改进型桩底压浆技术在公路扩建工程中的应用

2015-04-24邱嘉鹏

福建交通科技 2015年2期

■邱嘉鹏

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

桩底后压浆技术为近年来工程界迅速发展并广泛应用的新技术，以其广泛的适用性和便捷的施工方式成为桩基处理的重要技术手段。在2007 年9 月29 日发布的《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTG D63—2007)中就已经加入了后压浆灌注桩的承载力修正计算的内容，无疑对后压浆技术的规范和推广具有极其重要的意义。下文在对后压浆技术的原理进行分析的基础上，针对目前常见的压浆构造提出改进的方案，并介绍改进方案在高速公路扩建中的应用。

1 桩端压浆的基本原理

桩端压浆是利用桩底(或桩周)小主应力分布规律和劈裂压浆原理，利用压浆液的压力有控制性地将桩底(桩周)地基岩土劈开，注入适宜的浆液，通过桩与岩土互压和浆液析水使桩底(桩周)岩土体发生湿陷固结、胶结固结等作用，形成的浆脉充填于孔隙、裂隙中，达到挤密压实的目的。浆脉厚度、扩散宽度随桩底(桩周)地层情况和底部应力分布自行调整，使应力再分配，从而改善桩底(桩周)地基的内部应力状态，有效地改善和提高桩底地基岩土的稳定性和承载力。

2 桩端压浆的作用

2.1 提高桩端承载力

桩端压浆通过桩与岩土互压和浆液析水使桩底岩土体发生湿陷固结、胶结固结等作用，形成的浆脉充填于孔隙、裂隙中，达到挤密压实的目的。浆脉厚度、扩散宽度随桩底地层情况和底部应力分布自行调整，使应力再分配，从而改善桩底地基的内部应力状态，有效地改善和提高桩底地基岩土的稳定性和承载力。根据桩底土层的不同，《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTG D63—2007)第5.3.6 条对桩端阻力增强系数βP 给出了参考值(见表1)。可见对颗粒越大、孔隙率越大的土层，桩端压浆的效果越明显；对黏性土则效果较差。

表1 桩端阻力增强系数βP

2.2 提高桩侧摩阻力

对于采用泥浆护壁的灌注桩，注入桩端的水泥浆液，在压力作用下，浆液会在桩端以上一定高度范围内(8～12m)沿着桩土间上渗，通过渗透、劈裂、充填、挤密和胶结作用，填充桩身与桩周遍土体的空隙，并渗入桩周土体一定宽度范围，在桩周形成脉状结石体，从而使桩侧摩阻力大幅度提高。根据桩底土层的不同，《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTG D63—2007) 第5.3.6 条对桩端阻力增强系数βs 给出了参考值(见表2)。可见，桩端压浆对桩侧摩阻力的增强效果与桩端阻力具有一样的规律，即对颗粒和孔隙大的土层效果更佳。

表2 桩侧阻力增强系数βs

2.3 改善桩底沉渣的不利影响

桩底沉渣的存在因其强度低严重影响桩端承力的发挥，桩端沉渣与注入的水泥浆液发生物理化学反应固化，凝结成强度高、性能稳定的结石体，提高桩端阻力。

2.4 减少桩基的工后沉降

在灌浆压力作用下，桩底持力层受到预压应力，使一部分桩端压缩变形在桩基施工期内提前完成，减少后期使用阶段的竖向压缩变形。

3 桩端后压浆的管道结构

3.1 传统桩端压浆管道的构造

传统的桩端后压浆所用的管道多为直管型，单向进浆，顶端设止逆阀，底端用钢板焊接密封，底部为侧面打孔的花管段(见图1)，花管段多采用胶带包扎后随钢筋笼一同放入打好的桩基孔中。待桩基强度达到75%时，采用高压水(2～4MPa)冲开胶带，将符合要求的水泥浆压入。

图1 传统压浆管道构造图

但这种直管型压浆管在实际应用中却出现了诸多问题，具体表现在：

(1)花管段插入桩底沉渣，沉渣固结后容易堵住花管的孔洞。

(2)压浆管在施工中容易被砂石堵塞，而单向直管又无法将砂石掏出，只能将砂石压入底部花管段，彻底堵住管道。

(3)压浆管若由于接头破裂等原因出现漏浆，施工者无法识别，无法采取补救措施。

(4)单向压浆，冲开胶带时使用的大量清水与刚开始时较稀的水泥浆也被压入土层中，容易冲刷形成空洞，反而不利于承载力提高。

以上缺点导致采用传统压浆管道构造的桩基在施工中极容易堵管和漏浆，压浆效果受到极大影响，成功率不高。

3.2 改进后的压浆管道构造

针对传统桩端压浆管道的上述缺点，可采用如下改进措施，改进后的压浆管道构造见图2～图4：

3）道路绿化带宜疏密相间，在路外有重要景观节点，不宜过多用道路景观进行遮挡，保证驾驶人在行驶过程中能同时能享受丰富的沿江风光。

(1)将直管型的压浆管道改成U 型压浆管道。U 型管道无论在压浆前还是压浆中，都可以进行管道的清洗，并可待管道中的水泥浆浓度达到要求后再增加压力进行压浆。对管道压力的控制更加准确。此外，U 型管道在管道出现漏浆的情况时出水口压力会显著降低，从而识别漏浆，可及时停止对应管道的压浆作业，防止漏浆对桩体进一步破坏。

