軟土地基上鉆孔灌注樁樁底注漿技術

軟土地基上鉆孔灌注樁樁底注漿技術

1樁底注漿施工在杭州和寧波沿海地區(qū)，廣泛分布著厚度約為20.60米的軟土地。在軟土地基上建造高層建筑及大跨度廠房等80%以上采用鉆孔灌注樁基礎,樁持力層為礫石層、基巖或粘土層。鉆孔灌注樁具有施工簡單、對地層適應性強和造價經(jīng)濟等優(yōu)點,但鉆孔灌注樁施工中也存在因孔底沉渣難處理干凈而降低端阻及因泥漿護壁而降低側阻的缺點,從而使鉆孔灌注樁的側阻系數(shù)和端阻系數(shù)比打入式預制樁要低。因此,如何提高鉆孔樁的側阻與端阻是工程中迫切需要解決的研究課題。樁端注漿和樁側注漿就是提高樁承載力的有力措施之一。本文著重就礫石層地基鉆孔樁樁底注漿機理、工藝及應用效果作一闡述。因為礫石層地基鉆孔灌注樁施工中常出現(xiàn)清渣難干凈和打樁擾動礫石層使樁端承載力降低的特點,而樁底注漿有效地加固了礫石層,從而提高了樁的承載力。同時由于樁端及其周圍土層得到了加固,使得樁注漿后大大減少單樁的變形量,并可減少群樁的不均勻沉降。2樁底注漿壓力的確定樁底后注漿是指鉆孔灌注樁在成樁后,通過預埋的注漿通道用一定的壓力把水泥漿壓入樁底,并在樁底形成擴大頭,使?jié){液對樁底附近的樁周土層起到滲透、填充、壓密和固結等作用,從而來提高樁承載力的一項技術措施。其流程圖見圖1。眾所周知,單樁的極限承載力Qu由極限側摩阻力Qsu和極限端阻力Qpu構成,因而提高單樁承載力有以下3個措施:①增加樁的幾何尺寸,如樁長或樁徑;②提高持力層的強度,即提高樁端阻力;③改善樁-土相互作用,即提高側摩阻力。樁底注漿和樁側注漿恰能在上述3個方面提高樁的承載力。樁底注漿機理可分為力學機理和化學機理。注漿一般可劃分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿。對于不同的注漿對象與工藝參數(shù),其力學機理往往不同。樁底注漿的力學機理:在鉆孔灌注樁放置鋼筋籠時預埋兩根《30～50mm的注漿管(管底預留注漿孔并臨時封閉以防混凝土堵塞),然后在水下混凝土初凝后(約10～15d)用清水在預埋管底開塞,接著把配制好的水泥漿用高壓泵將漿液注入樁底礫石層處。剛開始時,漿液對礫石層土體和沉渣起到滲透及壓密作用,隨著注漿量和注漿壓力的增加,樁底擴大頭逐漸形成,壓密區(qū)范圍也逐漸擴大,從而使樁底土的應力路徑和固結狀態(tài)改變。如果樁持力層礫石層較薄,滲透性差,則注漿壓力進一步增大,但注漿量增大不多,從而在后期會形成劈裂注漿;如果樁持力層礫石層厚且滲透性好,則注漿壓力增大不多,而注漿量會持續(xù)增大,且注漿的擴散半徑會持續(xù)增大,此時一般是壓密注漿狀態(tài)。從初注到注漿后期,由于注漿壓力和持力層土滲透性的變化,水泥漿與土層發(fā)生擠密、滲入、充填、劈裂等過程,從而會使注漿壓力泵的壓力表現(xiàn)為下降與回升的反復波動現(xiàn)象,這是水泥漿與土體共同作用的結果。但總的趨勢是隨著注漿量的增加注漿擴散半徑增大,注漿壓力升高。最終注漿壓力的確定要考慮下列3個方面:①最終注漿壓力要小于樁上抬的摩阻力,即注漿時不能使樁向上嚴重位移;②最終注漿壓力要盡可能使樁端、樁身混凝土少破壞;③最終注漿壓力要使注漿量達到設計要求,形成擴大頭,使樁端加固明顯。樁底注漿不但使樁端阻力因土層加固而提高,還使樁側阻力提高,這是因為樁入持力層一般有一定深度,樁底注漿使“嵌巖段”側阻明顯提高,另外,漿液沿樁壁泥皮向上滲透也使部分樁側土得到加固。