李洪宇+秦泽亮+鲍涵+张晓航

摘要： 本文以平潭协和医院项目为工程实例，对冲孔灌注桩后注浆技术进行了阐述，对桩端注浆加固机理、注浆量与时间的关系等方面进行了介绍，为以后同类工程施工提供参考。

Abstract： This paper takes the project of Pingtan Xiehe Hospital as an example， elaborates on the post grouting technology of cast-in-place bored pile， introduces pile-end grouting pile reinforcement mechanism， the relationship between quantity and time， etc.， in order to provide references for future similar engineering construction.

关键词： 灌注桩；后注浆；静载

Key words： cast-in-place piles；post grouting；static load

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0105-03

0 引言

沿海地区填海造陆不断扩展，高层建筑建设中基础所受荷载越来越大，大直径钻孔灌注桩的应用日益广泛。往往施工洗孔过程中很难清除桩端沉渣，严重制约着工程桩的承载力有效发挥。桩端后注浆是工业与民用建筑、道路桥梁等工程领域中用于提高單桩承载力、减小桩基变形的一项新技术。桩端后注浆是指在钻孔灌注桩浇筑完成后，通过预先埋设在钢筋笼里的注浆管，向桩末端进行高压注浆，对桩端的沉渣及桩端的桩周土层起到渗透、填充、劈裂及固结等多种形式组合的不同作用。固化末端沉渣及周边土层，改善桩与岩、土之间的边界条件，从而提高桩的承载力并减少沉降量。

1 工程概况

平潭协和医院（一期）工程位于福建省平潭综合实验区金井湾，总建筑面积154310.62m2，其中地上建筑面积114130.38m2，地下建筑40180.24m2。共设置有门诊楼、住院楼、台胞救治中心、放疗楼、地下车库、感染楼、动力中心、垃圾收集站、污水处理站。容积率为0.95，建筑密度为17.72%，绿地率36.95%。

场地各土层分布及其物理力学参数如表1所示。基础设计采用后注浆钻孔灌注桩，桩径为1200mm，持力层为中风化花岗岩，且桩端进入持力层不小于1m，单桩水泥注入量不小于2500kg，注浆压力不小于3MPa，单桩竖向抗压承载力特征值为7800kN。为准确评价工程桩的实际承载力，选取4根静压试验桩进行分析研究，编号分包为Z1、Z2、Z3和Z4，其中Z4没有进行桩端后注浆。4根试桩的基本施工参数见表2。

2 桩端注浆加固机理

桩端注浆加固过程包括两个部分，即力学反应和化学反应过程，在不同的施工阶段，他们所起的作用不同。在刚开始注浆阶段，起主要作用的是力学机理。其反应过程为：预先在桩端埋设注浆钢管压注水泥浆液，水泥浆液会在一定的注浆压力下首先渗透、填充到松散的桩端沉渣间隙中，与沉渣混合在一起并固结成一体，有效解决了孔底沉渣的问题。水泥浆液进一步向桩端持力层中渗透，在桩端形成扩大头，扩大头随着压浆的进行不断增大，对桩端持力层起压密作用，同时还提高了桩端的承压面积，大大提高了钻孔灌注桩的单桩竖向承载力。

在完成上述步骤后，桩端持力层土体和水泥浆液得到了充分渗透接触，之后起主导作用的变成了化学机理，具体如下：水泥的主要成分是SiO2、CaO等，这些氧化物通过不同的排列组合能够形成不同的水泥矿物，比如硅酸二钙、硅酸三钙等，与水发生水解和水化学反应，将加固土里的含水量降低了，使土颗粒间的胶结增加了。拌合水泥与土颗粒后，水化会产生一些水化物，比如CSH（水化硅酸钙）、Ca（OH）2等。溶液中的Ca2+含量增加，与土颗粒发生阳离子交换作用，等量置换出K+和Na+，形成水泥与较大土颗粒的团粒结构，填充、固化了土颗粒间的空隙，形成了具有高强度的一个整体。

3 注浆量与时间的关系

桩端后注浆是指钻孔灌注桩在下放钢筋笼时预埋注浆管并灌注混凝土成桩，然后在成桩一定时间后对注浆管开塞并向桩端高压注入水泥浆，以加固桩端地层，固化桩端沉渣，从而提高单桩承力，减小沉降的一种施工技术。确定注浆量时应综合考虑多项因素，包括设计要求、沉渣量、桩长、桩径、渗透性能、桩端桩侧土层类别等。在注浆过程中，桩底可灌性的变化直接表现为注浆压力的变化。可灌性好，注浆压力则较低，反之，则注浆压力较高。显然，注浆压力会呈现出一个动态波动范围，而注浆量和时间近似呈线性增长的关系。一段时间后，被注土体下浆液浓度和注浆量会越来越高，随之增加的还有注浆压力。需要注意的是在实际的注浆过程中，通常首选考虑注浆量因素，其次再考虑注浆压力因素，这两项因素都必须安排专人进行现场情况记录。

