（岩土工程专业论文）大型深水灌注桩桩端后压浆技术.pdf

摘要 摘要 随着高层建筑荷载及桥梁跨度的不断增加，对钻孔灌注桩承载力的要求越来越高，桩径和桩长 不断增大。但由于施工工艺的影响，超长大直径钻孔灌注桩存在着桩底沉渣和桩侧泥皮过厚等质量 缺陷，削弱了桩端阻力和桩侧摩阻力，并造成沉降过大。桩端后压浆技术的出现很好的弥补了这些 缺陷，成为一种有效改善钻孔灌注桩施工缺陷，提高承载性能的先进施工工艺。 本课题以国家科技支撑计划项目( 2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 0 ) 和江苏省交通科技项目( 0 4 y 0 2 9 ) 为依托， 结合工程实例，对后压浆技术的作用机理，桩端后浆钻孔灌注桩的设计及其工程应用进行了系统的 分析与研究。主要内容如下： ( 1 ) 分析了后压浆技术的作用机理，结合已有工程数据对影响桩端后压浆桩承载力的主要因素 进行归纳，并引入柱球扩张理论，将桩端简化为一个半球体，分别给出了弹性状态和弹塑性状态下 桩端土在浆液压力作用下的位移以及塑性区范围。 ( 2 ) 结合国内外5 个特大桥梁中的大型深水桩端后压浆钻孔灌注桩压浆前后对比试验，进一步 对压浆前后的荷载传递性状进行研究，对实际压浆效果进行分析，系统地归纳总结了大型深水钻孔 灌注桩压浆前后的承载特性。 ( 3 ) 在对国内外桩端后压浆桩设计计算方法总结与评价的基础上，提出了本课题组建议的压浆 量和后压浆桩承载力的计算公式，并通过部分大型深水钻孔灌注桩工程实例验证了建议公式具有较 高的可靠性。 关键词：后压浆技术：深水钻孔灌注桩；施工工艺；作用机理：设计方法 a b s t r a c t a b s t r a e t w i t ht h ei n c r e a s i n go fh i g h r i s eb u i l d i n gl o a d sa n db r i d g es p a n ，t h e r ea r eh i g h e rr e q u i r e m e n t st ot h e b e a t i n gc a p a c i t yo fb o r e dp i l e ，c o n s e q u e n t l y ，t h ed i a m e t e ra n dl e n g t ho fb o r e dp i l ee n l a r g i n g u n f o r t u n a t e l y , b e c a u s eo ft h ee f f e c to ft r a d i t i o n a lc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e t h eb o r e dp i l e sh a v es o m ed r a w b a c k ss u c ha s s e d i m e n t a t i o no nt h eb o t t o mo f p i l e sa n dm u da r o u n dt h es h a f t ，w h i c hw e a k e nt h ep i l ee n db e a r i n ga n dp i l e s k i nf r i c t i o na n dl e a dt oo v e r l a r g es e t t l e m e n t w i t ht h eu s eo fb a s ep o s t - g r o u t i n gw h i c hi s 锄e x c e l l e n t t e c h n i q u ed u et oi t su p g r a d i n gt h eb e h a v i o ro fb o r ep i l e ，t h o s ed i s a d v a n t a g e sw i l lb e o v e r c o m e b e i n gp a r to fn a t i o n a ls c i e n t i f i ct e c h n o l o g ys u p p o r tp r o j e c t ( 2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 0 ) a n dt r a n