桩端后压浆对群桩承载特性的影响研究

杨有莲，吴启红，万世明，谢飞鸿，董建辉

(成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

桩端后压浆对群桩承载特性的影响研究

杨有莲，吴启红，万世明，谢飞鸿，董建辉

(成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

阐述了超长大直径灌注桩桩端后压浆技术及其作用机理，介绍了该技术在施工中存在的问题，以供类似工程借鉴和参考.通过某大桥超长大直径灌注桩基础的具体工程应用表明，利用桩端后压注浆可大大提高灌注桩的桩基承载力，为克服灌注桩施工工艺上的局限性提供了一种有效的方法.

超长大直径钻孔灌注桩；桩端压力注浆；作用机理；承载力

0 引 言

近年来，随着桥梁工程的迅猛发展，超长大直径钻孔灌注桩以其承载力高的优点得到了广泛的应用[1-2].但由于其成孔质量的不稳定性以及施工工艺上固有的局限性，如桩底沉渣常常难以清除干净，以及桩侧泥皮的存在等，往往使得桩基的承载力难以发挥.同时，由于超长大直径桩施工工期较长、造价较高，若不能有效发挥桩基承载力，将会严重影响工程的进度.在过去桩基设计中，为了获得足够大的桩基承载力，往往依靠加大桩长、桩径、增加桩数的办法，由此导致工期延长，工程造价增加等系列问题.针对上述问题，在实际的工程施工中，通常通过引入桩端与桩侧后压浆技术来消除桩底沉渣和下段桩侧泥皮的不利影响，这不仅可以有效完善泥浆护壁钻孔灌注桩成孔工艺，改善成桩质量，提高桩基承载力，而且还可以大大缩短施工工期，节约工程造价[3-5].为了分析桩端后压浆技术对群桩承载特性的影响，本研究以某大桥超长大直径灌注桩的桩基础为例，采用自平衡静载法，并结合桩身埋设钢筋对5根超长大直径试桩进行了压浆前、后的对比实验.

1 桩端后压浆及加固机理

1.1 桩端后压浆

桩端后压浆，是指成桩后，通过预埋在桩身的2根注浆管，待混凝土浇注完成一段时间后，即可开始注浆.注浆时，一根管作为压浆管，另一根管作为溢浆管.桩端后压浆的具体步骤是：首先，用高压泵先注清水(或泥浆)清洗孔底；然后，利用高压注浆泵压力作用，经桩端底土层均匀地将配制好的水泥浆注入(见图1).

图1桩端后压浆过程示意图

如图1所示，通过高压注浆，桩端底的沉渣一部分被排出，另一部分和桩端底土体一起与水泥浆充分混合发生物理化学反应而固化凝结成一个结构新、强度高、化学性能稳定的结石体.

1.2 桩端后压浆加固机理

桩端后压浆加固的机理是：在桩端后压浆过程中，随着注浆量的增加及注浆压力的提高，一方面，水泥浆不断地向桩端持力层中渗透，在桩端底部形成一个水泥土扩大头，改善了桩端的支撑条件，从而大幅度提高了单桩的承载力；另一方面，当注浆压力升高、注浆量不断增加，注入桩端的水泥浆在压力作用下，在桩端以上一定高度范围内会沿着桩的侧壁上升，充填于桩侧壁与孔壁之间，进而改善了桩侧泥皮厚度带来的工程问题.

研究表明，通过桩端后压浆，水泥浆充填桩身与桩周土体的间隙并渗入到桩周土层一定宽度范围，在很大程度上解决了影响泥浆护壁钻孔灌注桩承载力的桩底沉渣、桩侧泥皮2大主要工艺因素，提高了桩端阻力及桩侧摩阻力，进而提高了桩的承载力[2-3].

2 影响超长灌注桩承载性能的因素

在超长灌注桩采用桩端后压浆技术施工时，以下情况会对其承载性能产生影响.

1)为避免在成孔过程中出现坍塌和缩径现象，工程中一般采用泥浆护壁.泥浆中的黏土粒在循环过程中吸附于孔壁，形成桩侧泥皮，从而起到护壁的作用.但由于泥皮的存在，相当于在桩土之间涂了一层润滑油，削弱了桩身混凝土与桩间土的黏结性能，从而在一定程度上降低了桩侧的摩阻力.

