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泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用

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泥浆体系 泥浆技术 废弃泥浆
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1握流 泣浆. . .冽. 第2期 建 筑 科 学996年 泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用 中国建筑 础研 ;./ (中国建筑 瘟 瑶 础研究所)“ 【提要】本文简要介绍中国建筑科学研究院地基基础研究所于近年新开发成功蜘泥 裳护壁灌注桩后洼浆技术的原理、土体加固机理、桩承载力增强效应、实施中的有关问题、 经济效益等。 1前言 随着找国高层建筑的发展,对单桩承载力 的要求愈来愈高,桩径、桩长相应增大,无论南 方北方,泥浆护壁灌注桩的使用愈来愈多。这类 桩固有的工艺缺陷——桩底沉渣和桩侧泥皮问 题始终是制约单桩承载力和质量稳定性的主要 因素。大量试验资料表明,桩底沉渣和桩侧泥皮 过厚会导致端阻力和侧阻力显著降低。因而,研 究开发一种有效措施处理沉渣和泥皮,提高这 类桩的质量可靠性和承载力已成为当前桩基工 程中急待解决的重大技术问题 8京等地区曾应用桩底注浆法 处理砂砾石持力层干作业灌注桩桩底虚土和提 高其端阻力的试验和工程实践,取得了良好效 果。对于泥浆护壁灌注桩的后注浆处理,要比干 作业灌注桩复杂碍多,一是要求注浆管、阀能承 受外部水压和浆液高压,浆液既能顺利排出又 不致回流}二是注浆管阀是在隐蔽条件水下埋 设,需避免其为混凝土所包裹而失效。 国外泥浆护壁灌注桩应用虽远不如我国普 遍,但对于后注浆处理技术仍很重视。然而他们 采用的桩底注浆装置复杂而价高,桩侧注浆是 通过埋设于钢筋笼上的带阀钢管冲破混凝土保 护层而实现,因而需在成桩后2天内进行,不仅 与成桩施工交叉作业,而且成功率不超过80 。 1 992年我们首先研究开发成功泥浆护壁灌 注桩桩底后注浆技术,随后又开发成功桩侧后 注浆技术。两者的注浆装置在构造、埋设、工艺、 效果等方面都较国外先进,具有技术简单、易 行、价廉、可靠性高,便于推广应用等优点。当需 对桩身的结构完整性进行超声检测时,可利用 注浆钢导管(直径加大至1.5~2时)先行超声检 测,然后注浆。注浆钢导管可取代等截面的钢筋。 到1995年国已有8个城市筑桩基工程中应用后注浆技术。桩底、桩侧后 注浆技术已分别获国家两项专利。 2后注浆工艺简述 2.1桩底后注浆 配制好的水泥浆液经压浆泵加压输入设置 于钢筋笼上的钢导管,高压浆液冲出导管底部 的单向阀(逆止阀),通过渗入、劈裂作用注入桩 底一定范围的土体中 高压浆液注入桩底附近 土体中的同时,一部分沿软弱桩土界面上扩至 桩底 上0m,甚至更高的范围 2.2桩倒后注浆 桩侧后注浆是将高压浆液输入钢导管,钢 导管与设置于钢筋笼外侧的加筋单向阀的可根据土层、桩长呈花瓣形布置2~4个断面; 也可沿桩长呈波浪形纵向布置2~3排。注浆后, 在注浆点处形成扩头,桩表面形成“浆液套”。 维普资讯 .液注入土中的临界压力为: P。≥户 +户T (1) 式中P。——注浆点浆液出口临界压力; P ——注浆点的静水压力; P ——被注土体的抗注阻力;或为土体 的抗渗阻力;或为土体的劈裂阻 力;或为土体的压密阻力。 注浆机理随土层类别、性质、上覆压力、边 界条件等而变化,可分为下列三种情况。 3.1.1渗入性注浆 浆液克服粒问抗渗阻力,在土体结构不被 破坏的条件下,连续渗入土体的天然孔隙。实现 渗入性注浆的前提条件是浆材颗粒尺寸远小于 孔隙尺寸。对于粘性土、粉土,由于自身的粒径 很小,即使在其孔隙比较大的情况下,其相互连 通的有效孔隙仍然很小,因此,仅对于卵砾石、 粗中砂存在渗入性注浆的可能。