s p o r t a t i o n s c i e n t i f i ct e c h n o l o g yp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e ( 0 4 y 0 2 9 ) ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e sa n da n a l y s e st h e m e c h a n i s mo fa c t i o n ，t h ed e s i g no fb a s ep o s t - g r o u t i n gb o r e dp i l e sa n dt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h e m a i nc o n t e n t sa r eg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em e c h a n i s mo fa c t i o no fp o s t - g r o u t i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h ea v a i l a b l e e n g i n e e r i n gd a t a , t h em a j o rf a c t o r sw h i c hh a v ei n f l u e n c eo nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fb a s ep o s t - g r o u t i n g b o r e dp i l e sa r eg e n e r a l i z e d t h ef o r m u l at oc a l c u l a t er a d i a ld i s p l a c e m e n to fs o i l sa r o u n dap i l ei nt h es t a t e o fe l a s t i co rp l a s t i c e l a s t i ci sg i v e nb ya p p l y i n gc a v i t y - e x p a n d i n gt h e o r y , a n dt h ei n c r e m e n te x p r e s s i o ni s a l s og i v e n ( 2 ) c o m b i n i n gw i t ht h ec o n t r a s tt e s t sb e f o r ea n da f t e rg r o u t i n go f t h eb a s ep o s t - g r o u t i n gb o r e dp i l e si n d e e pw a t e ri nt h ef i v eo v e r s i z eb r i d g ea th o m ea n da b r o a d ，t h i sd i s s e r t a t i o nt a k et h ef u r t h e rs t u d yo nt h e l o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mb e f o r ea n da f t e rg r o u t i n g , a n a l y z et h eg r o u t i n ge f f e c ta n dg e n e r a l i z et h el o a d b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb a s ep o s t - g r o u t i n gb o r e dp i l e si nd e e pw a t e r ( 3 ) o nt h eb a s i so fg e n e r a l i z i n ga n de v a l u a t i n gt h ed e s i g nm e t h o d so fb a s ep o s t - g r o u t i n ga