當漿液與礫石層充分接觸時,化學機理將更加突出。其加固機理如下:普通硅酸鹽水泥主要是由CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3及SO2等組成,由這些不同的氧化物分別組成了不同的水泥礦物如硅酸三鈣,硅酸二鈣,鋁酸三鈣,鐵鋁酸四鈣,硫酸鈣等。這些礦物與水發(fā)生水解和水化反應,減少了被加固土中的含水量,增加了土顆粒間的粘結,同時,生成氧化鈣,水化硅酸鈣,水化鋁酸鈣,水化鐵酸鈣等。水泥與砂礫石拌和后,水化產(chǎn)生Ca(OH)2和CSH(水化硅酸鈣)等水化物。溶液中的Ca2+含量增加,與土顆粒發(fā)生陽離子交換作用,等當量置換出K+,Na+,形成水泥與砂礫石的團粒結構,并封閉了礫石層之間的空隙,形成堅固的聯(lián)結,即我們通常所說的混凝土。另外水泥土中的Ca(OH)2與土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3,這種反應也能使礫石層增加強度。總的來說,漿液加固土體的物理化學作用可概括為:化學膠凝作用、充填膠結作用、離子交換作用、加筋效應、固化效應。3樁底注漿工藝樁底注漿的目的是把有限的漿液材料輸送到樁端及樁周一定的有效范圍內,使之對該范圍介質起加固作用。但是,樁端及樁周對漿體而言是開放空間,樁底注漿屬隱蔽工程,目前的監(jiān)測手段十分有限,要實現(xiàn)上述目標則主要依賴于好的注漿工藝。好的注漿工藝建立在對樁底注漿機制的正確認識上,它要求因地制宜,嚴密設計,優(yōu)質施工,適時調控。(1)鋼管底端小口壓縮注漿管采用《30～50mm鋼管,用榔頭將鋼管的底端砸成尖形開口。鋼管底端30cm左右鉆若干個《8mm小孔,然后在每個小孔中放上圖釘(單向閥作用),再用絕緣膠布加膠帶包裹,以防小孔被澆樁的混凝土堵塞。鋼管可作為鋼筋籠的一根主筋,用絲扣連接或外加短套管電焊。(2)凝土初凝后進行凝土凝土泥漿護壁灌注樁水下混凝土初凝期需10d左右,故注漿時間宜在混凝土初凝(即10d左右)后進行。注漿過早,會導致因樁身混凝土強度過低而破壞樁本身;注漿過晚,可能難以使樁底已硬化的混凝土形成注漿通道,從而使樁中心形成低強度區(qū),使?jié){液流向遠處礫石層處。(3)注漿泵2注漿泵要選擇注漿壓力高(至少達10MPa),排漿量大(5m3/h以上),性能穩(wěn)定、操作方便的注漿泵,如BW-2注漿泵和SGB6-10灌漿泵。(4)壓水試驗對注漿固結體的影響壓水試驗是注漿施工前必不可少的重要工序。成樁后至實施樁底注漿前,通過壓水試驗來認識樁底的可灌性。壓水試驗的情況是選擇注漿工藝參數(shù)的重要依據(jù)之一。此外,壓水試驗還擔負探明并疏通注漿通道,提高樁底可灌性的特殊作用。壓水試驗不會影響注漿固結體的質量。這是因為,受注體是開放空間。無論是壓水試驗注入的水,還是注漿漿液所含的水,都將在注漿壓力或地層應力下逐漸從受注區(qū)向外滲透消散其多余的部分。一般情況下,壓水宜按2～3級壓力順次逐級進行,并要求有一定的壓水時間與壓水量。壓水量一般控制在0.6m3左右,開塞壓力一般小于6MPa。如一管壓水,另一管冒水,則連通了。(5)埋管入樁底礫石層在壓水試驗之后,就要將配制好的水泥漿通過高壓泵和預埋管注入到樁底礫石層中去。初注時一般壓力較小,漿液亦由稀到稠。