(2)将竖直的花管放置在U 型管的底部，变为水平向放置，可以增加花管与土体的接触面积，提高压浆的效率。

(3)放置钢筋笼和压浆管之前，在桩孔底部灌入一层砾石，压浆管放入之后再灌入一层。保证花管段不被泥浆和沉渣堵塞，同时成为为管道和土层间的缓冲和扩散层。砾石也会在水泥浆灌入后密结成型，有利于提高桩基的端部承载力。

图2 改进后的压浆管道构造图(底部平面)

图3 改进后的压浆管道构造图(立面)

图4 改进后的花管(端部压浆器)构造图

4 改进型压浆管在公路扩建工程中的应用

4.1 工程概况

高速公路扩建中不可避免地遇到桥梁的加宽。因为桥梁直接横向拼接加宽对比新建一座平行的桥梁具有更大的行车灵活性，所以成为桥梁扩建的主要方式之一。新旧桥梁结构的横向拼接对新桥的工后沉降具有较高的要求。而在东南沿海地区，基岩往往埋藏很深，按承载力设计的桥墩往往都为摩擦桩。旧桥的沉降已经基本完成，新桥如果也采用普通摩擦桩显然会造成较大的工后沉降差异，导致结构开裂，甚至破坏，而所有新建桥梁均采用端承桩形式会造成很大的浪费。

在某沿海地区高速公路扩建工程中，成功采用后压浆技术解决了摩擦桩工后沉降偏大的问题。该工程中一座特大桥，引桥35～40 号墩的地质如下：1～15m 为中砂；16～50m 为残积黏性土；50～60m 为砂土状强风化花岗岩。桥墩桩基根据承载力确定的长度为53m。考虑到桩底沉渣的影响，估计此桩基的工后沉降在5～8cm 左右。故采用改进后的桩端压浆技术进行处理。

4.2 压浆材料要求

浆液水灰比应根据土的饱和度和渗透性进行确定。对于饱和土宜为0.5～0.7，对于非饱和土宜为0.7～0.9(松散碎石土、砂砾宜为0.5～0.6)；低水灰比浆液宜掺加减水剂；地下水流动时，应掺入速凝剂。

水泥浆性能要求为：初凝时间3～4h，稠度17～18s；7d 强度≥10MPa。外加剂中U 型微膨胀剂(≤5%)，膨润土(≤5%)。

浆液进入储浆桶时必须用16 目纱网进行2 次过滤，防止杂物堵塞压浆孔及管路。浆液最终配方必须通过现场试配确定，确认达到性能指标后，再付诸使用。

4.3 施工工艺

在桩基施工完成后利用U 形管回路进行桩底压浆。浇筑桩基混凝土前，应将管道灌满水，上口用塞子堵死，以防漏浆。为确保U 型管贴近桩底，在钢筋笼末端设置电测触底装置。钢管接头采用专用接箍套接焊，管内应注入清水进行密封性试验，确保其不漏水，使其达到高压注浆要求。

压浆时需保证单向出浆。管道于安装前应进行清洗，以清除管内杂物。具体操作为打开回路的出浆阀，先排出注浆管内的清水，当出浆口流出的浆液与进口浆液的浓度相同时，关闭出浆阀开始注浆。

压浆总体控制原则为实行压浆量与压力双控。压浆分三次循环：

(1)第一循环，每根压浆管压完后，间隔时间不小于2.5h，不超过3h 进行第二循环，压浆量为40%；

(2)第二循环：每根压浆管压完后，间隔不小于3.5h，不超过6h 进行第三循环，压浆量为40%；

(3)第三循环：压浆量为20%。

为防止(减少)堵管，每一循环结束应对各管路压水清洗。第一循环与第二循环主要考虑压浆量。第三循环以压力控制为主。若注浆压力达到控制压力，并持荷5min，注浆量达到80%，也满足要求。桩端压浆终止压力根据土层性质、压浆点深度确定。对于风化岩，非饱和黏性土、粉土，宜为5.0～10.0MPa；对于饱和土宜为1.5～6.0MPa；软土取最低值，密实土取高值。压浆量不宜超过75L/min。

采用改进后的压浆管道设计和以上压浆施工工艺的桩基在施工中几乎没有出现堵管现象，现场施工进展相当顺利。桩基在达到压浆压力时均有少量的上拔(1～2mm),桩基承载力试验发现承载力平均有32%的提高，沉降量均小于12mm。远远超过设计目标，取得了较好的效果。