th o m ea n d a b r o a d ，t h er e a s o n a b l ed e s i g nf o r m u l a so fg r o u t i n ga m o u n ta n db e a r i n gc a p a c i t yo fb o r e dp i l ea r ep r e s e n t e d ， a n dt h et e s td a t av a l i d a t et h ea c c u r a c yo f t h ef o r m u l a s k e y w o r d s ：p o s t - g r o u t i n gt e c h n o l o g y ；b o r e dp i l ei nd e e pw a t e r ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ；m e c h a n i s m o fa c t i o n ；d e s i g nm e t h o d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 蓟系 日期：竺丛多。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：牡导师签名： 日期： 第一章绪论 i i 课题研究背景 第一章绪论 随着国民经济的不断发展，特别是交通行业的高速发展，钻孔灌注桩作为高层建筑、桥梁等结 构的基础形式得到广泛应用。随着高层建筑荷载及桥梁跨度的不断发展，对钻孔灌注桩承载力的要 求越来越高，桩径和桩长不断增大。目前，长度超过5 0 m ，直径大于2 m 的超长大直径钻孔灌注桩 已十分普遍，1 9 8 5 年河南省郑州黄河大桥，桩长7 0 m ，成孔赢径2 2 0 c m ；1 9 8 9 年，武汉长江公路桥， 桩长6 5 m ，桩径2 5 0 c m ：1 9 9 0 年，铜陵长江大桥，长1 0 0 m ，桩径2 8 0 c m ；2 0 0 3 年，东海大桥，桩 长1 0 0 m ，桩径2 5 0 c m ：2 0 0 3 年，苏通人桥，长1 2 5 m ，桩径2 5 0 c m 。目前，我国桥梁工程中最大长 桩长已达1 2 5 m ，桩径3 0 0 c m ，单桩承载力最高达1 2 0 0 0 t i 。 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i z 一4 j ： ( 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问土的粘结。相当于在桩上问涂了一层润滑油，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，使桩土问的法向应力减小，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、枯度较大，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p 6 j 。 ( 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。 以上影响冈素具有很大的随机性，使钻孔灌注桩的单桩承载力往往表现出很大的离散性，有试 验资料表明，对同一个施工场地、相同结构的桩，其承载力相差较大，不仪造成资源的严重浪费， 还使钻孔灌注桩的工程质量具有很大的不确定性。 桩越长、桩径越大，面临的问题越多，超长大直径钻孔灌注桩相比普通钻孔灌注桩，存在的问 题还包括： 1 ) 施工难度大且质量难以保证。桩越深、桩径越大对施工设备、施工工艺的要求越高。施工各环 节从钻孔、清孔到下钢筋笼、灌注面临的风险越大，施工工艺本身存在的缺陷表现越明显，影 响施工质量的因素更多，可靠性越差。 2 ) 超长大直径钻孔灌注桩的承载性能明显不同于普通的中长桩、短桩，其承载性能除与土层条件 有关外，还受长径比、桩土刚度比、尺寸效应及施工影响因素的影响。由于自身压缩变形量大， 使得桩身上段与下段的摩阻力及桩端阻力的发挥不同步，桩身越长差异越大。而目前对超长 钻孔灌注桩的承载性能缺乏深入研究，其设计计算仍按普通桩处理。 为解决上述问题日前一般的做法为：加大桩的安全储备，通过降低承载力的取值，来换取可靠 度，从而造成投资增加。