桩端高压后注浆技术在优化冲孔灌注桩施工中的应用
时间：2022-12-06 18:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
林 品
（福建省地质工程公司，福建 福州 350002）
随着国民经济的不断发展，越来越多的人口往一二线城市集中，在寸土寸金的一二线城市，住宅楼及办公楼逐渐向高层建筑发展。冲孔灌注桩基础在高层建筑中得到越来越广泛的使用，特别是软土地区，冲孔灌注桩更是主要基础形式。然而，在实际运用中，冲孔灌注桩采用泥浆护壁成孔，且地下隐蔽工程质量控制难度大，试桩过程中往往达不到设计估算的承载力，灌注桩后注浆技术的出现，提高了灌注桩承载力，提升了工程质量。本文结合现行规范及工程实践，阐述桩端高压后注浆技术的基本原理、施工工艺、施工效果等，以供相关技术人员参考。
1.1 工程概况
工程地处厦门市思明区湖滨北路西段，北临湖滨北路，西邻正在建设的国际广场，东面为建业大厦，南侧为恒通花园。拟建地上建筑42层，设置三层地下室。桩基设计等级为甲级，桩基安全等级为一级，桩基采用冲钻孔灌注桩，主楼桩持力层为中风化岩或中风化凝灰熔岩。
1.2 地层岩性特征
根据地勘报告，场地岩土层自上而下依次分布有：
杂填土①，杂色，主要由碎石、碎砖、碎砼等建筑垃圾组成，不均匀混20%～40%的粘性土或砂，局部夹有花岗岩块石。堆填时间约10年，基本完成自重固结，呈松散～稍密状态，密实度不均匀。场地内均有分布，各钻孔均遇见该层填土，层厚1.20～5.10m，平均厚度2.49m。
淤泥质土②，深灰、灰黑色，含少量有机质及腐植质，偶见有未完全腐烂植物，略具臭味，呈饱和、流塑状态。切面光滑，摇振无反应，干强度及韧性高。场地内均有分布，各钻孔均遇见该层土，其顶面埋深1.20～5.10m，标高介于-0.98～3.45m，层厚2.30～11.30m。
粉质粘土③，褐黄、褐灰色，局部含10%左右中细砂，稍湿，呈可塑状，局部呈硬塑状，摇振无反应，干强度及韧性中等。其顶面埋深6.10～12.70m，标高介于-8.39～-1.30m，层厚0.80～6.30m。
残积砂质粘性土④-1，褐黄、褐灰、灰白等色，系花岗岩原地风化残积而成，原岩结构可辨，长石类矿物已风化成土，残留约10%石英质粗颗粒（粒径＞2mm），主要呈稍湿、硬塑状态，局部呈可塑状态。摇振无反应，干强度及韧性中等。其顶面埋深11.10～14.70m，标高介于-10.02～-6.89m，层厚3.10～10.70m。
凝灰熔岩残积粘性土④-2，褐黄、灰褐色，系由凝灰熔岩原地风化残积而成，原岩结构清晰可辨，残留少量石英质颗粒，呈稍湿、可塑～硬塑状态。摇振反应无，干强度及韧性高。其顶面埋深8.10～17.50m，标高介于-13.29～-3.38m，层厚3.80～16.50m。
全风化花岗岩⑤，褐黄、灰白等色，主要矿物成分为长石、石英及云母，长石类矿物风化严重，呈粉末状，手可捏碎，手捏有砂感，浸水后可捏成团，风化裂隙极发育，岩芯呈土柱状。为极软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为V级。合金钻进容易。其顶面埋深14.20～23.20m，标高介于-18.39～-9.80m，主楼钻孔揭露该层，层厚1.90～11.60m。
散体状强风化花岗岩⑥-1，褐黄、褐灰色，主要矿物成分为长石、石英及云母，长石类矿物风化明显，风化裂隙极发育，岩芯呈散体状。为软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为V级。合金钻具钻进较易。其顶面埋深20.80～31.00m，标高介于-26.19～-16.15m，主楼钻孔揭露该层，层厚12.30～27.30m。
散体状强风化凝灰熔岩⑥-2，灰黄、灰白色，岩体风化强烈，风化裂隙很发育，大部分矿物已风化变质，岩芯呈散体状。属极软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为V类，合金钻具钻进易。其顶面埋深21.90～39.50m，相当于标高-35.41～-17.50m，主楼钻孔均揭穿该层，层厚7.70～21.20m。
