桩基础后注浆设计与施工

灌注桩后注浆设计与施工

第一节 灌注桩后注浆机理

后注浆提高桩基承载力的机理在于所注浆液的胶结、凝固以及与此有关的土体的加密、增强和稳定。一般的注浆定义包括注浆模式、注浆材料、作用机理和注浆目的四个部分。 一 注浆效应

注浆效应随桩底、桩侧土层性质及浆液性质和注浆压力的不同而变化,可分为如下三种类型。 （一）渗入性注浆

试验和实践证明,注浆开始浆液总是先充填较大的空隙,然后在一定压力下渗入士体孔隙。对于水泥系粒状浆材,实施渗入性注浆的前提条件是浆材必须满足颗粒尺寸可注性的要求,即浆材颗粒尺寸小于孔隙尺寸；此外还应使浆液具有良好的流动性和稳定性。对砂土可用可注指数N判断渗入性注浆的可行性[9][13。

N?D15?10～15 (2-1) d85-4

-5

或 k=10～lOcm/sec

式中:D15----小于该粒径的土颗粒质量占总质量15%的土颗粒粒径。

d85----小于该粒径的水泥颗粒质量占总质量85%的水泥颗粒粒径。 N值愈大，可注性愈好。据上海市隧道设计院和浙江大学等单位的工程实践

和研究发现,采用425#普通硅酸盐水泥,对渗透系数为10-4～lO-5cm/sec的砂土层,浆液具有良好的可注性,采用超细水泥则可注入的裂隙和粒径为0.10～0.25mm的细砂,与化学浆液的可注性基本相同[34]。 （二）压密注浆

压密注浆是较稠的浆液在压力作用下强行挤向注浆点附近的薄弱区域,如果周围是弱透水性士,则浆液不能产生渗入性注浆,而是在注浆点集中地形成球形浆泡。通过浆泡挤压邻近土休,使土中孔隙水压力升高,随着超孔压的消散,土体压密,当注浆量和注浆压力大 到一定值时,就会在土层中产生劈裂缝或导致基桩和桩周土上抬。

对于泥浆护壁钻孔灌注桩的桩底压浆,由于桩底沉渣与桩侧泥皮往往相连通,因此,

只有在稠浆、细粒土且桩身上部先行桩侧注浆形成牢固封堵或桩身表面无泥皮的情况下,才可能发生以压密为主的注浆。 （三）劈裂注浆

工程技术人员最初是在钻孔压水过程中发现水力劈裂现象的。当钻孔中液体压力达到某一数值时,钻孔中液体突然流失,后来将这一现象发生的原因归结为钻孔中液体压力提高引起周围土体或岩体开裂。反应在桩基后压浆试验中,当注浆压力升高到一定值时,注浆压力会突然降落,进浆量明显增加。继续加大注浆量,则注浆压力气会缓慢升高。一般认为劈裂注浆机理是高压浆液克服土体最小主应力面或软弱结构面上的初始应力和抗拉强度,使其劈裂,浆液沿劈裂面进入土体。己有的试验研究表明,钻孔发生劈裂注浆的条件是复杂的。

清华大学的试验研究表明,土体中某点的最小主应力达到抗拉强度即σ

min

=σt是造

成水力劈裂的必要条件。水科院的试验研究表明,水力劈裂既不是一点破坏导致整体破坏,也不是整体达到强度极限后出现的破坏形式,而是介于两者之间。 二 灌注桩后压浆的注浆性态

在灌注桩后压浆的注浆性态中,上述三种注浆性态大多同时存在。在同一次注浆实施过程中,它们相互交织,只有主次之分而没有明显的界限区分。 （一）桩侧注浆

当桩侧土为粗粒土(卵、砾、中粗砂)时,桩侧注浆以渗入性注浆为主;当桩侧土为细粒土(粉细砂、粉土、粘性土)时,桩侧注浆以劈裂注浆为主。对于桩表面附着的泥皮薄弱区的泥浆护壁灌注桩则较易发生劈裂注浆,浆液沿桩身表面上溯。当浆液稠度较大,注浆点处于地下水位以下且桩侧为高渗透性土层时,或当注浆点处于非饱和土中时,则可能出现以压密注浆为主。 （三）桩端注浆

当桩端持力层为粗粒土,或虽为细粒土但桩身穿越且紧邻粗粒士,或混凝土浇注过程有离析发生时,则桩底注浆以渗入注浆为主,随后将出现桩底土一定范围的劈裂注浆(细粒土)及沿桩身向上lOm～20m高度的劈裂注浆。当桩端持力层及桩侧均为细粒土时,桩底注浆开始为渗入注浆,随后转化为劈裂注浆。 （四）灌注桩后注浆的加固效应 1、充填胶结效应