实现渗入性注 浆的前提条件是可注指数Ⅳ需满足 15≥1。~15 (2) 式中D ——砂砾土由小到大的粒径分布曲 线中,小于某粒径含量15 所对 应的粒径; 以 ——注浆材料中小于某粒径含量 85 所对应的粒径。 水泥的最大粒径一般为6O~100~m(0.06 ~0.水泥强度等级愈高,d。 愈小,从而 使Ⅳ愈大,可注性愈好。对于砂砾,D ≥0.6~ 1.0满足式(2)Ⅳ≥10~1 5;其粒度愈不 均匀、粒径愈大,Ⅳ愈大,可注性愈好。 除按式(2)评价砂砾的可注性外,尚可按土 的渗透系敦 进行评价,当 ≥2×10 ~3× 10 cm/实现渗入性注浆。 3.1、2劈裂注浆 高压浆液克服土体最小主应力面上的初始 压应力和抗拉强度,使其劈裂,浆液沿劈裂面注 入土体,随着劈裂注入的发展,土体主应力面发 14 生变化.从而形成网状结石。劈裂注浆一般发生 于粘性土、粉土、粉细砂中 由于劈裂面受到浆 液附加压力.因而使土体中出现超孔压.并伴随 着土体的压缩固结。因此,对于低强度、高渗透 性土层.劈裂注浆所形成的网状结石较稠密,扩 展范围随之减小;反之,对于低渗透性的淤泥、 粘性土,网状结石较稀疏,扩展范围较大。 泥浆护壁灌注桩桩侧土因扰动而软化,往 往在桩表面附着一层泥皮,注浆时.高压浆液沿 桩周软弱面自下而上劈裂注入,包裹于桩表面. 其厚度为2~203.I.3压密注浆 由于压密注浆需在被压密土层排水条件 好、上覆压力大且其有较好的封闭性、浆液稠度 大的条件下才能发生.因此,对于桩底、桩侧注 浆,一般难以形成压密注浆.仅伴随着劈裂注浆 发生: 体的压密固结。 3.2土体后注浆加固机理 3.2.1充填胶结效应 在卵、砾、砂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”,土体强度和变形模量大幅 度提高。当被加固体位于桩底时,总桩端阻力因 扩底效应而提高;当被加固体处于桩侧时,总侧 阻力困桩身扩径效应而显著增大(见图 固化 加觞 固化 渗^性注浆的充填腔结教应 b)劈裂注浆 加筋教庄 (非密妄砥石、中蛆砂) 粘性±、协土、柑缸砂 图1土体注浆效应 维普资讯 .2.2加筋效应 对于粘性土、粉土、粉细砂实现劈裂注浆的 条件下,单一介质土体被网状结石分割如筋成 复合土体(图复合土体的强度变形性状由 于网状结构的制约和强化作用而大为改善,显 示“加筋效应 。网状结石与桩体紧密相连,桩顶 受载后,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。 3.2.3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,使单位端阻力和侧阻力显 著提高,显示“固化效应”(见图1)。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作用。 4桩承载力的注浆增强效应 及变化规律 4.1端阻力和侧阻力的变化 表端阻力测试结果,桩端洼浆与未注浆相比.距桩 底10别提高 87 (d=60073 =800极限端 阻力 分别提高133 (141 ( 一800表2所示上海江山大厦(= ?0m)桩侧阻力、端阻力测试结果。对于桩底 浆桩,桩底以上l 9提高25 ~ 47 高35 ;桩底、桩侧注浆桩,地面以 下13‰变化不大,桩底以上56大36 ~ 73 ,q 增大4l 。 上述测试结果说明,桩底注浆不仅能提高 端阻力,而且能使下部桩身(10~20m)的侧阻 因浆液沿桩土界面上扩而增强 表1、表2所列侧 阻、端阻的注浆效应表明,对于桩底洼浆桩,侧 阻的提高份额(总侧阻增量 与单桩承载力 增量 之比)为65 ~95 ,桩的长径比t,/d 愈大,侧阻提高份额愈大;对于桩底、桩侧联合 注浆者,侧阻提高份额更大。 4.2单桩承载力的变化规律 由表3可见,桩底注浆,其单桩承载力提高 2000~5000应增幅为24 ~92 ;桩底、 桩侧联合注浆(试桩数较少),其单桩承载力增 幅为40 ~100 。