碎块状强风化花岗岩⑦-1，褐黄、褐灰色、灰白色，主要矿物成分为长石、石英及云母，长石类矿物风化显著，呈颗粒状，风化裂隙极发育，岩芯呈碎块状。为软岩～较软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为V级。合金钻具钻进较易。其顶面埋深40.70～55.80 m，标高介于-50.99～-36.02m，主楼钻孔揭露该层，层厚3.40～12.70m。
碎块桩强化风凝灰熔岩⑦-2，灰黄、灰白色，岩体风化强烈，风化裂隙极发育，大部分矿物已风化变质。岩芯呈碎块状和块状。属软岩～较软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为V类，合金钻具难钻进。其顶面埋深37.80～53.50m，相当于标高-49.41～-32.93m，主楼钻孔均揭穿该层，层厚0.60～20.10m。
中风化花岗岩⑧-1，褐黄、浅肉红色，主要矿物成分为长石、石英及云母，部分矿物已风化，风化裂隙发育，局部裂面呈铁锈色，岩芯呈块状及短柱状，岩石质量指标RQD介于25%～80%之间。属较硬岩，岩体较破碎～较完整，岩体基本质量等级为VI～III级。金刚石具钻进较难。其顶面埋深53.40～65.90m，相当于标高-61.09～-48.72m，揭露厚度5.10～15.50m。
中风化凝灰熔岩⑧-2，灰黄、灰白、深灰色，主要成分为石英、长石及暗色矿物，熔岩结构，块状构造，少部分矿物已风化变质，风化裂隙发育，裂隙呈陡倾角状，裂隙面见褐黄色铁质浸染，岩芯呈短柱状及块状。属较硬岩，岩体较破碎，岩体基本质量等级为IV级，金刚石钻具钻进慢。岩石质量指标RQD介于25%～70%之间。其顶面埋深48.10～66.10m，相当于标高-61.33～-43.45m，揭露厚度5.07～14.84m。
1.3 桩基础选择
残积土、基岩不均匀风化和球状风化现象突出。残积土中分布有花岗岩“孤石”，强风化岩中分布有中风化“球状风化体”，其分布存在随机性、无规律性。
地勘报告对地基基础选型分析：拟建建筑物荷载大，结构复杂，一般基础型式难以满足要求，因此建议采用桩基础，桩型可选择钻（冲）孔灌注桩，宜以中风化花岗岩或中风化凝灰熔岩作为桩端持力层，纯地下室部分亦可以强风化花岗岩层为桩端持力层。
2.1 设计方案
主楼冲孔灌注桩端全面进入中风化花岗岩或中风化凝灰熔岩≥1200mm，有效桩长≥35m，桩径1200mm，桩身混凝土强度C35，单桩承载力特征值为11000kN，极限承载力为22000kN。按规范要求：设计等级为甲级的建筑桩基，应通过单桩静载试验确定单桩竖向极限承载力。
2.2 试桩情况
经参建各方共同选定在主楼区域，B3勘探点附近进行第一次破坏性试桩，桩径1000mm，施工桩长55.60m，持力层经地勘单位及参建各方判定为中风化凝灰熔岩，桩端入岩1400mm。冲孔施工过程无斜孔、塌孔；
下钢筋笼阶段正常；
第二次清孔采用正循环清孔，浇筑前孔底未测有明显沉渣；
混凝土质量良好，首灌返浆正常，浇筑过程拔导管正常。
桩身混凝土试块经试压合格，动测桩身完整性符合要求后进行静载试验，检测试桩1#单桩竖向抗压极限承载力为10000kN。经设计换算，未达到主楼设计承载力特征值11000kN要求。
2.3 原因分析
参建各方与设计单位共同分析试桩结果，认为在持力层为中风化凝灰熔岩无异议的情况下，承载力不高的原因：（1）施工中暴孔时间（冲孔时间、下钢筋笼时间、灌注混凝土时间以及间隙时间）过长，以致在桩孔表面生成一层较厚的泥皮；
（2）正循环清渣工艺，清渣时间长，增加泥浆护壁泥皮厚度，增加孔洞缩径风险，削弱桩侧摩阻力；
（3）二次清渣泥浆泵停泵到混凝土浇筑，有时间间歇，泥浆中沉渣会沉淀于孔底，沉渣过厚，首灌混凝土无法有效地冲翻孔底沉渣，造成孔底沉渣超标，桩身混凝土质量下降，引起承载力不足。
2.4 改进措施
针对以上原因，参建各方共同确定，项目后续工程桩施工，采用以下措施：（1）继续加强施工过程管理，配备施工经验丰富、质量意识强的现场管理人员和钻机操作人员，严格控制各道工序的施工质量，特别是持力层的判定，由地勘单位逐根到场验收持力层岩性；
（2）冲孔灌注桩24h施工，加快成桩时间，下钢筋笼前应进行扫孔作业，减少泥浆护壁泥皮；
（3）钢筋笼下笼完毕，采用气举反循环二次清孔工艺，（3）合理安排混凝土浇筑时间，二次清孔完毕应立即浇筑混凝土，特别是夜间清孔完成，严禁等第二天才浇筑混凝土，以免清孔时间过长引起缩径可能，（4）增加桩端高压后注浆技术的应用。