初注要密切注意注漿壓力、注漿量和注漿皮管的變化,并注意注漿節(jié)奏。同時,用百分表監(jiān)測樁的上抬量。(6)確定綜合確定因素合理的注漿量應由樁端、樁側土層類別、滲透性能、樁徑、樁長、承載力增幅要求、沉渣量等諸因素確定。也可根據(jù)表1進行估算。在實施注漿中,還需根據(jù)壓水試驗情況及注漿過程中的反應適當調整注入量,并通過對注漿壓力、漿液濃度、注漿方法諸因素的調控,將所需注漿量灌注到設計要求范圍內。一般漿液濃度和灌漿量大,灌漿壓力高,加固效果更好。(7)灌漿壓力的影響在注漿過程中,樁底的可灌性的變化直接表現(xiàn)為注漿壓力的變化?？晒嘈院?注漿壓力則較低,一般在4MPa以下;反之,若可灌性較差,注漿壓力勢必較高,可達4～8MPa,有的用8MPa仍不可注。一般第1,2根樁注漿壓力低,以后隨注漿樁數(shù)增加注漿壓力增大。漿液的擴散半徑與灌漿壓力的大小密切相關,因此,人們往往傾向于采用較高的注漿壓力。較高的注漿壓力能使一些微細孔隙張開,有助于提高可灌性。當孔隙被某些軟弱材料充填時,較高的注漿壓力能在充填物中造成劈裂灌漿,使軟弱材料的密度、強度以及不透水性得到改善。此外,較高的注漿壓力還有助于擠出漿液中的多余水分,使?jié){液結合體的強度得到提高。但是,一旦灌漿壓力超過灌注樁的自重和摩阻力時,就有可能使樁上抬導致樁懸空(灌漿壓力過高也會使注漿管爆破)。因此,這里有一個容許灌漿壓力的問題。容許灌漿壓力與地層的密度、滲透性、初始應力、鉆孔深度和位置以及灌漿次序等都有密切的關系。但這些因素是難以準確預知的,故通常只能根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。如樁頂側面冒漿,則暫停。(8)澆注和控制部位不同濃度的漿體其行為特性有所不同:稀漿(水灰比約為0.8∶1)便于輸送,滲透能力強,用于加固預定范圍的周邊地帶;中等濃度漿體(水灰比約為0.6∶1)主要加固預定范圍的核心部分,在這里中等濃度漿體起充填、壓實、擠密作用;而濃漿(水灰比約為0.4∶1)的灌注則對已注入的漿體起脫水作用。在樁底可灌性的不同階段,調配不同濃度的注漿漿液,并采用相應的注漿壓力,才能做到將有限漿量送達并駐留在樁底有效空間范圍內。漿液濃度的控制原則一般為:依據(jù)壓水試驗情況選擇初注濃度,通常先用稀漿、隨后漸濃,最后注濃漿。在可灌的條件下,盡量多用中等濃度以上漿液,以防漿液作無效擴散。在實際工程應用中,施工單位往往多只使用水灰比為(0.4～0.6)∶1的濃漿。通常在漿液中可加入水泥重量2.5‰的木鈣作減水劑,并加入1%～2%水泥重量的UEA微膨脹劑。(9)壓水及施注過程控制為了使有限漿液盡可能充填并滯留在樁底有效空間范圍內,在注漿過程中還需掌握注漿節(jié)奏,實行間歇注漿。間歇時間的長短需依據(jù)壓水試驗結果定,并在施注過程中依據(jù)注漿壓力變化,判斷樁底可灌性現(xiàn)狀加以調節(jié)。間歇注漿的節(jié)奏需掌握得恰到好處,既要使注漿效果明顯,又要防止因間歇停注時間過長堵塞通道而使注漿半途而廢。對于短樁,樁底注漿時往往會出現(xiàn)漿液沿樁周上冒現(xiàn)象,此時應在注入一定冒漿后暫時停止1～2d,待樁周漿液凝固后,再施行注漿,這樣可以達到設計要求的注漿量。(10)注漿后的保養(yǎng)期所謂注漿后的保養(yǎng)齡期即樁底注漿后多少時間后可以做靜載試驗或作為工程樁使用的齡期,通常要求注漿后保養(yǎng)15d左右。