工法
报告人：胡启胜 2015年4月
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摘要：本文简述钻孔灌注桩应用后压浆工法的工艺及其机理， 并根据工程检测成果，分析该工法对提高单桩竖向承载力、 改善桩基承载功能的效果。 关键词：灌注桩后压浆工艺；桩端设柔性注浆腔压浆技术； 桩侧压浆技术。
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0.概述
2.后压浆技术发展过程史 D.A Bruce指出，桩端压力注浆桩自1961年在修建法国 Maracaibo大桥桩基中首次应用以来，得到了广泛的应用[1]。 之后，法国（专利编号2331646）、英国与德国等都开展了 桩基后压浆技术的研究应用。大多用有柔性腔封闭式工法。 我国孔德华1992年提出并获得实用新型专利（ZL922026246） 封闭式后注浆工法，西南交通大学岩土工程所研究开发的腔 式桩端压力注浆装置，与1994年鉴定完成，从理论与实践上 系统地进行了研究并得到较为广泛的应用。
桩端 后压浆
桩端 后压浆 未压 浆
（）内数值为实际成孔值。
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（a）试验场地布置图（单位m） 图3
（b）各试桩的P-S曲线
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显示出实测得出的桩顶荷载P、沉降S与桩侧平均摩阻力Pf， 桩端阻力Pe的关系曲线（见图4、图5），从图示可看出，各 桩的Pf，Pe与桩顶沉降S的关系没有本质的区别。
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1.分类 1.1桩端后主注浆施工工艺分类 目前可归纳为两大类。一类是在桩底予置柔性注浆腔（囊）， 通过桩内予置的导管向腔中压入水泥浆形成扩大头，并挤压 加密周围土体，简称桩端封闭式后注浆工法（图1a）。另一 类是在桩底由予置管式单向阀与内导管组成后压浆装置，简 称开放式后压浆工法（图1b）。
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Rp 3 Ir （ 1 ） Ru 1 Ir
Rp—腔体扩张引起的塑性区最大半径（m）（见图6）；
Ru—腔体半径，近似值 Ru 3
Q—腔体注浆量（m3）。
3Q ； 4
Ir
E 2(1 )(q tan c)
Ir—刚性指标（模量强度比）；
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表2 强度（MPa）
R3 R7 R28
PO型
12 25 32.5
PS型
备注
龄期3d
15 32.5
龄期7d 龄期28d
4、承载性能机制分析 图8、图9分别为各试桩的轴力分布，桩侧摩阻力分布 及其发挥过程。
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图8各试桩的轴力图
图9 各试桩桩侧摩阻力分布图
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无容器的开放式桩端后压浆工法，我国是从上世纪八十年代 后期（1987）由北京市建筑工程研究所首次开发的，是在长 螺旋成孔基础上，在桩底设置固定式隔离钢板，用钢管与 PVC管的组合管为注浆管，承载力可提高1~2倍，后在北京、 沈阳、锦州地区得到推广。国外W.G.K Fleming(1993)指导 了用X形注浆管形式的开放式后注浆工法，示意图见图1b。 对于无容器开放式桩底注浆工法，压入桩底的浆液可直接进 入土体，固化沉渣。而且通过渗透注浆（粗粒土）、或劈裂 注浆（细粒土）作为对桩底一定范围内的土体相应的加固， 但其浆液注域可控性低，护臂泥皮厚时，易出现桩壁有夹泥 带现象。
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侧壁注浆与上述桩端后压浆工法开发时间一致，由于山西地 区桩端大多落在坚实好地层上，桩侧注浆工法在山西应用中 承载力增幅远低于桩端后注浆工法，因此，本文对桩侧注浆 工法不多叙述。仅将欧洲灌注桩施工规程（Execution of geotechnical work-Bored pilesprEN 1536 1997年1月） 附图示供参考（见图2a）。 从注浆技术的要求考虑，良好的土体注浆工法需满足定向、 定域与定量“三定”要求，即注浆机理明确，明确其作用是 渗入充填压密胶结、还是劈裂注浆；工法的内容、步骤与参 数都很清晰；浆液流动方向及注浆域可控，注入量控制在预 计量±20%为好。按照上述要求，有容器封闭式注浆工法应 是桩端后注浆首选工法，欧洲诸国多选此类工法。