为检验以上改善措施，设计院建议进行第二次试桩验证，第二次试桩两根，桩长均为45m，桩径均为1200m，桩端持力层为散体状强风化凝灰熔岩，其中一根采用桩端高压后注浆技术。
3.1 桩端高压后注浆技术基本原理
桩端高压后注浆技术是指灌注桩在成桩后，通过预埋在桩身的注浆管向桩端地层均匀注入能固化的浆液（通常为纯水泥浆），视浆液性状、地层特性和注浆参数等不同条件，压力浆液对桩端土层、中风化与强风化基岩、桩端虚土及桩端附近的桩周土层起到渗透、填充、置换、劈裂、严密及固结或多种形式的组合等不同作用，改变其物理化学力学性能及桩与岩、土之间的边界条件，消除虚土隐患，从而提高桩的承载力以及减少桩基的沉降量[1]。
3.2 桩端高压后注浆技术优化冲孔灌注桩施工工艺
3.2.1 冲孔灌注桩施工流程
（1）泥浆护壁冲孔成孔；
（2）放钢筋笼和灌注导管；
（3）注浆管安放；
（4）按常规方法灌注混凝土；
（5）压力注浆。
3.2.2 注浆管安放及注浆施工工艺
（1）沿钢筋笼圆周对称设置3根Ф25壁厚为3.0mm的焊接钢管，深度直达桩底，注浆管的下端设出浆口，并用胶带或塑料膜包住，出浆口的位置高出孔底30～50cm，注浆管应与钢筋笼绑扎固定。
（2）桩身混凝土灌注24h后对注浆管实施预压劈裂通道工序，压水压力为1～2MPa，压通后压力自然下降，压水量以压通为止。
（3）桩身混凝土灌注后2～30天内完成桩端压力注浆，终压力10MPa，浆液浓度（水灰比）0.5∶1～0.6∶1。
（4）达到以下条件中的任何一条时即可停止注浆：注浆压力超过10MPa；
每根注浆管水泥用量超过3t；
所注的水泥浆从地面冒出。
3.3 试桩情况
第二次试桩两根，两根桩基本参数均一致，并且试桩距离较近，试桩2#桩未采用桩端高压后注浆技术，试桩3#桩采用桩端高压后注浆技术，实际注浆水泥用量1.8t。经静载试验所得数据如表1。
表1 两次试桩参数与结果统计表
从表1数据可看出，桩端高压后注浆的单桩极限承载力大于未注浆的承载力,提高幅度将近60%。
两次试桩工作后，地勘单位结合试桩检测数据出具了《桩基设计参数值修正建议函》，对各地层qpk、qsik等取值进行调整，为桩基设计调整提供了重要参考依据。经设计调整，该工程主楼桩单桩承载力特征值取9350kN，主楼桩采用桩端高压后注浆技术。
3.4 桩端高压后注浆效果分析
3.4.1 提高桩承载力
设计调整后，主楼桩全部采用桩端高压后注浆工艺。经桩基验收静载试验选取的5根主楼桩承载力均满足要求，极限承载力极限值达到18700kN[2]。比试桩1#未采用高压注浆，持力层同为中风化岩相比，单桩承载力提高显著。
3.4.2 解决虚土问题
由于冲钻孔灌注桩以泥浆作冲洗介质，无论采用何种先进的二次清渣工艺，不可能将钻渣完全携带至地表；
另外，在灌注桩身混凝土前的二次清渣工序与首灌混凝土工序之间有一定的时间间隙，在此间隙内，孔内泥浆中部分沉渣将沉淀于孔底。注入桩端的水泥浆液与桩端虚土发生物理化学反应使其固化，凝结成一个结构新、强度高、化学性能稳定的结石体，并有一定的扩底效应，提高桩端阻力，从而提高桩的极限承载力。
3.4.3 提高桩侧摩阻力
对于泥浆护壁法冲钻孔灌注桩，由于泥皮的存在，阻碍桩身混凝土与桩周土的粘结，相当于在桩侧涂上一层泥皮“润滑剂”，泥皮越厚，桩侧摩阻力降低越严重，因此，泥皮的存在成为泥浆护壁冲钻孔灌注桩的另外一大症结。
该工程灌注桩空孔较长，多达14m，现场施工过程中，桩端高压后注浆压力很难达到10MPa，只能按照单桩注浆水泥用量9t及水泥浆从地面冒出作为终止注浆条件。当水泥浆从空孔中冒出时，往往水泥用量约5～8t。根据现场桩头剥露情况来看，多数桩外围均包裹着水泥浆。
这说明这种高水泥用量桩端后注浆，同时也在一定程度上对桩侧进行了注浆。桩侧注浆，水泥浆液渗入泥皮与桩侧更大范围的桩周土体，浆液凝结后，桩侧泥皮被加固，更大范围的桩周土体被调动起来参与承载，桩侧摩阻力得到较大提高，有效地解决了泥浆护壁冲钻孔桩泥皮降低桩侧摩阻力的问题。
综上所述，冲孔灌注桩施工过程中，通过制定周密的施工方案及针对性的技术措施，可以有效提高冲孔灌注桩成桩质量。桩端高压后注浆技术，能够有效消除孔底沉渣和桩侧泥皮对成桩质量的不利影响，提高了桩身承载力，工程质量和经济效果显著。
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