关于台州沿海高速桩底后压浆施工工艺必要性的方案.docx
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关于台州沿海高速桩底后压浆施工工艺必要性的方案
关于桩底压浆施工工艺必要性的方案
一、项目概况
1、钻孔灌注桩是目前桥梁的主要基础形式，其主要优点为：
（1）工无挤土效应，少振动、低噪音，环境影响较小；
（2）桩基设计参数可根据桥梁结构及地层条件进行调节，不受桩长的限制；
（3）可以做成大直径桩，大大提高桩的承载力和横向刚度。
其存在的主要问题为：
（1）钻孔灌注桩施工工序较多，施工工期较长，在施工过程中，可能遇到复杂的地质条件和孔内事故；
（2）施工单位的机械设备、施工工艺、技术水平和管理水平差别很大，桩基施工的质量差异性大；
（3）钻孔灌注桩施工采用泥浆护壁，必然在孔壁形成泥皮，在孔底残留沉渣和扰动桩端土体，从而降低桩侧摩阻力和桩端阻力，使桩的承载力大幅降低，不能发挥其巨大的承载潜能。
2、钻孔灌注桩由于受施工工艺的影响，存在诸多的不利于桩承载力的因素：
（1）在成孔过程中，为维持孔壁稳定，避免出现坍塌和缩径现象，一般采用优质泥浆护壁。
泥浆中的粘土颗粒在循环过程中吸附于孔壁，形成泥皮，从而起到保护孔壁的作用。
但泥皮的存在，阻碍了桩身混凝土与桩间土的粘结，相当于在桩土间涂了一层润滑油，不同程度地降低了桩侧摩阻力。
摩阻力降低的程度与泥皮的质量、厚度等有关，泥皮质量越好，厚度越大，摩阻力越低。
（2）成孔后，地层中形成了较大的自由面，改变了地层的初始应力状态，桩周土体向孔中心产生不同程度的位移，引起地层侧压力的降低，使桩土间的法向应力减小，桩侧摩阻力降低。
（3）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，很难将孔内沉渣全部带出至地表。
特别是当孔内泥浆比重、粘度较大，清孔不彻底时，沉渣往往较厚。
孔底沉渣的存在是影响钻孔灌注桩承载力的重要因素之一。
（4）孔壁受水浸泡，使桩周土的抗剪强度降低及桩身砼收缩等均会导致桩侧摩阻力的降低。
3、如台州湾跨海大桥主墩采用的桩长达150m，桩径2.8~2.5m的钻孔灌注桩。
根据其他跨海大桥的桩底压浆情况，通过对其试桩压浆等试验研究，分析桩底压浆的必要性以及存在的不足。
为保证桩的承载力达到要求，除了选用合理的钻具，采用合理的工艺参数和加强质量管理，决定使用桩底后压浆技术，通过改善桩的承载特性，来保证桩的承载力和施工质量的可靠度。
二、后压浆方案
1、后压浆定义
钻孔灌注桩后压浆技术是成桩时在桩底或桩侧预置压浆管路和压浆装置，待桩身达到一定强度后，通过压浆管路，利用高压压浆泵压注以水泥为主剂的浆液，对孔底沉渣和桩侧泥皮进行固化，从而消除传统灌注桩施工工艺所固有的缺陷，以达到提高桩的承载力，减少沉降量，并提高桩身质量和桩承载力的可靠性的一种科学先进的技术方法。
2、后压浆工艺的优缺点
后压浆具有众多优点：
（1）保留各种灌注桩的优缺点；
（2）大幅度提高桩的承载力，技术经济效益显著；
（3）采用桩端压力灌浆工艺，可改变桩底虚土（包括孔底扰动土、孔底沉渣土、孔口与孔壁回落土等）的组成结构，形成扩大头，可解决普通灌注桩桩底虚土这一技术难题，对确保桩基工程质量具有重要意义；
（4）采用桩侧压力灌浆工艺，可改变护壁泥皮的组成结构，增加桩底有效侧摩阻力；
（5）对桩径、桩长、桩周持力土层无特定要求，适应性广；