1 7 叫引 考虑不同地质条件、施工因素的影响，结合钻孔灌注桩的荷载传递性状，工程界对大直径钻孔 灌注桩的分类众说纷纭： ( j g j 9 4 9 4 ) 按桩径对桩基进行分类1 1 3 l ：小直径桩为直径d 2 5 0 m m 的 桩，中等直径桩为直径2 5 0 r a m 3 8 0 01 3 0 未雎浆 4 4 9 2 ( s = 1 2 r a m )l 54 27 圆砾 桩端压浆5 3 2 l ( s = 1 2 m m ) 1 1 8 未压浆1 0 0 0 0l 65 68 0 0 密实粉土桩端压浆 1 3 0 1 3 0 桩端压浆 1 4 咖1 4 0 未压浆 1 3 7 5 0l 7 6 1 58 粉质粘土桩端压浆1 7 5 1 2 7 桩端压浆1 7 5 1 2 7 未压浆8 5 l 87 2踟日夹少量砾石的细砂 桩端压浆 1 0 5 0 01 2 5 未压浆8 0 1 0 0 96 58 粉细砂 桩端压浆1 0 0 1 2 5 未压浆 6 0 0 0l 桩端压浆 l l 0i s 3 1 06 68 含砾石粉土 桩端压浆 1 1 5 1 9 2 桩端压浆 1 1 5 0 01 9 2 6 第二章桩端后压浆技术的作用机理 未压浆 5 5 0 0 1 0 0 桩端压浆 9 2 0 01 6 7 1 l4 58 0 0含砾石粉土 桩端压浆 9 2 0 01 6 7 桩端压浆 8 9 0 0 1 6 2 未压浆 8 0 0 0l o o 未压浆 9 2 0 0 1 1 5 1 22 58 密实卵石 桩端压浆1 0 2 0 01 2 8 桩端压浆 1 1 2 0 01 4 0 未压浆 4 2 0 0l o o 1 33 9 g8 0 0密实细砂桩端压浆 7 2 0 01 7 l 桩端压浆 7 8 0 01 8 6 未压浆5 4 0 0l 1 44 58 粉质粘土桩端压浆 7 5 2 3 1 3 9 桩端压浆 7 6 2 41 4 2 未压浆 6 2 0 0i o o 1 52 2姗 卵石桩端压浆 l o 0 0 01 6 1 桩端压浆 1 0 2 0 01 6 5 未压浆 6 2 l 1 6 5 6 8 卵石桩端睚浆 1 0 0 0 01 6 l 桩端压浆1 0 2 0 01 6 5 未压浆4 4 l 1 73 3 78 强风化岩 桩端压浆 6 8 0 01 5 4 未压浆1 8 l 1 8 2 28 卵砾 桩端压浆 2 8 1 5 6 未压浆3 2 l 1 99 7 58 微风化岩 桩端压浆 7 6 2 3 8 未压浆1 8 7 5 0 ( 萨1 5 m m ) l o o 2 06 91 0 密实粉土、粉砂 桩端压浆2 0 0 ( s = 1 5 m m )1 0 7 未压浆4 8 0 0l 2 19 2 5 1 7 粉质粘土夹砾石 桩端压浆 6 2 0 01 2 9 2 1 2 灌注理论 浆液扩散机理随土层类别、性质、上覆压力、边界条件等而变化，可分为充填注浆、渗透注浆、 劈裂注浆、挤密注浆四种情况。在实际压浆过程中，并不是某一种浆液扩散形式单独作用，而是以 一种或二种扩散形式为主，其它形式为辅，同时作用 ( 1 ) 充填注浆： 指注入浆液充填土层内大孔隙、大空问的注浆，如卵石层、碎石层、砂砾层中注浆，浆液固结 形态与土层内的原有空洞相同 ( 2 ) 渗透注浆： 假定地层结构基本不受扰动和破坏，浆液在压力作用下，克服浆液流动的各种阻力，渗入土的 孔隙和岩土裂隙中，将孔隙中的自由水和气体排挤出去，浆液凝固后把土颗粒粘结在一起，形成水 泥土结石体，使土层的抗压强度和变形模量得以提高。相对而言，注浆压力较小，通常只适用于中 砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。 7 第二章桩端后压浆技术的作川机理 渗透注浆的理论前提条件为： r = 现d l( 2 1 ) 式中尺净空比； 饥地层的裂隙尺寸： d 浆液的颗粒尺寸。 由于在灌浆过程中，尤其在浆液的浓度较大时，浆材往往以两粒或多粒的形式同时进入缝隙， 导致渗透通道的堵塞。因此，在确定r 时，必须考虑群粒堵塞作用带来的附加影响。 迄今普遍认为，当净空比r 3 时，由群粒形成的结构是不稳定的，易被灌浆压力击溃而不致造 成灌浆通道的堵塞。即： r = d p d 3 ( 2 2 ) 浆材的d 值容易求出，为确定坟值，引入一有效孔隙比的概念。 