单桩承载力增值、增幅随下 列因素变化。 其一,桩端持力层和桩侧土层性质:非密实 卵砾石、中粗砂,由于渗入性注浆率较高,承载 力增幅较大,如表3福州、武汉工程;粘性土、粉 土,属劈裂注浆,注浆率小,承载力增幅随之减 小,如天津、上海工程。 天津保税区国贸大厦桩侧阻、端阻的测试结果 表1 厚度 d=60046m 厚度 =80056m 土 层 (m) 未注袋 桩底注浆 (m) 未注浆 桩底注泉 索壤土 32 32 极限侧阻 淤泥、赫泥质牯土 25 粉质牯土、粉土 50 50 8 50 75 75 18 75 密实粉细砂 75(100%) 140(187%) 0 75( 00%) 130(173 1 极限端阻 密实粉细砂 >8 】763 4108 85 2064 (1 (233 ) (241 ) 单桩极限承载力Q (4800 6700 8000 总极限侧阻 (4292 551 7 756l 总极限端阻Q珈(39 橱 △ /她 64 5 69 1 注浆技应 端阻△。口 /△。u 35.5 3O.9 维普资讯 、端阻测试结果 表2 厚度 土 层 (m) 桩赢注浆 位底桩蛔注浆 未往浆 杂填十 褐黄牯土 撒泥质牯上 极限侧阻g。 撒泥质牯土 (粉质牯土 23 6(1 32.9(139%) 粉质牯土 ,13.8(100 ) 43.8 75.6(1 73 ) 85.0 】05 9(125 ) 密实粉细砂 (1J6 j (1 125 1(147%) 865 l 限端阻 ¨(密宴粉细砂 >1o o (100 ) (13 5%) (141 ) 极限承载力吼(8400 10000 总极限侧阻Q。 (7957 94】2 总极限端阻Q (443 588 饲目,/ 90 9 9 5 3 注浆效应 端阻d 9.1% d.7 茬注桩后注浆承载力静载对比试验 表3 比程名称 桩持力层 桩倒土层 试桩 处 理 ((131) 0 】8750“一15 明鸿广场 粉砂 粘性土、粉细砂 注浆 1000 >18750( 一18底注浆 1000 >2014注浆 800 福 州 赭泥、央砂砾残 底注浆 800 龙泉大厦 含砾粉土 积土 底注浆 800 底洼浆 800 上 海 糖泥质土、粉细 112# 未注浆 800 70 8400 江山大厦 中密细砂 116# 桩底注浆 800 7O 114# 桩倒、底注浆 800 70 1~'000 』占 维普资讯 … “n Q (( ) 】 来注浆 2# 桩底注浆 >921 7I 67 沮止荷 稍晰砾土、柑lⅢ砂 3# 桩底注浆 >92I】0“一14167 高堪住宅 4# 桩底往柴 >∞23# 桩底、侧注浆 >980 l 78 注浆 600 1 2 38 6 汉 中密橱细砂 糟 、粘性_十 M 桩底注浆 600 1 Z 】560“一45 120 国际商域 底、侧注浆② 600 12 1 O 底、侧注浆@ 600 12 3600 二=42.6200 往禁 25 北 京 柑质粘_十和耪细 S d 来注浆 25 9200( 一40实卵 砂互层 底扫禁 2 5 S 桩底注壤 2j ;① 为桩顶况酶量I④桩侧二叶、横断面注浆;⑨桩倒沿纵向注浆 其层土质相同的条件下 桩侧注浆点 多、注浆量大(持续时间长)者,承载力增幅大, 如武汉汉正街工程,注浆量(水泥)约2t,单桩承 载力增幅为78 ;又如武汉国际商城模型桩M 为沿纵向布置桩侧注浆点 为横向布二 个断面花瓣形注浆点(每断面四个注浆点),前 者注浆量(水泥)600者300载力增 幅前者为100 ,后者4o 。 5后注浆实施中的若干问题 后注浆是一项新开发的专利技术,在十多 项工程实践中已积累一定经验.为防止应用过 程出现误区,并不断完善提高,提出以下几点供 鬟菔参考 5.1桩身强度的设计应与注浆后土对桩的支 承阻力相匹配 桩端阻力和侧阻力囤注浆而显著提高,因 此设计中应相应提高桩身强度,并按《建筑桩基 技术规范》验算,避免桩身强度先于土阻力破坏 而使注浆失效。