（6）压力注浆时可测定压浆量、压浆压力和桩顶上抬量等参数，既能进行压浆桩底质量管理，又能预估单桩承载力；
（7）因为后压浆桩是成桩后进行压力注浆，其技术经济效果明显高于前压浆法的桩；
（8）技术工艺简练，施工方法灵活，压浆设备简单，便于普及。
同时也有缺点：
（1）需精心施工，否则会造成压浆管被堵、地面冒浆和地下窜浆等现象；
（2）需注意相应的灌注桩的成孔与成桩工艺，确保其施工质量，否则将影响压力注浆工艺的效果；
压力注浆必须在桩身混凝土强度达到一定值后方可进行，故增长施工工期，但当施工场地桩数较多时，可采取合适的施工流水作业以缩短工期。
3、影响桩端后压浆桩承载力的主要因素
影响桩端后压浆承载力的因素十分复杂，大体可分为两方面：
一是灌注桩自身的因素，包括桩端、桩侧土层性质，桩长，桩径和桩身质量等；二是后压浆施工因素，包括压浆装置的形式，压浆时间的选择，管路系统的可靠性，浆液的类型，压浆量，压浆压力等。
（1）桩端土层的性质
根据大量实测资料的分析，桩端土层对后压浆桩承载力有着很大的影响。
一般来说，在其他条件相同的情况下，桩端为卵砾石、砂砾石、砂等粗粒土时比桩端为粉细砂等细粒土时的承载力提高的幅度大。
在粗粒土（孔隙率较大的卵砾石、中粗砂等）中压浆时，浆液渗入率高，通过渗透、部分挤密、填充及固结作用，大幅度提高持力层扰动面及持力层的强度和变形模量，并形成水泥土扩大头，增大桩端受力面积，故极限承载力增幅大，增幅约在50%～260%范围内。
在细粒土（粘性土、粉土、粉细砂等）中压浆时，浆液渗入率低，实现劈裂压浆，土体被网状结石分割加筋成复合土体，它能有效地传递和分担荷载，极限承载力增幅通常在14%～88%的范围内，个别桩的增幅可达106%～138%，其增幅较在粗粒土中压浆时小。
以杭州某工程试桩为例，桩端持力层为砂卵砾石层。
1号桩为未压浆桩，桩长48.60ｍ，桩径800mm，其Qu值为8000kN；2号桩为桩端压力注浆桩，桩长48.30m，桩径800mm，压浆压力2.2MPa，水泥注入量1500kg，其Qu值为16000kN，与1号桩相比，Qu增幅100%；3号桩是在1号桩试压后实施桩端压力注浆工艺的，压浆压力和水泥注入量与2号相同，其Qu值为20800kN，增幅160%（此增幅值包含1号桩复压的影响）。
（图1）
以温州某工程试桩为例，桩端持力层为粉质粘土。
1号桩为未压浆桩，桩长4960m，桩径750mm，其Qu值为4160kN；2号桩和3号桩为桩端压力注浆桩，桩长分别为49.80m和49.40m，桩径750mm，压浆压力为0.9MPa，水泥注入量为1000kg和1400kg，其Qu值均为7800kN，比1号桩增幅88%。
（图2）
图1桩端为粗粒土条件下后压浆Q－S比较
图2桩端为细粒土条件下后压浆Q－S比较
表1不同地区、不同土层条件下桩端后压浆承载力提高比例的统计表
地区
桩长
（m）
桩径
（m）
桩端土层
承载力提高比例（％）
北京
6.4
0.4
卵石含砂、砾石
135～213
北京
11.1
0.4
中砂
167
安徽
18.6
0.4
粉细砂
70
上海
21.0
0.6
粘土
54
表2不同桩长条件下压浆前后承载力对比
桩长
（m）
压浆前承载力
（m）
压浆后承载力
（m）
承载力提高比例（％）
5
400
690
72.5
10
700
1120
61.4
20
1050
1610
53.3
30
1600
2250
40.6