吒= d p d ( 2 3 ) 式中绵有效孔隙比 n 地层的裂隙尺寸： d 土层的颗粒直径。 根据数学统计结果，有效孔隙比p e 多在0 1 9 5 - - 0 1 2 5 之间变化。取平均值0 2 ，因此，式( 2 3 ) 可简化为 d = 0 2 d ( 2 4 ) 把式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) ，可得浆材在地层中实施渗入性灌浆的条件为： d d 1 5 ( 2 5 ) 式中d 土层的颗粒直径； d 浆材的粒径。 由于土层和各种浆材都是由大小不等的颗粒组成，怎样选用d 和d 就成为复杂的问题。如果d 采用土层颗粒直径的最小值而d 采用浆材的粒径的最大值，理论上就能把所用孔隙封闭，但这样做 浆液材料的颗粒直径就要达到很小，不但造价昂贵而且大规模地把材料磨细也十分困难。相反，若 选用的d 值偏大和d 值偏小，就可能使过多的孔隙不能接受灌浆，灌浆效果大大降低。 文献【2 9 】以7 种砂砾石和4 种灌浆水泥为例，做了计算： 若以d 最小和d 最大计算，所有的水泥和砂砾石都不能满足式( 2 5 ) 的要求； 若以日。和氐计算，只有超细水泥能满足所有砂砾石可灌性要求； 若以d l ，和破，计算，所有水泥和所有砂砾石都能满足式( 2 5 ) 的要求； 因此，从效果和经济出发，工程中常用q 5 代替d ，用反5 代替d ，式( 2 5 ) 变为： n l 么。1 5 ( 2 6 ) 式中 口，土层中含量小于1 5 的颗粒尺寸； 破，浆材中含量小于8 5 的粒径尺寸。 渗透灌浆扩散范围理论有：球形扩散理论、柱形扩散理论及袖套管法理论，其中球形扩散理论 较为广泛采用。 m a g g ( 1 9 3 8 ) 按球形扩散理论推导出浆液在砂层中的渗透公式1 3 0 l ： ，；2 式中，；浆液的扩散半径( c m ) ； 七砂土的渗透系数( m s ) ； 注浆压力水头( c m ) ； 8 ( 2 7 ) 第二章桩端后压浆技术的作用机理 ，：l 注浆管半径( m ) ； f 注浆时间( s ) ： 浆液粘度与水粘度之比； 刀砂土孔隙率( ) 。 ( 2 7 ) 式是在以下四点假设下推导的： 被注砂土为均质和各向同性的； 浆液为牛顿体，其流变曲线为一自原点开始的直线； 采用填压法注浆，浆液从注浆管底端注入地层； 浆液在地层中呈球状扩散。 上述假设与实际工程中的桩端压力注浆桩的情况不尽相符，这是因为： 实际砂土往往是非均质的和各向异性的： 水泥浆液为宾汉姆流体( 胀流体) ，表观粘度随切变速度而增加，其流变曲线为一自原点开始凸 向切变轴的曲线【3 1 j ； 桩端注浆管通常为2 根或2 根以上，并固定在钢筋笼两侧，不能形成桩端中心注浆。 浆液在地层中不呈球状扩散。 综上所述式，式( 2 7 ) 只能近似地作估算浆液有效扩散半径用，一般应以现场注浆试验确定影 响浆液扩散范围。 ( 3 ) 劈裂注浆 指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的破坏和扰动，使其沿 垂直于小主应力的平面上发生劈裂，使地层中的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，浆液进入 到孔隙中，形成纵横交叉的脉状网络。劈裂注浆，浆液的可灌性和扩散距离增大，所用的灌浆压力 相对较高。 砂和砂砾石地层 可按照有效应力的库仑一莫尔破坏标准进行计算： 半s 耐= 孚一s c 眨8 ， 式中一有效大主应力( k p a ) ； 叽有效小主应力( k p a ) ； 有效内摩擦角( 。) ； c 有效粘聚力( k p a ) 。 在灌浆压力的作用下，土层的有效应力减小，当灌浆压力p e 达到式( 2 9 ) 就会导致地层的破 坏： ：(rh-rh)0+k)一，(rh-r丸)0-k)+ccot ( 2 9 ) 22 s i n 式中7 士层的重度( k n m 3 ) o 九水的重度( k n m 3 ) ； j i l 灌浆段深度( m ) ： 凡地下水位高度( m ) ； k 主应力比，k = 一一。 粘性土层 在粘性土层中，水力劈裂将引起土体固结及挤出等现象，在只有固结作用的条件时，可用下式 计算注入浆液的体积v 及单位土体所需的浆液量q ： y = r ( p o - 材) 眠4 万r 2 d r 9 ( 2 1 0 ) 第二章桩端后压浆技术的作用机理 q = p m 。 ( 2 1 1 ) 式中口浆液的扩散半径( c m ) ： 风灌浆压力( k p a ) ； 甜孔隙水压力( k p a ) ： 以，土的压缩系数； p 有效灌浆压力( k p a ) 。 ( 4 ) 挤密注浆 指用一定的压力压入粘稠的浆液，取代并挤密注浆点土体，在注浆管端部附近形成“浆泡”。 当浆泡的直径较小时，灌浆压力基本上沿钻孔的径向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生 较人的上抬力而使地面向上抬动。 经研究证明1 3 2 1 ，向外扩张的浆泡将在土体中引起复杂的径向和切向应力体系。紧靠浆泡处的土 体将遭到严重破坏和剪切，并形成塑性变形区，在此区内土体的密度可能因扰动而减小；离浆泡较 远的土则基本上发生弹性变形，因而土的密度有明显的增加。 挤密注浆常用于中砂地基，粘土地基中若有适宜的排水条件也可采用。 2 1 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。 在租粒土( 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、 填充及崮结作用，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5 0 2 6 0 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1 4 - - 8 8 的范围内， 个别桩的增幅可达1 0 6 1 3 8 ，其增幅较在粗粒土中压浆时小。 以杭州某工程试桩为例p 引，桩端持力层为砂卵砾石层。l 号桩为未压浆桩，桩长4 8 6 0 m ，桩径 8 0 0 m m ，其q 。值为8 0 0 0k n ：2 号桩为桩端压力注浆桩，桩长4 8 3 0 m ，桩径8 0 0 m m 压浆压力2 i m p a ， 水泥注入量1 5 0 0k g ，其q 。值为1 6 0 0 0k n ，与l 号桩相比，q u 增幅1 0 0 ：3 号桩是在l 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q 。值为2 0 8 0 0 k n ，增幅1 6 0 ( 此增幅值包含l 号桩复压的影响) 。( 图2 1 ) 以温州某工程试桩为例，桩端持力层为粉质粘土。l 号桩为未压浆桩，桩长4 9 6 0 m ，桩径7 5 0 r a m ， 其q 。值为4 1 6 0k n ；2 号桩和3 号桩为桩端压力注浆桩，桩长分别为4 9 8 0 m 和4 9 4 0 m ，桩径7 5 0 m m ， 压浆压力为0 9m p a ，水泥注入量为1 0 0 0k g 和1 4 0 0k g ，其q 。值均为7 8 0 0k n ，比l 号桩增幅8 8 ( 图2 2 ) 1 0 第二章桩端后压浆技术的作用机理 o 2 0 4 0 e 6 0 社o i 耵 1 2 0 ( 肌；m 0481 21 6如，4：s 图2 1 桩端为粗粒土条件下后 压浆q s 比较 图2 2 桩端为细粒土条件下后 压浆q s 比较 表2 2 1 m l 是不同地区、不同土层条件下桩端后压浆承载力提高比例的统计结果 表2 - 2 不同地区、不同土层条件下桩端后压浆承载力提高比例统计表 桩长桩径 桩端上层承载力 地区桩端土层 提高比例 ( m )( m ) ( 呦 北京6 40 4 卵石含砂、砾石 1 3 5 2 1 3 北京1 1 10 4 中砂 1 6 7 安徽1 8 6o 4 粉细砂 7 0 上海 2 i 0 o 6 枯土 5 4 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人，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 武汉地区两根试桩，桩径8 0 0 r a m ，桩长分别为4 6 0 0 m 和4 6 1 0 m ，桩端进入粉细砂层3 5 m 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 3 m 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 5 m p a 1 号和2 号 的水泥注入量分别为l1 0 0 k g 和1 6 0 0 k g 。