后注浆桩的混凝土强度等级一 般应较普通桩提高1~3个等级,常用5.2控制成桩质量 成桩质量需严加控制.不可囤采用后注浆 而放松,特别是要防止断桩、缩径 离析,因为后 注浆不能弥补这些歃陷。 5.3最佳注浆时间 泥浆护壁灌注桩桩侧泥皮和扰动土触变恢 复,一般需时一个月以上,故后注浆时间宜在成 桩后1~3周内进行。注浆过早,会导致因桩侧阻 力过低而溢出地面;注浆过晚,可能难以形成桩 周连续的劈裂注浆面而导致浆液向远处流失。 5.4提高注浆均匀度和有效性 为使桩底、桩侧土层尽可能均匀注浆,避免 浆液扩散范围过大而降低其有效性,应做到:一· 是桩底注浆管埋深应超出沉渣最低处并进入持 力层一定深度;二是桩侧注浆点不宜太少;三是 在保持浆液连续注八的条件下,浆压宜低不宜 高,泵的最大额定压力宜高于6量控制 宜小不宜大,速率宜慢不宜快;四是浆液出灰比 和外加剂应根据土层性质适当调整,一般不宜 过大;五是大面积桩群宜先注外围后注内部桩。 5.5桩底、桩侧注浆顺序 对于桩端持力层密实或桩不太长(z≤ 30m)的情况下,为避免桩底注浆沿桩侧软弱面 溢出而无法实现理想注浆量,宜先行桩侧注浆, 一周左右后,再行桩底注浆。北京某工程的实践 f 维普资讯 ,先桩侧后桩底注浆较先桩底后桩侧注浆, 其承载力增幅高出一倍以上。 s.6注浆量 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 因素确定。承载力增幅相同的条件下,单桩注浆 量高于群桩。实践与试验表明.对于桩径0.6~ 1.0m,桩长2O~60底注浆量(水 泥)为0.6~2.。t,若加桩侧注浆,注浆量约增一 倍。 对于常用桩距,每一基桩的注浆量也可按 下式估算。 桩底注浆量(水泥,t); G。一 (0.15d+ ·? (3) 桩侧注浆量(水泥,t): G。一 [o.01( 一1O)d+ ·m·H。d ](4) 式中d、 ——桩直径(m)、桩长(m); ——桩底或桩侧土的天然孔隙率, 。 一 9——注浆率(渗入性注浆为土孔隙充填 率;劈裂注浆为土体挤压充填率), 对于卵、砾、中粗砂取 为o.3~ o.5,对于粘性土、粉土、粉细砂取 为o、2~O.3; m——桩侧注浆花瓣形横断面数,对于 纵向波形布点情况,数的1/4。 式(3)、(4)系经验公式,其尺寸单位以m 代入,在浆液水灰比为0.5~0.55条件下,所得 即为水泥用量(t)。 . 5、7后注浆的经济效益 通过14项工程的实践及静载对比试验,由 于后注浆桩,单桩承载力增幅为20 ~100 , 因而桩数可减少或桩径、桩长减小,其工程量相 应减小20 ~注浆费用,对于桩底注 浆,其技术服务与材料费为0、25~0.30万元/ 根{桩底、桩侧均注浆约为0.4~0、5万元/根。 注浆钢导管可取代等截面的钢筋。扣除注浆费, 对于单桩混凝土用量1 5m 以上的桩,每根可 节约0.3~1.5万元。对于大型单项工程,其经 济效益可达千万元,1 4项工程已累计节约5千 万元以上。此外,由于工程量减小,工期相应缩 短;由于注浆,建筑物沉降相应减小。 6结语 后注浆这一实用新技术在近三年1 4项工 程的应用实践表明,它具有节约工程造价、缩短 工期,消除泥浆护壁灌注桩的固有缺陷,提高工 程质量等优点,其应用前景是很好的。 该项技术通过一定数量的试验研究和工程 实践,已形成配套技术。由于地质、成桩条件的 复杂多变,有些问题仍有待进一步研究完善,如 后注浆桩承载力的估算、有关工艺参数如何根 据土性、桩的几何尺寸调整优化等。 参考文献 1祝经成,饱和土中长灌往桩桩端压浆结合超青检测技术; 中国建筑科学研究院地基所2。 2张雁.高文生等.武汉五潮国际商城B 灌往桩技术报告,中国建筑科学研究院地基所、 1 993 10 iu AJ~of he of of or in of 18 维普资讯
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