表3不同桩径条件下压浆前后承载力对比
桩径
（m）
压浆前承载力
（m）
压浆后承载力
（kN）
承载力提高比例（％）
0.5
1500
2590
72.7
0.6
2800
4450
58.9
0.8
3500
5120
46.3
1.0
4500
5950
32.2
1.2
6000
7480
24.7
此外，桩端土层的密实程度对后压浆桩承载力有着重要的影响，桩端土层的初始孔隙越大，结构越松散，浆液的渗透效果就越好，桩端和桩侧阻力提高的幅度就越大。
（2）压浆量（水泥量）
在土层性质、桩端压力注浆装置形式、桩体尺寸、压浆工艺及压浆压力等条件相同的前提下,对于桩端压浆桩而言,压浆量多者承载力增幅一般也大。
如武汉地区两根试桩，桩径800mm，桩长分别为46.00m和46.10ｍ，桩端进入粉细砂层3.5ｍ和3.1ｍ，桩侧土层十分接近。
两者均采用桩外侧钻孔压浆法，即成桩后，在桩径外侧沿桩侧周围相距0.3ｍ处各钻一个直孔,成孔后放入压浆管及压浆装置,进行桩端压力注浆,压浆压力1.5Mpa,1号和2号的水泥注入量分别为1100kg和1600kg。
试桩极限承载力分别为8580kN和11220kN，2号桩的极限承载力比1号桩增幅30.5%。
这两根桩及相应的未压浆桩的Ｑ-ｓ曲线见图3。
如南通地区的两根试桩，桩径900ｍｍ，桩长14.00ｍ，桩端持力层为粉细砂，压浆压力0.5Mpa，桩端水泥注入量分别为400kg和285kg。
试桩结果表明，两根桩极限承载力分别3200kN和2400kN，即压浆量多的桩的极限承载力比压浆量少的桩增幅33.3％。
2
1
图4不同压浆压力时承载力对比
图3不同压浆量时承载力对比
图2.2-3不同压浆量时承载力对比
（3）压浆压力
如天津地区的两根试桩，桩径800mm，桩长56.00ｍ，桩端为中密粉砂，桩端注入水泥量500kg，压浆压力分别为0.3Mpa和1.2Mpa，两根桩极限承载力分别为14000kN和15000kN。
表明当其他条件相同时，极限承载力随压浆压力的增大而略有提高，如图4。
（4）浆液种类
实现渗入性压浆工艺的基本要求是浆液必须渗入土体的孔隙，即浆材颗粒尺寸应远小于孔隙尺寸。
普通水泥最大颗粒尺寸约在60～100μｍ（0.06～0.10ｍｍ）之间,其浆液难于进入渗透系数k<5×10-2cｍ/ｓ的砂土孔隙或宽度小于200μｍ的裂隙。
为了提高水泥浆液的可注性，国外常采用把普通水泥浆材再次磨细的方法,从而获得平均粒径小于3～4μｍ的超细水泥。
由这种浆材配制的浆液的渗入系数可从原来的5×10-2cm/ｓ（粗砂层），提高到10-3～10-4ｃｍ/ｓ（细砂层）。
超细水泥浆液与普通水泥浆液相比，具有渗透能力强；超细水泥的比表面积远大于普通水泥，故化学活性好，固化速度快，结石强度高；超细水泥分散性大，故具有抗离析能力强，沉淀少等特点。
由于上述特点，采用超细水泥浆的桩端压力注浆对未压浆桩的承载力增幅远远大于普通水泥浆的桩端压力注浆桩对未压浆桩的承载力增幅。
图5中2号桩桩,桩径600ｍｍ,桩长46.00ｍ,桩端持力层为细砂层,桩端注入水泥量300kg，其单方极限承载力（Qｕ/Ｖ）较同条件的未压浆1号桩增幅30%。
而4号桩为采用湿磨超细水泥浆液的桩端压力注浆桩,桩径600mm，桩长45.40ｍ,桩端持力层为粉质粘土,桩端注入超细水泥量1900kg,其单方极限承载力较3号未压浆桩（桩径850mm，桩长44.60ｍ，桩端持力层为砂质粉土）增幅131％。
