桩基工程中桩端后压浆技术的分析应用
2013-12-27
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核心提示：前言：压浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，挤走土颗粒间
前言：压浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，挤走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大和化学稳定性好的“结石体”的一种方法。近年来，桩端后压浆技术由于能有效的提高桩体竖向承载力而得到广泛应用，逐渐发展成为一种常规技术手段。
1工程概况
湖南衡阳某高层综合楼工程，占地面积12460m2，总建筑面积4.8万m2。其主楼20层，高52.8m，建筑面积3.52万m2，设置一层地下室。主体结构采用框架-剪力墙结构，单桩承载力特征值要求不小于4500kn。
根据地质勘察资料，本工程场地范围内地层由杂填土，粉质粘土，砾石和含粘性土碎石组成，各土层的物理力学指标见表1。
2桩型的选择和设计
2.1桩形的选择
该工程单桩承载力特征值要求不小于4500kn，荷载要求高，由于是高层建筑，对沉降变形敏感。以5层含粘性土碎石层作为持力层，桩径φl000mm，桩长40m（进入持力层8.8m）的钻孔灌注桩抗压承载力估算值为5498kn。
设计经过对普通钻孔灌注桩、支盘桩和钻孔灌注桩桩底压浆三种方案进行对比，考虑到5层土厚达26m，为含粘性土碎石，采用桩底压浆技术大幅度提高承载力。因此基础设计为φ1000mm钻孔灌注桩360根，桩长33.5m（桩底进入选用的持力层5层1m），对桩底进行压浆处理，单桩抗压承载力特征值为6000kn。由于5层的碎石中含有大量粘性土，需要对压浆孔、压浆量和压浆压力慎重设计和试桩检验。
2.2桩底压浆的工作机理
钻孔灌注桩桩底压浆技术是指在钻孔灌注桩成桩后，通过预留在桩身的压浆管，将水泥浆通过压力均匀地注入桩底土层，对桩底沉渣及桩底附近的桩周土层进行一系列作用，改善持力层受力状态和荷载的传递性能。通过桩底球形体扩张作用、桩周增加摩擦作用、桩底清渣固结作用和桩底产生群桩加强作用大幅提高桩的承载能力，减少基础的沉降量。
2.2.1桩底球形体扩张作用
钻孔灌注桩一般用锥形钻头，所以桩底呈圆锥状，将桩底简化为半球体。压浆孔在桩底形成扩散点，在压力作用下浆液从扩散点在土层空隙中向外扩散，浆液扩散量等于半球形孔穴体积的变化量。桩底压浆通过渗透、劈裂、挤密和胶结作用形成桩底球形体增大了桩底受力面积，球形体由桩中间向四周密实程度逐渐减小（见图1）。
r2压浆密实区凝结的碎石相当于桩头半径r1的扩大，r3压浆加强区相当于对桩底持力层的改善。
2.2.2桩周增加摩擦作用
钻孔灌注桩施工过程中的泥浆护壁降低了桩体与桩周土体的摩阻力，桩底压浆在压力作用下，浆液从桩底沿桩侧向上，通过渗透、劈裂、充填、挤密和胶结作用，对桩周（特别是碎、卵石层）泥皮置换和空隙充填，在桩周形成脉状结石体，从而使桩侧摩阻力大幅度提高。
2.2.3桩底清渣固结作用
以碎石层持力的灌注桩，清孔过程很难将桩底沉渣清理干净，沉渣影响桩底承载力发挥和对沉降量的控制。桩底压浆通过浆液对沉渣的置换、挤密和固结作用改善或消除桩底沉渣的不良影响，大大减小了桩承重后的沉降量。
2.2.4桩底产生群桩加强作用
在桩底，原本单独起作用的桩通过压浆，原来分散的桩底持力点通过水泥浆的固结作用，趋于形成整体，产生群加强效应，提高了整个建筑基础的承载能力。
2.3压浆参数的确定
2.3.1压浆孔的设计
根据桩直径大小和桩底持力层空隙率大小沿着灌注桩钢筋笼周边均匀布置2~4个压浆管，一般桩径大，空隙率小的，压浆管布置多。考虑到本工程桩直径100cm，桩底碎石中含有粘性土，为了保证压浆能够包裹桩底，沿钢筋笼圆周均匀设置2个φ32压浆管。
2.3.2压浆量计算。
压浆量：
q=aπr2hβn
式中：q——单桩浆液注入量；
a——浆液损耗系数，取1.1~1.3；
r——浆液有效扩散半径；
h——加固段高度；
β——浆液充填系数0.4~0.9；
n——孔隙率或裂隙率。
由于桩底碎石中含有大量粘性土，空隙率为0.531，n=0.531/（0.531+1）=0.347，设计单桩浆液注入量时r取值1.5m；h取值2m；a取值1.1；β取值0.6；本工程单桩压浆量q≈3.5m3。
2.3.3压浆压力
压浆压力是桩底压浆效果好坏的关键，是由桩长和持力层特性决定的。要保证最终压浆压力小于桩上抬的摩阻力，防止压浆时桩身上移，破坏桩身特别是桩底；同时又要确保压浆量达到设计要求，形成设计要求的桩底效果。
由于本工程持力层的碎石中含有大量粘性土，影响浆在桩底的扩散，所以在压浆过程的不同阶段压浆压力也不相同。开始阶段要克服粘性土的阻力，需要较大压力；平稳压浆阶段，所需压力较小；压浆结束阶段，由于浆液已充满桩底持力层及附近土体，所需压力也较大。根据实践经验结合本工程桩长和地质情况，设置开始阶段压力为8mpa，平稳阶段为4mpa，结束阶段为6mpa。
2.3.4浆的配比
压浆原材料为p.o42.5r水泥，水灰比根据压浆情况先稀后浓，浓浆为主。稀浆（水灰比0.8：1）渗透力强，便于加固预定范围周边地带。中等浓度浆液(水灰比0.5：1)加固预定范围的核心部分，起充填、压实、挤密作用。浓浆（水灰比0.4：1）对已压浆体起脱水作用，最后注人浓浆掺加减水剂和固化膨胀剂（uea）。
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