Hale Waihona Puke Baidu
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3.施工要点 3.1注浆压力 对有容器封闭式后注浆工法，它是按照渗入充填胶结与压密 混合注浆理论进行的。即注入的浆液是在有压作用下的流动， 它首先克服管路等的阻力而渗入腔内碎石等物质的孔隙中并 形成结石。浆液注入压力宜控制在受灌碎石体结构不致破坏， 只能使胶腔体被充满结石，同时桩端沉渣体中的水分被挤走 为宜。此时，胶腔体的强度要能够满足不致胀破。现以河南 巩县煤炭铁路专用线里沟桥桩基后压浆试桩情况为例[2]， 桥试桩桩长10.15~10.25m，设计桩径0.5m，地基土为轻微湿 陷性黄土，孔隙比e=0.823，液性指数IL=0.37，湿陷系数 s=0.02,厚度达到15m，采用有胶腔的封闭式桩端后压浆工法， 完成试桩3根，有关试桩的资料列于表1及图3（a）与（b）。
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表1 极限 桩顶沉降（极 荷载 限荷载）（mm） （kN） 2800 2800 1800 70.53 74.12 46
桩 桩径 号 （ m） A B C
桩长 (m) 10.25 10.22 10.15
桩身 砼强度 C25 C25 C25
试桩 条件
0.5( 0.55)
0.5( 0.59) 0.5( 0.54)
—桩端土的泊松比；
E—桩端土的弹性模量（kPa）； Δ—桩端土的塑性区平均体积应变。
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上述诸因素中，除体积应变Δ选取应精细，对于无粘性土， 主要的影响因素是桩端的埋置深度（即桩长）和桩端持力层 的内摩擦角。
（a）无粘性土（上覆压力q=0.4MPa） （b）粘性土
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图6灌注桩后压浆压力的控制分析
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注浆极限控制压力Pu可用下式确定[3]。
3(1 sin )(q c cot ) Rp Pu ( ) 3 sin Ru
式中： Pu—注浆控制压力（kPa）；
4sin 1sin
c cot
q—桩端土的初始（上覆土体自重）压力（kPa）； C、 —桩端持力土层的抗剪强度参数值（kPa、度）。
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需指出的是各桩达到极限荷载时，桩顶沉降值差别很大，未 压浆的C桩，最大沉降分别为48.88mm，（相应的桩顶最终加 载量为2000kN）。而A、B两桩的相应沉降值分别为75.26mm 和76.67mm（桩顶荷载值分别为3000kN与3200kN）。产生的 主要原因是由于桩底注浆液时，胶腔发生破裂，浆液中的水 渗入黄土中，造成桩端持力土体局部增湿，使土层局部软化， 强度降低，并引起沉降所致。 因此，压浆时，压力控制在不应使胶腔产生破裂是很重要的， 对于黄土地区尤甚。胶腔材质要求标准为：抗拉断裂强度 ≥147MPa，断裂伸长率400%。
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注浆终止压力：关于封闭式胶腔桩端后注浆工法的理论，采用 Vesic提出的球体空腔扩张理论（膨胀理论），向桩端柔性胶腔注 入水泥浆，浆液与腔内的充填骨料密实结向外扩挤，形成向腔周
围土体施加的压力。在这种均布径向膨胀力的作用下，腔外一定
厚度的球形区域达到塑性平衡状态。随着压力增长，塑性平衡区 也不断膨胀，直到腔体压力达到抗剪强度极限条件（见图6）。
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3.2桩顶抬升 随着浆液逐步压入胶腔，会使腔体的周围呈辐射状扩压，挤 压腔周地层，并通过均压桩端预置于胶囊顶部的钢板，使桩 体产生微量抬升，一般控制抬升量在0.5~1.5mm,不应超过 3mm。钢板应由足够刚度，我们据试验规定，其实际厚度为 2.5~3.0mm。 3.3水泥浆体 当水灰比小于0.8特别是达到0.5~0.6时，水泥浆体是塑性体 而非牛顿体，在小管径管内流动时比较困难，需要克服较大 的阻力，要求加大供浆泵压。虽然压力大了易于流动。但是 会使浆液在浆管出口及渗入胶腔石粒空隙通道中的流动状态 和条件出现变化，如触变、絮流等，这将不利于渗入注浆与 压密扩腔作业。因此，国内外许多注浆工法都建议，对水灰 比小于0.8的浆液注浆时，注浆管径宜不小于30mm。