上述4根桩的Ｑ-S曲线见图5。
图6不同桩长L~Qvc关系
图5不同压浆材料时承载力对比
4、提高承载力的机理
（1）桩端沉渣与注入的浆液混合固化，凝结成一个强度高、化学性能稳定的结石体，从而提高桩端阻力。
如图7所示。
（2）细粒土（粘性土、粉土、粉砂、细砂）中进行桩端压浆时，若浆液压力达到劈裂压力，则土体产生劈裂，水泥浆液以网状形式存在于土体中，固化后成水泥土复合体，它能有效地提高土体强度和变形摸量，从而提高桩端阻力。
（3）粗粒土（孔隙较大的中砂、粗砂、卵石、砾石）中进行桩端压浆时，浆液主要通过渗透、挤密、填充及固结作用，大幅度地提高持力层的强度和变形模量，并形成扩大头，增大桩端受力面积，从而提高桩端阻力。
（4）对于泥浆护壁灌注桩，在压力作用下注入桩端的浆液，在桩端以上一定
高度范围内会沿着桩土间泥皮上渗，胶结泥皮，并充填桩身与桩周土体
的间隙，浆液固结后调动起更大范围内的桩周土体参与桩的承载，提高桩
侧摩阻力。
据文献[32]提供的试验结果，在桩端以上2.5D范围内压浆桩
的桩侧摩阻力可以提高2.5倍。
图8为桩端压浆后开挖出桩身形状。
图7桩端压浆后效果图
图8桩端压浆后开挖桩身形状
（5）桩端压力注浆使桩上抬而产生反向摩阻力，相当于“预应力”的作用，提高桩侧摩阻力。
（6）在压浆压力作用下，使桩端压缩变形部分地在施工期内提前完成，减少日后使用期的竖向压缩变形。
5、后压浆经济效益分析
为分析后压浆的经济效益，通过对苏通大桥提供的资料的统计分析，把砼每万元提供的承载力和后压浆每万元提供的承载力进行对比，见表4。
表4后压浆经济效益对比表
桩号
桩长（m）
桩径
（m）
体积（m3）
压浆量（t）
压浆前（kN）
压浆后（kN）
提高值（kN）
砼每万元提供的承载力
（kN/万元）
后压浆每万元提供的承载力（kN/万元）
比值
S1
84
1.5
148.365
3.5
24000
37500
13500
1078.4
19285.7
17.88
S2
69
1.5
121.8713
2.5
28000
S3
69
1.5
121.8713
4
16000
32000
16000
875.2
20000.0
22.85
N3
76
1.8
193.2984
2
24400
40900
16500
841.5
41250.0
49.05
SZ2
125
2.5
613.2813
8.6
96481
SZ3
106
2.5
520.0625
11
96746
SZ4
125
2.5
613.2813
9
59638
100538
40900
648.3
22722.2
35.05
注：
表中砼价格按1500元/m3，后压浆费用折算成水泥按2000元/t计算。
三、后压浆的施工
1、桩端后压浆桩的施工工艺
虽然桩端压力注浆装置有很多种，但基本的施工程序相同，在具体施工时有所变通。
（1）泥浆护壁成孔，成孔质量应满足有关的钻孔灌注桩施工要求。
（2）放钢筋笼及桩端压力注浆装置。
压力注浆装置绑扎在钢筋笼内侧，随钢筋笼同步放入孔内。
（3）按有关规范、规程要求灌注混凝土。
（4）进行压力注浆。
当桩身混凝土强度达到一定值（通常为75%）后，通过地面压力系统经桩端压力注浆装置向桩端土层压浆。
（5）卸下压浆接头，成桩。
压浆工艺流程见图9
图9后压浆工艺流程图
2、后压浆施工机具
压浆施工机具大体上可分为地面压浆装置和地下压浆装置两大部分。