2)施工过程中，由于使用泥浆作为冲洗介质，无论采取何种清孔工艺，都很难将孔内沉渣全部消除干净.尤其是当泥浆比重和黏度都较大，且清孔不彻底时，往往造成桩底沉渣较厚，从而严重影响灌注桩的承载力.

3)在泥浆护壁的环境下，因受水的浸泡作用，使得桩周土体强度降低，引起桩身砼收缩等情况出现，此均会导致桩侧摩阻力的降低.

由于上述情况的出现具有很大的不确定性，使得灌注桩的单桩承载力往往表现出一定的离散性.相关实验也证明，同一个施工场地、相同结构的桩体，其承载力最大可相差2倍以上，这不仅造成严重的资源浪费，还使得钻孔灌注桩的工程质量具有很大的不确定性.

根据本工程对象试验的测试结果，各排桩桩顶轴力在不同阶段荷载下桩轴力分布如图2所示.

图2显示，由于桩土相互作用，在不同位置处的桩受到相邻桩的桩土相互作用的影响程度不同，使得不同位置的桩的受力变形特性有较大的不同.靠近承台两端边缘的桩和承台系梁附近的桩表现为单桩荷载传递特性，承台内部的桩因群桩效应大而使得其桩顶轴力值差别较小，在各阶段荷载作用下，各排桩桩顶轴力呈W形分布.

3 实例分析

3.1 工程概况

目前，超长大直径灌注桩无论在设计上还是在施工工艺上，尤其是在清渣、混凝土浇注等方面都存在很多技术难题.作为研究对象的某大桥主塔桥墩区位于第四系土层，厚达300 m左右，地质条件复杂，属于软弱地基.工程施工中，对其采用了超长大直径钻孔灌注桩基础.

图2不同荷载阶段下桩轴力分布

3.2 自平衡测试及试桩参数

自平衡测试，是利用预埋在桩身的荷载箱进行的一种静载实验法.此方法利用了所测桩自身的反力来平衡加载力，通过液压泵对荷载箱内腔施加向上、向下压力，将箱盖和箱底同时推开，从而调动桩周侧摩阻力和桩端阻力，其测试原理如图3所示.

图3自平衡现场实验原理示意图

在试验中，采用慢速维持进行加载法，并按《桩承载力自平衡测试技术规程》相关规范进行，各试桩的桩身按土层界面布置钢筋应力计算，每个截面对称布置.测试参数如表1、表2所示.

3.3 压浆前、后测试值的对比分析

由于该大桥施工工期长，成桩质量受施工因素的影响很大，桩底沉渣厚度及桩侧泥皮厚度变化显著，使得桩端阻力和桩侧摩阻力的大小具有很大差异.压浆前、后桩承载特性如图4所示.

表1 试桩参数

表2 压浆参数

图4 压浆前、后桩承载特性对比示意图

图4表明，从压浆效果来看，压浆后的桩承载性能明显得到改善.但从承载力设计角度来看，由于受施工工艺因素的影响，使得桩基承载力，包括桩端阻力和侧阻力，提高的幅度具有较大的离散性，故在桩基承载力理论设计中，难以反映压浆的具体效果.对此，有必要进行消除施工工艺因素影响后的压浆效果对比.

综合本研究相关的试验数据可以看出，压浆前、后桩的承载特性如下：

1)桩端后压浆技术可有效消除泥浆护壁工艺的不利影响.在压力作用下，水泥浆液下对桩端持力层进行渗透、劈裂和挤密等作用，在桩的端部形成一个较大直径的水泥土固结体，这样使得桩端阻力大幅度提高.同时下段桩身的桩侧泥皮和一定范围的土体也得到加固，从而使桩的承载力得到了提高.根据试验结果可知，压浆后桩的极限承载力提高了约55%～100%，其中总的桩侧摩阻力提高了约12%～50%，总的桩端阻力提高了约2.5～25倍.