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从图8a、b注浆桩与常规C桩的桩轴力图比较说明，由于桩端 后注浆过程中会使桩端土压实，引起桩、土刚度的改变，进 而影响到桩体轴力的变化。图9试验曲线还可看出，加荷初 期（前两级荷载），桩侧摩阻力的分布是上大下小，这是由 于靠桩顶部分桩身压缩量大，桩土间产生相对位移，从而桩 侧摩阻力得以发挥，而下部桩土相对位移小，摩阻力较少发 挥。随着荷载的增加，桩身下部的桩土间相对位移量增大， 桩侧摩阻力得以较充分发挥，如C桩，当桩顶荷载P为1600kN， 地面下7m深处桩侧摩阻力达到138.7kPa；而当桩顶荷载P达 到极限荷载1800kN，相应于7m的桩侧摩阻力达到161.3kPa。 桩端附近桩侧摩阻力更大。（9m深度也是如此，P=1600kN， f=174.2kPa；P=1800kN，f=183.21kPa）。对桩端后压浆桩 的桩端附近，侧摩阻力增大为更明显（见图9之a、b）。
（c）与上覆压力的关系
图7注浆极限压力
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对于中密以上的砂、砾（卵）石土，目前常用的注浆压力为 3~4MPa，对于粘性土与粉土，压力一般均小于3MPa,终止压 浆压力宜控制为上述常用压力值的2倍内，过大时会使桩端 土体接近于、甚至超过极限压力，对于将来承受基础荷载是 不利的。应用球体扩张理论和相应解析式，可得到压力控制 的一些建议标准（见图7）供参考，这些建议标准的应用效 果是良好的。确定实际压力控制值时尚应综合注浆工艺及胶 腔的质量（强度及延伸率）等因素。
灌注桩后压浆技术（国外通用英语名为External grouting. 国外多习惯用Post grouting）是土体加固技术与桩工技术 的有机结合。分为桩身后压浆（shaft grouting ）与桩端后 压浆（base grouting.）。要点是在桩身砼达到预定强度后， 用注浆泵用水泥浆或水泥与其它材料的混合浆液，通过予置 于桩身中的管路压入桩周或桩端土层中，桩周（身）压浆会 使桩土界面的几何和力学条件得以改善，桩端压浆将使桩底 沉渣、施工桩孔时桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或 压密，进而提高桩的承载能力。
图4 试桩桩顶荷载P与Pe、Pf关系曲线
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图5试桩桩顶沉降S与Pe、Pf关系曲线
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桩顶只需几毫米的沉降，就可使桩侧阻力得到充分发挥，并 很快达到极限状态。按A、B桩桩长及桩径计算，其极限侧阻 力平均值达到108.06kPa（A桩为107.4kPa，B桩为109.8kPa）， 较常规的C桩侧阻力值86.6kPa提高25.4%。表明只是经过桩端 后压浆的A、B两桩的侧阻力Pf值也较常规桩C为大。说明桩端 注浆能够使桩周土的性质、桩土界面性质有所改良。对于端 阻力Pe,A、B桩端阻力Pe分别为758kN，与580.7kN，均值 669kN，其极限端承力特征值达到2623kPa，C桩端阻力Pe分别 为231kN，相应极限端承力特征值为1009kPa。表明经过后压 浆，A、B桩极限端承力特征值较常规C桩提高1.59倍。
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再者，根据我们采用水灰比为0.55~0.6水泥浆的经验，为了 增加浆液的流动性，加入适量的木钙等减水剂是可行的。同 时宜在浆液中加入少量的悬浮稳定剂（如5~8%的粘土），压 浆流量一般用50-75L/min。关于浆液结石率，一般为85-88%， 平均为86%，在腔内填充粒料设计合理，浆液中加必要的防 止失水收缩的微膨胀剂时，会取得更好的注浆结石效果。 3.4注浆用水泥材料 建议使用P.O型普通硅酸盐水泥或高早强水泥，而不选用P. S型矿渣水泥，后者早期强度低，干缩性大，且抗碳化能力 差。曾在多个工地进行两类试块的测试，平均结果如表2。