试桩极限承载力分别为8 5 8 0 k n 和l1 2 2 0 k n ，2 号桩的极限 承载力比l 号桩增幅3 0 5 。这两根桩及相应的未压浆桩的q s 曲线见图2 3 田j 南通地区的两根试桩，桩径9 0 0 m m ，桩长1 4 0 0 m ，桩端持力层为粉细砂，压浆压力0 5 m p a ， 桩端水泥注入量分别为4 0 0 k g 和2 8 5 k g 。试桩结果表明，两根桩极限承载力分别3 2 0 0 k n 和2 4 0 0 k n ， 即压浆量多的桩的极限承载力比压浆量少的桩增幅3 3 3 1 3 3 l 。 ( 3 ) 压浆压力 压浆压力对开式注浆工艺的桩端压浆桩的极限承载力也有一定影响。 天津地区的两根试桩，桩径8 0 0 m m ，桩长5 6 0 0 m ，桩端为中密粉砂，桩端注入水泥量5 0 0 k g ， 压浆压力分别为0 3 m p a 和1 2 m p a ，两根桩极限承载力分别为1 4 0 0 0 k n 和1 5 0 0 0 k n 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2 4 1 3 4 j 。 第二章桩端后压浆技术的作用机理 - ：i 2 4 i i 皇 看( ( 毒 8 f j - ( ) ( ) - 2 0 纠( j n o482j 6 1、 | ， 茂- i 厂墨 i 、 j 5 l i k 口 图2 3 不同压浆量时承载力对比图图2 4 不同压浆压力时承载力对比 ( 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6 0 1 0 0i tm ( 0 0 6 o 1 0 r a m ) 之间，其浆液难于进入渗透系数 k 5 1 0 也c m s 的砂土孔隙或宽度小于2 0 0um 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 41 4m 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5x1 0 。2 c m s ( 粗砂层) ， 提高到1 0 七1 0 4 c r r d s ( 细砂层) 。 超细水泥浆液与普通水泥浆液相比，具有更强渗透能力；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2 5 中2 号桩桩，桩径6 0 0 m 1 3 1 ，桩长4 6 0 0 m ，桩端持力层为细砂层，桩端注入水泥量3 0 0 k g ， 其单方极限承载力( q 。v ) 较同条件的未压浆l 号桩增幅3 0 。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6 0 0 m m ，桩长4 5 4 0 m ，桩端持力层为粉质粘土，桩端注入超细水泥量1 9 0 0 k g ， 其单方极限承载力较3 号未压浆桩( 桩径8 5 0 r a m ，桩长4 4 6 0 m ，桩端持力层为砂质粉土) 增幅1 3 1 。 上述4 根桩的q - s 曲线见图2 5 p 引。 ( 5 ) 桩长 引入单位水泥所提供的桩的单方极限承载力q k 来评价桩端压浆对提高桩承载力的贡献。其定 义为： 瓯= 矗 c 2 加， 式中队每k g 注入水泥量所提供的单方极l 限承载力( k n m 3 k g ) ： q 单桩竖向抗压极限承载力( i 州) ： y 桩的体积( m 3 ) ： g c 水泥注入量( k g ) 。 对桩端压力注浆桩而言，如果其他条件相同时，桩端压浆之后，短桩比长桩承载力提高的比例 要高。这是因为：在一般情况下，当桩长较越短时，桩的侧阻力所占极限承载力的比例较小；当桩 长较长时，桩的侧阻力所占极限承载力的比例较大。由于桩端压浆对桩端阻力提高的幅度较对桩侧 阻力提高的幅度大。因而，短桩比长桩承载力提高的比例高。 第二章桩端后压浆技术的作h j 机理 删 0481 2 、蕊 厚 姬i l ，聿：l 。 f ， 誊 z 丑 鼍 西 、 。 、 套 7 | ? 1 图2 5 不同压浆材料时承载力对比 图2 6 不同桩长l - q v c 关系 表2 - 3 3 ，1 提供了不同桩长条件下压浆前后承载力提高对比。 