2)经桩端压浆后，桩端刚度得到大幅度提高.压浆前，桩端阻力占总承载力的比例约为2%～12%，基本属摩擦型桩；压浆后提高到22%～35%，属端承摩擦桩，由摩擦桩转变为端承摩擦桩.

3)钻孔灌注桩的压浆效果受诸多因素的影响，如压浆量、桩长和土层条件等.但桩越长，直径越大，压浆效果越差.而在其他条件相似时，压浆效果将受压浆参数影响，在一定范围内，承载力会随压浆压力的增大而增大.

4 消除桩底沉渣影响的措施

通过试验发现，影响桩底沉渣厚度的主要因素有：土层、泥浆比重、施工工艺、施工技术及管理水平等.其中，对泥浆护壁的超长灌注桩来说，施工技术与工艺的影响较大.常规正循环工艺施工时，受泥浆泵排渣效率限制，清渣效果不理想，尤其当孔深超过50 m时，排渣效率更低.同时，为增强泥浆的悬浮能力，施工中一般采用较大比重的泥浆(一般为1.1～1.25)，使得泥皮的厚度较大，将会造成桩侧摩阻力的损失较大.而在反循环工艺施工时，一般采用较小比重的泥浆(一般<1.1)，清渣时可根据孔深采用泵吸反循环或气举反循环清渣工艺，效果较好，从而使单桩承载力得到正常发挥.

另外，采用桩端后压浆工艺，可通过高压水泥浆对桩底沉渣的劈裂渗透、置换挤密、化学胶结等作用使得沉渣强度得以提高，从而消除其不利影响.

5 结 论

本研究通过对某大桥超长直径灌注桩基础的桩端压浆前、后桩的承载性特性的对比试验发现：利用自平衡静载荷法，可充分调动桩周土的侧阻力与端阻力，从而为研究超长大直径试桩的承载特性创造了条件；桩端压浆后，单桩极限承载力提高了约55%～100%，其中总的桩侧摩阻提高了约12%～53%，桩总端阻提高了约5～25倍；经桩端压浆，桩端刚度可大幅度提高，压浆后，总的桩端阻力所占比例提高到了22%～35%，桩的承载形态由压浆前的摩擦型桩变为压浆后的端承摩擦桩.

本研究证实，桩端后压浆技术可大幅度提高单桩的承载力，改变了过去主要依靠增大桩长、扩大桩径的方法来提高桩的承载力的工艺.同时，采用该技术可大大缩短施工工期，降低工程造价，具有广阔的应用前景.但需要说明的是，由于施工场地和施工条件的复杂多变，桩端后压浆技术在实际工程的应用中仍有很多问题有待进一步研究.

[1]黄根生，龚维明.苏通大桥一其超长大直径桩承载特性分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3370-3375.

[2]李昌驭.大直径钻孔灌注桩桩端后压浆试验研究[J].公路，2004，49(5)：55-59.

[3]申建宇，李少彬.后注浆技术的应用研究[J].岩土工程界，2001，4(10)：40-41.

[4]龚维明，戴国亮，蒋永生.桩自平衡测试理论与实践[J].建筑结构学报，2002，23(1)：82-88.

[5]车志强.钻孔灌注桩桩底后注浆技术及应用[J].岩土工程界，2002，5(11)：35-36.

StudyonInfluenceofPile-endPost-groutingTechnologyonBearingCharacteristicsofPileGroups

YANGYoulian,WUQihong,WANShiming,XIEFeihong,DONGJianhui

(School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

In this paper,the pile-end post-grouting technology and its mechanism of bored piles of super-long diameters are discussed,and the problems existing in the construction are introduced in order to provide reference for similar projects.Based on the study of a specific engineering application of filling pile foundation of a bridge with a large diameter,this paper shows that the bearing capacity of pile foundation can be greatly improved by using the pile-end post-grouting technology which provides a very effective method to overcome the limitations of the construction technology of filling piles.

bored-piles of super long diameter;pile-end pressure grouting;mechanism of action;bearing capacity

U441+.2

A

1004-5422(2017)04-0417-04

2017-10-03.

杨有莲(1976 — )，女，博士，讲师，从事土木工程软基加固与基础工程研究.