地面压浆装置由高压压浆泵、浆液搅拌机、储浆桶、地面管路系统及观测仪表等组成；地下压浆装置由桩身压浆导管和桩端压浆装置等组成，开式压浆和闭式压浆在桩端压浆装置有所不同。
整个系统示意如图10。
图10压浆施工示意图
（1）高压压浆泵
桩端压力注浆对泵的要求是排量要小而压力要高要稳，泵的额定压力应大于要求的最大压浆压力的1.5倍，泵的排量为50～300L/min。
符合上述要求的产品有：
中南冶金机械厂的SNS系列压浆泵，锦西压浆泵厂的2TGZ－60/210（120/105）型压浆泵，YSG-250/120型液压调速泵，HFV专用型压浆泵，US3型灰浆泵，JHB－A型灰浆泵，SCB－1型压浆泵，BW－150型泥浆泵等。
压浆泵上必须配备有卸荷阀和压力表。
（2）浆液搅拌机及储浆桶
浆液搅拌机及储浆桶可根据施工条件选配，搅拌机制浆能力和储浆桶容量应与额定压浆流量相匹配，且搅拌机出浆口应设置滤网。
（3）管路系统
该系统主要由浆液地面输送管组成，必须保证密封性。
输送管必须采用承受2倍以上最大压浆压力的高压管或无缝钢管等，长度不宜超过50米。
（4）桩身压浆导管
桩身压浆导管是连接地面输送管与桩端压浆装置的过渡管材，材质可为钢管、高强度PVC管等。
根据桩径的大小及压浆的均匀性沿钢筋笼均匀地布置一定数量。
桩身压浆导管应连接牢固和密封，宜采用焊接或管箍连接，与钢筋笼加劲筋焊接或绑扎固定，随钢筋笼一起下放入孔内。
（5）桩端压浆装置
该装置是整个桩端压力注浆施工工艺的核心部件。
开式压浆和闭式压浆不同。
开式压浆在桩端有预留空腔体；闭式压浆只有单向阀，压浆时，浆液由桩身压浆导管经单向阀直接注入土层。
国内已开发出十几种类型的桩端压浆装置，各种装置的技术水平参差不同，技术经济效果相差较大。
3、压浆终止标准
压浆量与压浆压力是压浆终止的控制标准，也是两个主要设计指标。
当满足下列条件之一终止压浆：
（1）压浆量和压浆压力均达到设计要求；
（2）压浆总量已达到设计值的80％，且压浆压力达到设计压浆压力的150％并维持5min以上；
（3）压浆总量已达到设计值的80％，且桩顶或地面出现明显的上抬。
4、补救措施
（1）当有压浆管压浆量达不到设计要求而泵压值很高无法压浆时，其未压入的水泥量由其余管均匀分配压入；
（2）如果出现压浆压力长时间低于正常值、地面冒浆或周围桩孔串浆，改为间歇压浆，间歇时间不宜过长，过长会导致管内水泥浆凝结而堵管。
当间歇时间很长时，可向管内压入清水清洗导管和桩端压浆装置。
当上述措施仍不能满足设计要求，或因其他原因堵塞、碰坏压浆管无法进行压浆时，可采用在离桩侧壁20～30cm位置打φ150mm小孔作引孔，埋置内导管。
如果有声测管，可钻通声测管作为压浆管，进行补压浆，直至压浆量满足设计要求，此时补压浆量应大于设计压浆量。
四、总结
通过以上钻孔桩压浆的研究，可以看到桩底压浆施工简便、工艺成熟、成本较低、效果显著。
随着钻孔桩基础的广泛应用，特别对于大直径钻孔桩，成倍提高桩端承载力的结果得到设计者的青睐，越来越多的桥梁将采用桩底压浆技术。
压浆后侧壁摩阻力大幅度提高的现象启发了新的思路，如果沿桩身布置注浆孔，有意识地进行侧壁压浆，通过浆液使钻孔桩侧壁与土壤固结为一体，改变摩阻力性质，可能会使钻孔桩承载力成数倍的提高，这一假设必须通过试验来验证。
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