表2 3 不同桩长条件下压浆前后承载力对比 桩长( m )桩径( m m )压浆l j i 承载力( k n )压浆后承载力( k n )承载力提高比例( ) 56 0 04 0 0 6 9 07 2 4 l o6 0 07 0 01 1 2 0 6 1 4 2 06 0 01 0 5 01 6 l o 5 3 3 3 06 0 01 6 0 02 2 5 0 4 0 6 文献【3 3 】统计了天津地区桩端压浆桩。为了便于分析，桩径都选8 0 0 m m ，桩端持力层为细粒土 ( 粉十夹粉砂、粉砂、粉质祜土、粉细砂、粉土) ，都采用同一种桩端压力注浆装置。图2 6 显示随 桩长增大，比值明显减少，即桩端压浆对承载力的贡献率明显减少。 ( 6 ) 桩径 在实施桩端压力注浆工艺时，根据浆泡理论，在相同条件下浆液加固范围相同，因而直径小的 桩承载力增幅大，亦即q v c 大。 表2 - 4 p 5 l 提供了不同桩径条件下桩端压浆桩与未压浆桩承载力对比。 表2 4 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( k n )压浆后承载力( k n )承载力提高比例( ) o - 51 5 0 02 5 9 07 2 7 0 62 8 4 4 5 05 8 9 o 83 5 0 05 1 2 04 6 3 1 o4 5 0 05 9 5 03 2 1 1 26 0 0 0 7 4 8 0 2 4 7 2 1 4 提高承载力的机理 桩端压浆提高桩基承载力的途径不是单一的，而是诸多方面共同作用的结果 ( 1 ) 减少桩底沉渣厚度，加固桩端持力层 1 3 0 邓 舯 神 靴 帅 口i ； 第二章桩端后压浆技术的作用机理 不管桩端土性如何，注入的浆液与桩端沉渣混合固化，凝结成一个强度高、化学性能稳定的结 石体，减少沉渣厚度。同时，浆液会沿着桩端持力层的孔隙扩散和渗透，使桩端土层强度得到明显 提高从而提高桩端阻力。 对于不同的桩端土质条件，桩端压浆加固的作用机理并不完全相同。 细粒土( 枯性土、粉土、粉细砂) 中进行桩端压浆时，压浆的主要作用是劈裂注浆，所谓劈裂注 浆是指在注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力抗拉强度引起土体结构的破坏和扰动，使其 沿垂直于小应力的平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，浆液 沿劈裂脉透入地层，因此浆液的可注性和扩散距离增大。劈裂注浆状态下，桩端压力注浆较未注浆 桩承载力增幅的原因在于劈裂浆脉的存在，使单一介质土体被网状成结石体分割加盘成复合土体， 提高桩端土体密度并能有效地传递和分担荷载，从而提高桩端阻力。 粗粒土( 孔隙较大的中砂、粗砂、卵石、砾石) 中进行桩端压浆时，除了对桩底沉渣进行固化外， 浆液渗入率高，浆液主要通过渗透，部分挤密、填充及刨结作用。将桩端土体和桩端一起形成带扩 大头的整体，相当于增加了桩端进入持力层的深度，并增大桩端受力面积，大幅度地提高持力层的 强度和变形模量，从而提高桩端阻力 ( 2 ) 改善桩一土界面特征 在桩端压浆过程中，随着压浆量和注浆压力的提高， 在桩端以上一定高度内会沿着桩侧泥皮上渗泛出，加固泥，一7 一- ，一_ ： 皮、充填桩身与桩周土体的间隙并渗入到桩周土层一定宽 度范围，浆液固结后土体参与桩的承载力，改善了桩七接 ：! 塑：毡 触面的条件，根据文献【3 6 】提供的试验结果，在桩端的桩 一一 侧摩阻力可以提高2 4 倍。誉 ， ，。 j 一 文献 3 7 1 提供的两根小比例尺桩端压力注浆桩a 、b 一。_ 兰 的实例，桩径分别为1 2 8 r a m 、1 3 4 r a m ，桩长分别为2 2 3 m 、 巳2 ，楹端握浆装置二：一 2 4 1 m ，桩底沉渣厚度分别为0 7 2 r a m 、0 6 4 m m 。桩端持嚣：7 ： 。爱一 力层为粘质粉土，桩周土层主要是回填土、粉质粘土、粉1 2 二”。： 。，、? 苷 砂和粘质粉土。桩端压浆水泥量分别为2 6 i k g 、2 i 6 k g ，虬二监 注浆压力分别为1 o m p a 、0 6 5 m p a 限承载力分别为 1 2 0 k n 、8 5 k n ，比同条件下的未压浆桩( 5 0 k n ) 分别提 图2 7 桩端压浆后开挖桩身情况 高1 4 0 和7 0 。两根桩开挖后桩身的形状见图2 7 ，浆 液自桩端上升高度分别为0 6 m 、1 4 m 压浆后的桩的直径比未压浆桩分别增大了6 4 、4 9 ( 3