Z1、Z2、Z3桩端注浆量随时间变化趋势相似，为节省篇幅，只列出Z1桩现场实测的注浆量随时间的变化曲线图，如图1所示。

4 单桩竖向抗压静载试验分析

本工程试桩静载试验采用堆载–反力架装置，测试静载由安装在桩顶的油压千斤顶进行逐级加荷，千斤顶所需的反力由混凝土预制块堆重平台承担。测试加荷方式为慢速维持荷载法，将4台5000kN级千斤顶并联，以保证其同步加载，每级荷载增量均为1560kN，最大测试荷载均加至15600kN。

桩顶沉降是在桩顶用千分表或位移传感器测量得到。桩端沉降则是预先在打桩时沿钢筋笼内侧埋设外径 66 mm的水管，然后在66mm水管内下放33 mm水管，再在桩顶33 mm水管上设测点得到。

4.1 不同荷载下的桩顶和桩端沉降量

由于三根采用后注浆的试桩Z1～Z3在各项参数上的差距不大，为节约篇幅，本文只对试桩 Z1进行讨论。同时本文还选取了未注浆试桩Z4进行对比分析。Z4的初次静载试验已经完成，Z1的是在试验后期完成的，结果两者在多项数据上都存在较大差别，试桩Z4的最大加载值为15600kN。试桩Z1和Z4的荷载-沉降关系曲线如图2所示。

分析图2发现，荷载较小的情况下，荷载-沉降曲线表现为线性关系，后来随着荷载的增加，沉降增速也不断增加，该曲线开始表现为非线性。当荷载较小时桩端沉降值为0，这是因为此时桩顶即产生沉降，而沉降只有在一定荷载下才会出现。

分析图2发现，在荷载同样是15600kN的情况下，未注浆的试桩Z4其桩端沉降约为21.13mm，桩顶沉降约为41.58mm，而桩端后注浆的试桩Z1其桩端沉降为2.88mm，桩顶沉降为16.63mm，由此可知桩端后注浆能够降低沉降量，固化桩底沉渣，对于提高施工效果和质量具有较大益处。

按照规定试桩 Z1～Z3分别将荷载加到了4800kN，发现虽然桩端开始慢慢出现一些沉降量，但其值都比较小，分别是0.13mm，0.09mm，0.12mm。而未注浆的试桩Z4不同，其在荷载为3500kN的情况下桩端沉降就渐渐出现了，其值約为0.3mm。由此可知，与未注浆的试桩相比，注浆的试桩桩侧摩阻力更高，桩侧土的性状更强，从而大大提高了桩的承载能力，具有较强的应用价值。

4.2 桩身压缩量测算

利用实测桩顶、桩端沉降数据可以确定桩身压缩量S，其值可以通过下式获得：

S=S1-S2 （1）

式中：S1 代表桩顶沉降实测值，S2代表桩端沉降实测值。

利用式（1）得到的试桩 Z1～Z4的桩身压缩量见表3。由表3可知，在未达到桩的极限承载力之前，对持力层是中风化花岗岩的桩基（桩长35m左右）而言，单桩沉降的一个重要组成部分就是桩身压缩量。即使面对桩顶荷载低于桩极限承载力的情况，采用桩端后注浆的试桩其桩身压缩量也能占桩顶沉降的75%以上。因此，对于持力层是中风化花岗岩的桩而言，设计其桩端后注浆长桩时，桩身压缩量是必须考虑的因素之一。

5 成果总结

①未注浆的桩端和桩顶沉降值要远高于桩端后注浆的桩端和桩顶沉降值。由此可知，桩端后注浆能够降低沉降量，固化桩底沉渣，具有良好的应用价值。

②当荷载较小时桩端沉降值为0，这是因为此时桩顶即产生沉降，而沉降只有在一定荷载下才会出现。

③采用后注浆的试桩加载到4800kN时，桩端刚开始有沉降量出现，但其值都比较小，分别是0.13mm，0.09mm，0.12mm。而未注浆的试桩Z4不同，其在荷载为3500kN的情况下桩端沉降就渐渐出现了，其值约为0.3mm。由此可知，与未注浆的试桩相比，注浆的试桩桩侧摩阻力更高，桩侧土的性状更强，从而大大提高了桩的承载能力，具有较强的应用价值。

④对本工程中持力层是中风化花岗岩的桩基而言，桩身压缩量是单桩沉降的主要组成部分。采用桩端后注浆的试桩在桩顶荷载低于桩极限承载力时，桩身压缩量占桩顶沉降的75%以上，而未采用桩端后注浆的试桩桩身压缩量占桩顶沉降的比例远小于采用桩端后注浆的。

参考文献：

[1]Fleming W G K.The improvement of pile performance by base grouting. Proceedings of the Institution of Civil Engineers . 1993.

[2]郑爱荣，肖大平，诸葛爱军，陈举.桩端桩侧后注浆灌注桩竖向承载性能有限元分析[J].中国港湾建设，2011（01）.

[3]张嘉鑫，贺可强，丰占海，李晶，张朋.沿海地区大孔径钻孔灌注桩施工孔壁稳定性数值模拟研究[J].工程建设，2016（05）.