用灌浆法提高灌注桩的承载力

　　摘要：本文分析了灌注桩承载力不高的因素，阐述了提高灌注桩承载力的对策，介绍了桩侧灌浆及桩底压力灌浆的概念以及桩底压力灌浆的广泛应用前景。
　　关键词：灌注桩；承裁力；有容器灌浆
　　1、概述
　　钻（冲、挖）孔灌注桩，从20世纪60年代初在河南省南阳地区研制应用以来，因其具有众多的优点，已广泛应用于包括软土、黄土、膨胀土等特殊土在内的各类地基和工业、民用、市政、铁路、公路、港口等各类工程实践中。和预制桩相比，钻孔桩施工时无噪声、无振动，对周围建筑及环境影响小，桩径大，入土深，承载力大。据文献[1]统计，我国钻（冲）孔桩最大桩径已达到4000mm，最大桩深已达104m，而钢管桩最大桩径为1200mm，最大桩深为83m，预应力混凝土管桩最大桩径为1300mm，最大桩深为40m。
　　随着我国社会主义建设事业的迅速发展，伴随着高层建筑，大跨度桥梁的兴起，对桩基础的承载力有了更高的要求。大直径灌注桩因此得到快速发展，桩长和桩径也越做越大。然而，在现有的各种成桩方法中，钻孔桩虽有许多优点而被广泛采用，但在施工中却难以避免泥浆的影响，这不仅降低桩承载力的期望值，而且造成材料的严重浪费。人工挖孔桩因难以达到更大的深度，其承载力也难尽如人意。鉴于灌注桩的这种现状，如何提高桩的施工工艺水平，使投入的材料得到更为合理的利用，以大幅度提高单桩承载力，就成为工程界备受关注的热点问题。’
　　2、影响钻孔灌注桩承载性能的因素
　　在施工过程中，由于地质、施工机械的影响，常造成桩底虚土（软弱层段），其厚度一般为0.2～0.5m，厚者可达Im。特别是松软地层中钻孔，用泥浆护壁，孔底沉渣更不可避免；即使经过特别仔细清孔，清孔后至灌注混凝土前，仍会沉淀一些沉渣，且在成孔过程中，都普遍存在对孔壁和孔底土层的扰动。所有这些都影响了钻孔灌注桩承载力的发挥。
　　桩的静载试验表明，钻孔灌注桩的端承力仅占其极限荷载的15%～35%，侧阻与端阻的发挥存在不同步现象。要充分发挥侧摩阻力只需几个毫米的桩顶位移，而要充分发挥端阻力的作用，需要达到桩径的10%—30%的桩顶位移[2]。这么大的位移在工程上是不允许的。桩达到破坏时，侧摩阻力达到极限而破坏，而端阻力得不到充分发挥，其潜力却很大。这就是钻孔灌注桩承载力上不去的原因。
　　研究表明，桩底虚土的存在，不仅影响端阻的发挥，也使侧摩阻力受到损失[3]。桩周软弱夹层的存在，使得桩体与土体之间的摩擦性质发生改变，对于以桩土之间通过摩擦传递荷载来讲，是非常不利的。这正是钻孔灌注桩承载效益不高的另一原因。
　　3、提高钻孔灌注桩承载力的对策
　　根据以上钻孔灌注桩承载力上不去的原因分析，工程界出现的一些提高桩基承载力的方法，大体上都是围绕消除桩底沉渣、桩周软弱夹层而设的。
　　(1)预加载法：预先对桩底进行预压，使桩底虚土压密，提高桩的承载力。但费时、费钱，且不易实施。
　　(2)扩大端承面积。即扩底桩，在过去的工程中用的较多，但对桩底虚土的存在仍无能为力。
　　(3)砂衬桩技术：该法用于沉管灌注桩，施工时，利用双层套管在桩周围灌砂，成为砂套约3～10cm，砂套的存在可提高桩侧壁的摩阻力。
　　(4)灌浆技术：灌浆法可分为先灌浆法和后灌浆法。先灌浆法是在钻孔桩成孔后至灌注混凝土前进行灌浆，即将喷头铁管放入孔底插入虚土，喷射水泥浆，使桩底虚土与水泥混合，最后再灌注桩身混凝土。
　　后灌浆法是在桩身混凝土达到一定强度后，再进行灌浆，根据灌浆位置不同，分为桩的侧壁灌浆和底部灌浆。底部灌浆又可分为有容器灌浆和无容器灌浆。根据灌浆压力的大小又可分为低压灌浆和高压灌浆，灌浆方式和范围的不同，其机理和效果也是不同的。
　　文献[4]、[5]中，均属于后压浆，低压无容器灌浆。多年来，工程界这样的实践很多。一般经过灌浆处理，桩的承载力可提高20%～30%c[5]，多者可达60%～70%，但其提高承载力的机理研究成果尚未看到报道，且压浆量的多少，压力的大小与承载力提高的定量关系更未看到报道。