(11)單樁充填法經(jīng)濟效益分析一根樁如果設置兩根注漿管(長約40m),且樁底注漿量為2～5t,那么將增加投資約2000～2600元,但能提高單樁的承載力20%～40%左右,且減少了變形量,同時能降低群樁不均勻沉降,經(jīng)濟效益明顯。4在樁底下注入砂漿的效果分析4.1s1樁靜載試驗正在建設中的長途電信樓位于杭州市錢塘江邊,總高度209m,地上40層,地下2層,建筑面積近6萬m2。設計采用《1500mm鉆孔樁群樁基礎,樁長為40～42m,其樁身長度范圍內土層分布及土工參數(shù)見表2。樁端持力層為砂礫石層,且樁入礫石層深度為8m(本處礫石層較松散),樁身采用C30混凝土。設計單樁豎向極限承載力為16MN。樁底注漿樁S1與另一根樁底未注漿樁S2的靜載試驗數(shù)據(jù)結果見圖3。從試驗的數(shù)據(jù)可看出下列結果:(1)樁底未注漿的S2試樁(齡期34d)在按規(guī)定荷載級別加載到第9級荷載14.283MN時,樁頂本次沉降為4.60mm,累計沉降為34.87mm;但在第10級荷載15.525MN時,樁頂與樁端沉降又開始增大,樁頂本次沉降量從第9級的4.60mm發(fā)展至第10級的23.06mm,達到了5倍。這表明樁端礫石層本身被逐漸擠開并產(chǎn)生滑移,最后在該級荷載下樁頂累計沉降57.93mm,樁端累計沉降達到38.54mm。該樁的單樁豎向極限承載力可取14.000MN,尚達不到設計要求的16.000MN。(2)相鄰相同尺寸的S1試樁在經(jīng)過注漿(注漿參數(shù)見表3)25d后(總齡期43d)作靜載試驗的結果為:在按規(guī)定荷載級別加載到第11級荷載18.630MN時,樁頂累計沉降量才13.57mm,樁端累計沉降量才4.36mm。該樁的豎向極限承載力至少可取18.630MN,比S2樁提高了30%。該S1樁的極限側阻力可取10.867MN比S2試樁側阻7.762MN提高了40%,而樁端阻力也至少比S2試樁提高了19%。這里值得說明,該場地樁側阻力有較大提高的原因有二:一是由于該樁入持力層深度為8m,而樁端注漿由于礫石層滲透系數(shù)大,注入的漿液會沿礫石層向上、下、左、右壓密滲透和劈裂滲透,從而使樁底周圍土體和樁“嵌巖段”性能改變;二是注入漿液亦向樁周泥壁滲透,使泥壁性能改變,在后來基坑開挖到地下15m時發(fā)現(xiàn),樁周包裹有厚達5～30mm的水泥硬殼層。4.2第一次試驗結果本試樁系某鐵路客運站地下車庫一工程樁。設計試樁S02樁長為48m,樁徑為《800mm。樁端持力層為砂礫石層,入持力層深度為3.5m,設計單樁豎向極限承載力為7.200MN?，F(xiàn)場靜載測試分樁底注漿前(第一次試驗樁齡38d)和樁底注漿后(第二次試驗樁齡51d,即注漿后休止13d)兩次。兩次測試的結果見圖4。第一次試驗加載到第7級荷載6.400MN時,樁頂本次沉降量為2.20mm,累計沉降量為12.57mm,樁端本次沉降量為0.56mm,累計沉降量為1.59mm,加載到第8級荷載7.200MN時,樁頂沉降急劇加大,僅30min,樁頂本次沉降量就達9.93mm,累計沉降量為21.50mm,樁端本次沉降量為7.53mm,累計沉降量為9.12mm?？梢娮{前該樁7.200MN時沉降受力偏大,該樁極限承載力可取6.400MN。第二次在注漿13d后再做試驗(注漿量為1.5t水泥)。