在卵砾石和砂土中实现渗入性注浆条件下，被注土体孔隙部分地为浆液充填，散粒被胶结，显示“充填胶结效应”，土体强度和刚度大幅度提高。当被加固体位于桩底时，总端阻力因扩底效应而提高；当被加固土体处于桩侧时，总侧阻力因桩身扩径效应而显著增大。 2、加筋效应

对于粘性土、粉土、粉细砂实现劈裂注浆条件下，单一介质土体被网状结石分割加筋成复合土体。网状结石便成为加筋复合土体的刚性骨架。复合土体的强度变形性状由于网状结构的制约强化作用而大为改善，显示“加筋效应”。同时，在劈裂注浆过程中还伴生土体固结和化学硬化作用，使被包围在水泥网格内的土变得更加紧密相连。在桩顶受荷后，桩侧和桩底的复合土体能有效地传递和分担荷载，从而提高总侧阻力和总端阻力。 3、固化效应

桩底沉淤和桩侧泥皮与注入的浆液发生物理化学反应而固化，使单桩端阻力和侧阻力显著提高，显示“固化效应”。此外，由于不等厚度的水泥结石固着于桩表面和桩底，因此尚能起到一定的扩径和扩底效应。 4、压密效应

除上述三种加固效应外，桩侧桩底土体还不同程度存在压密效应。

三 后注浆的工艺参数

后注浆施工工艺参数主要包括水泥注入量、水灰比、注浆起始时间、注浆速、注浆压力、注浆顺序等。

（一）水灰比

水灰比大小与场地地层、地下水深度、地下水流动情况、成孔工艺等多种因素有关。根据已有的工程经验，水灰比一般选用0.60～0.80，对粗粒土或地下水流动性较大时取小值，对细粒土取大值。 （二）注浆压力

注浆压力是指不会使地表产生隆起和基桩上抬量过大的前提下，实现正常注浆的压力。注浆压力是非稳定的，其变化特征受土性、桩长、浆液水灰比、注浆时间、注浆点深度、地下水位等因素影响。如图所示，注浆阀开启后压力在一段时间内保持相对稳定，随后又可逐步升高，达到某一较高值后又突然回落，如此反复变化。注浆压力可按下式估算：

Pg=Pw+ζr∑γi.hi (2-2)

式中：Pg---注浆压力；

Pw---桩侧、桩底注浆处静水压力；

γi.、hi---注浆点以上第i层土有效重度（地下水位以下取浮重度）和厚度； ζr---注浆阻力经验系数，与桩底、桩侧土层类别、饱和度、密实度、浆液稠度、成桩时间、输浆管长度等有关。根据经验取值范围一般为1.0～4.0,细粒土取低值，非饱和土、粗粒土和风化岩中取高值。对于桩侧压浆，ζr取桩底压浆取值的0.3～0.7倍。

由于浆液的扩散能力与注浆压力的大小有关，在保证浆液能注入的前提下，采用相对较低的注浆压力和注浆速率。因为较高的压力注浆可能导致大范围土体和基桩上抬过多，还可能造成大量浆液不必要的流失，甚至使后压浆效果不明显。 (三)注浆量

不管是粘性土的劈裂注浆还是卵砾石渗入性注浆，其一般规律都是土体充浆率越大，注浆体强度越高。合理注浆量（水泥用量）应由桩端、桩侧土层类别与状态、桩径、桩长、承载力增幅要求诸多因素确定。在承载力增幅相同的条件下，粗颗粒土高于细颗粒土，独立单桩注浆量高于群桩中的基桩。

0注浆压力(MPa)4321注浆时间/m10-12030405060

-2注浆量t 图 正常情况下注浆压力、注浆量与注浆时间的关系 第二节 灌注桩后注浆设计

灌注桩后注浆设计主要包括以下内容 一 注浆方案及桩端持力层选择

注浆方案的确定主要根据地层条件、桩基的工作性质和承载力要求而定。一般情况下，对于抗压承载力提高幅度不高时（小于40%），可采用桩底单独注浆，当要求承载力提高幅度较高时（大于40%），可采用桩底和桩侧复式注浆。对于抗拔桩，可采用桩侧单独注浆。

由于后注浆可显著提高桩基承载力，在上部荷载一定条件下，可减少桩长或桩径，进而可以调整桩端持力层。当上部有一定厚度的适于注浆的较好土层时，较之普通灌注桩，可选择上部较好土层为桩端持力层，提高桩基施工效率，降低桩基造价。 二 后注浆灌注桩单桩承载特性 （一）单桩极限承载力的确定

后注浆灌注桩单桩承载力大小受桩周土层性质、施工质量、注浆模式和注浆量等多种因素影响，理论计算目前还难以解。确定后注浆灌注桩单桩承载力的最直接和可靠的方法就是进行现场静载荷试验。初步设计时，可按经验公式估算。在符合《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中注规定的浆技术实施条件下，后注浆单桩极限承载力标准值可按下式估算：

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