　　4、我们在后灌浆、桩底高压灌浆方面所做的工作
　　从1989年开始，省交通厅与西南交大合作，进行桩基础理论在工程中应用的研究和探索，取得一些重要成果。用压力灌浆法大幅度提高单桩承载力，就是其中一项。该成果于1995年5月通过郑州铁路局与西南交大联合组织的鉴定，1998年7月通过铁道部的鉴定。该成果的原理是通过桩端和桩周压力灌浆压密土层，改变桩的边界条件并扩大桩的实际支承面积，达到提高桩的承载力的目的。
　　一般而言，粗粒土中压浆的效果比细粒土中的效果好，在同等条件下，当桩位于砂性土中时，经该工艺处理后的桩的承载力可达未灌浆桩的承载力的2倍以上，而当位于黏性土中时，则与土的性质密切相关，试验数据离散性较大，但一般也可提高30%以上。
　　铁道部的鉴定意见指出：该成果“形成了一套具有理论基础的实用技术，成果丰富了桩基工程的理论和实践”。“该研究成果整体技术处于国内领先水平，其中桩端压浆技术，达到国际先进水平。”我们深信，该项成果的推广应用，可以加快施工进度，节约造价，必将创造出更好的社会效益和经济效益。
　　5、桩底压力灌浆
　　桩底压力灌浆就是在普通桩桩底，预先安放一个灌浆腔，这种腔是由弹性材料制成，在压力作用下把浆液灌入灌浆腔，腔体膨胀，也即用浆体取代并压密了桩底沉渣及土体，在压密的同时，土体及沉渣排出部分孔隙水，随着进浆量及压力的增加，扩大头逐渐形成，压密范围也逐渐增大。这样，桩底压浆不仅处理了沉渣，更主要是改变了土体的性质，有效地提高了承载力。
　　桩底压力灌浆施工步骤：
　　(1)造孔：同于一般钻（冲、挖）孔桩施工。
　　(2)下设灌浆腔及钢筋笼：灌浆腔同钢筋笼底部焊接在一起，一同下入孔中，同时安装灌浆管，灌浆管由灌浆腔引出到地面以上。
　　(3)灌注桩身混凝土。
　　(4)桩底压力灌浆：当桩身混凝土强度达到60%～70%后，进行桩底压浆。压浆程序为：安装止浆阀(图4)-连接灌浆管路——检查压浆泵及压力表，使其处于完好状态——冲洗灌浆腔——灌水泥浆——结束。
　　6、桩侧灌浆
　　桩侧灌浆就是在普通桩的基础上，通过事先预埋的花管，把水泥浆液压入孔壁之中。其作用：一是可以处理泥皮；二是可以挤压桩侧土体；三是可以形成凸出的浆液包；四是还具有渗透灌浆效果，所有这些均改善了桩与孔壁的接触条件及土体状况，借以提高整个桩的承载力。
　　桩侧灌浆施工步骤：
　　(1)造孔：同于常规钻（冲）孔桩施工。
　　(2)下设花管：四根花管均布绑在钢筋笼外侧，其孔眼用橡皮箍绑紧，橡皮箍的作用是防止灌注桩身混凝土时，浆液进入花管内。为了防止下设花管时孔壁对橡皮箍的损坏，在橡皮箍的下端绑有铅丝防滑环。花管及钢筋笼下设完毕后，即可进行桩身混凝土的灌注。
　　(3)桩侧灌浆：当桩身混凝土灌注完12h后，即可进行桩侧灌浆，灌浆分根分段由下而上进行。浆液水灰比为0.6，在浆液中掺入2.5%的膨润土。
　　侧壁灌浆后，其桩侧极限侧摩阻可增加一倍左右。
　　总之，当桩侧壁与桩底共同压浆，不仅大幅度提高桩端承载力，而且其侧壁极限摩阻力大为增加。但侧壁压浆工艺复杂，不易掌握。桩底压浆工艺相对简单，易于掌握，效果显著。
　　桩底压浆还有一个很大的优点，即在动力荷载作用下几乎没有永久沉降。这个特性对于高速、重载铁路建设有着特殊的意义。因为高速铁路对于线路的平顺状况要求是很严格的。桩底压浆在发挥材料强度方面有明显的优势，据统计，普通钻孔桩单位体积可提供的极限承载力平均为251.3kN/m3，而压力灌浆桩可达812.68kN/m3，后者为前者的3.2倍。这样用桩底灌浆技术可解决普通钻孔桩经济效益不甚高的矛盾，为钻孔桩的广泛应用注入新的活力。
　　参考文献：
　　1. 娄奕红,刘喜元;桩土相互作用的有限元—无界元分析[J];城市道桥与防洪;2004年02期
　　2. 周红波;桩端后注浆钻孔桩承载性能与注浆关系的数值模拟[J];工业建筑;2005年09期
　　3. 殷永高;;根式基础及根式锚碇方案构思[J];公路;2007年02期