加載到第8級荷載7.200MN,樁頂累計沉降量才8.77mm,且很快穩(wěn)定;加載到第9級荷載8.000MN時,樁頂累計沉降量才10.08mm?？梢娡桓鶚蹲{后比注漿前承載力至少提高了25%。4.3不同樁長的樁底污泥注入效果分析(1)s1樁、樁底注漿試驗富陽某綜合樓地質情況0～20m為粉質粘土和淤泥質粘土,20～29m為松散的礫砂層,qp值為2000kPa,為了提高承載力和減少變形選擇相鄰一根《800mm試樁(樁底不注漿)S1與另一根《800mm(柱底注漿)的試樁S2作靜載試驗對比,同時還有一根《650mm(樁底注漿)試樁。S2注漿量為1.6t水泥。因S2樁短,注漿時曾發(fā)生漿液沿泥漿壁上冒現(xiàn)象,后采用間歇注漿辦法,即第一次先對單管多次注漿,然后休止1～2d,使上冒的水泥漿在樁周泥皮上凝固后,再對另一管注漿的辦法,使上冒現(xiàn)象大大減少。同時監(jiān)測樁上抬量和注漿最大壓力,直到達到設計注漿量為止。在注漿20d后對兩根試樁做靜載試驗,結果見圖5。對比發(fā)現(xiàn)承載力提高40%以上。(2)中距離樁40.50m見本文中其他例子。(3)s1樁靜載試驗溫州某大廈兩組《1000mm試樁樁底注漿S1樁與樁底未注漿S2樁對比,樁長均為68m,樁側土為淤泥質土、粉質粘土、粘土和粉質土,持力層為砂卵石,qp值為2800kPa,兩組試樁在達齡期后的靜載試驗結果見圖6。對比發(fā)現(xiàn)承載力提高35%左右。4.4s1樁s1注漿樁側阻力計算方法正在建設中的某商城總高度35m,地上8～10層,地下3層,建筑面積6萬m2。設計試樁樁長為38.8m,樁徑為《1100mm,樁端持力層為砂礫石層,入礫石層深度為0.5m,設計單樁豎向極限承載力為12.0MN。測試結果見圖7。其中,S2為樁底注漿樁,注漿最大壓力為2.3MPa,注漿量為1650kg;S3未注漿。S2與S3樁相鄰,其周圍的錨樁均為工程樁且均已樁底注漿。由圖7可知,S2試樁的單樁豎向極限承載力至少可取13.040MN。其樁側極限阻力可取7.452MN;而S3試樁的單樁豎向極限承載力至少可取為12.420MN,其樁側極限阻力可取6.210MN。注漿樁比不注漿樁側阻力有所提高。從表面看,該例中不管樁底是否注漿都能滿足承載力要求,事實上,并非如此。該工程的持力層(砂礫石層)只有1～2m厚,其下部即強風化基巖。樁底注漿的漿液因不可能向下擴散而向徑向擴散,使得樁底注漿擴散半徑增大,同時由于未注漿的S3樁周圍的錨樁均注了漿,加上試樁與錨樁的中心間距僅為3.425m,故錨樁樁底注的漿液有可能擴散至試樁樁底,加固了樁底土層,通過注漿前、后的超聲波透視檢測表明聲速從注漿前2800m/s,提高到注漿后3300m/s,最終使未注漿的S3試樁沉降減少。這一例子說明對薄的礫石層注漿后的擴散半徑可達到3.5倍樁徑以上。4.5s1和s1注漿后樁身沉降特性杭州某廠B#消化池試樁樁長為52.5m,樁徑為《1000mm,樁端持力層為砂礫石層,入礫石層深度為15m。設計未注漿單樁豎向極限承載力為9.0MN。注漿單樁豎向極限承載力為11.0MN。試樁S2未注漿(齡期19d);S3為樁底壓力注漿樁(齡期21d,注漿后齡期8d,注漿最大壓力為3.1MPa,注漿量僅為800kg)。兩根試樁的測試結果見圖8。由圖8可知,S2試樁的單樁豎向極限承載力可取9.000MN,相應的樁頂、樁端沉降量分別為42.03mm,25.55mm;而S3試樁在加載至8.800MN時,