孫偉紅，楊 鑫，馬 亮

(甘肅省建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，甘肅 蘭州 730030)

鉆孔灌注樁作為一種施工簡(jiǎn)單、承載性能較好的基礎(chǔ)型式被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程[1]。但是，受地質(zhì)條件、地勘資料、施工條件及人為因素等影響，鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量難免存在不同缺陷和問(wèn)題。例如端承樁的嵌入深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，樁端未有效的嵌入持力層一定深度，造成單樁承載力降低，進(jìn)而無(wú)法正常使用。同時(shí)，由于鉆孔灌注樁成孔工藝的本身缺陷，樁端沉渣和樁周泥皮等問(wèn)題時(shí)常難以避免[2]，以及施工過(guò)程中樁端地層的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)和應(yīng)力釋放，樁端所在持力層的承載性能因此折損[3]，從而導(dǎo)致端阻力和側(cè)阻力顯著降低[4-5]。為了解決端承樁的嵌入深度不足及持力層地層強(qiáng)度折減問(wèn)題，各類(lèi)方法技術(shù)不斷被提出和應(yīng)用，取得了一定的工程處理效果。其中，樁端后注漿技術(shù)作為增加樁端面積和提高樁端單位面積阻力的方法[6]，可以顯著提高樁的承載性能[7-9]。但是，后注漿技術(shù)在不同工程中存在各類(lèi)注漿失效的現(xiàn)象[10]，使后注漿的效果無(wú)法保證。其中，對(duì)于樁端持力層上覆空隙性地層而言，在對(duì)樁端持力層注漿時(shí)漿液會(huì)朝著空隙發(fā)育的上覆地層而流，即漿液上流，造成持力層不能得到有效注漿，達(dá)不到后注漿的預(yù)期目標(biāo)。本文基于某鉆孔灌注樁樁端后注漿加固工程，提出和采用一種充氣壓漿及注漿同時(shí)施工的后注漿技術(shù)，并對(duì)注漿前后的樁基豎向抗壓承載力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)本技術(shù)的實(shí)施效果，為同類(lèi)工程提供參考。

1 依托工程及其問(wèn)題

1.1 工程概況

某工程位于甘肅省蘭州市，主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)均采用樁筏基礎(chǔ)。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，為端承樁。按設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁直徑為0.8 m和0.5 m，無(wú)擴(kuò)底，樁長(zhǎng)為9.95 m～11.65 m，以強(qiáng)風(fēng)化砂巖為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層深度不小于2.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，單樁(直徑0.8 m)設(shè)計(jì)承載力為1 600 kN。

1.2 工程地質(zhì)

如圖1所示，場(chǎng)地內(nèi)勘探揭露地層可知，工程場(chǎng)地范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，勘察深度范圍內(nèi)自上而下分別為雜填土、粉土、飽和粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖等。

其中，樁端持力層上下范圍內(nèi)地層分述如下：

卵石(上覆地層)：青灰色，稍密～中密，分選性差。主要由石英巖、花崗巖、片麻巖等硬質(zhì)巖組成，磨圓度好，呈亞圓形，一般粒徑為20 mm～80 mm，約占全重的55%以上，最大粒徑可達(dá)150 mm，偶含漂石，砂類(lèi)土充填，局部強(qiáng)風(fēng)化含砂量較大且以透鏡體存在，層頂夾有細(xì)砂層薄層，層頂埋深一般8.0 m～20.8 m。

強(qiáng)風(fēng)化砂巖(持力層)：棕紅色、磚紅色，局部夾有零星的泥巖、礫巖，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)為主，中粗及中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，具層理，多呈水平狀，成巖作用差，強(qiáng)風(fēng)化狀，遇水易軟化、崩解，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。層面埋深12.5 m～25.8 m。

場(chǎng)地位于黃河河谷地段，地下水類(lèi)型屬于松散巖類(lèi)孔隙水，為河(溝)谷潛水，勘察期間揭露地下水一般埋深黏6.0 m～15.5 m。場(chǎng)地地下水主要賦存于下部粉土、粉質(zhì)黏土和卵石層中。

1.3 工程問(wèn)題

1)樁端嵌入深度不足，樁基承載力不滿(mǎn)足要求：工程樁基按設(shè)計(jì)施工完成后，依照規(guī)范進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)。通過(guò)對(duì)混凝土樁身采用小應(yīng)變檢測(cè)，127根0.8 m樁的樁身質(zhì)量評(píng)定合格。通過(guò)對(duì)抽檢的4根樁進(jìn)行單樁豎向承載力檢測(cè)，其中1根樁的檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求的單樁豎向承載力特征值，而其余3根均如圖2(a)所示，豎向靜壓下樁基發(fā)生了明顯的下沉，脫離地表面，無(wú)法加載至檢測(cè)預(yù)定最大極限值，不滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)承載力特征值。進(jìn)一步對(duì)3根樁進(jìn)行抽芯檢測(cè)，如圖2(b)所示，通過(guò)鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)樁端進(jìn)入持力層深度不足。由于地勘資料勘察點(diǎn)未在樁基施工范圍中，故對(duì)其周邊地質(zhì)進(jìn)行鉆孔勘察，發(fā)現(xiàn)土樣中樁基樁端嵌入持力層深度均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的2 m。

2)注漿達(dá)到飽滿(mǎn)注漿量和終壓狀態(tài)難以判斷，傳統(tǒng)后注漿技術(shù)效果差：針對(duì)檢測(cè)的3根嵌入深度不足的樁以及未進(jìn)行檢測(cè)的其他兩軸共計(jì)37根樁，經(jīng)專(zhuān)家論證決定采用樁端后注漿技術(shù)對(duì)樁端地基土體(強(qiáng)風(fēng)化砂巖)進(jìn)行加固。工程采用了傳統(tǒng)的后注漿技術(shù)，即在樁周?chē)乳g距鉆孔至樁端深度后埋放注漿管，進(jìn)行高壓注漿。為保證加固效果，后注漿時(shí)采用二次復(fù)注漿，但是在兩次注漿過(guò)程中均出現(xiàn)注漿量持續(xù)增加，而注漿壓力穩(wěn)定，未見(jiàn)壓力上漲情況，即未達(dá)到后注漿的飽滿(mǎn)注漿量和終壓狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探發(fā)現(xiàn)，在高壓注漿條件下，注漿液未能有效充填持力層強(qiáng)風(fēng)化砂巖，而是充填于樁端上部所在的卵石地層。分析其原因不難得知，本工程卵石地層的顆粒級(jí)配不良，充填物為砂類(lèi)土且充填率較低，施工期卵石層未見(jiàn)地下水，因而形成了空隙發(fā)育的卵石地層；但強(qiáng)風(fēng)化砂巖密實(shí)度相對(duì)較大，空隙較少，因此和卵石地層形成了明顯的空隙發(fā)育差別。在高壓注漿時(shí)，漿液將自然流向空隙發(fā)育的卵石地層，即漿液上流。由于本工程場(chǎng)地范圍內(nèi)卵石層分布較為均勻，因而漿液在場(chǎng)地范圍內(nèi)的卵石層發(fā)生層流，造成注漿量持續(xù)上升，而注漿壓力不見(jiàn)增加，由此可見(jiàn)傳統(tǒng)的高壓注漿不能完成對(duì)本工程樁基土體的加固作業(yè)。

2 樁端后注漿技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

針對(duì)本工程中出現(xiàn)的問(wèn)題，如圖3所示，提出一種上覆空隙地層充氣壓漿端承樁樁端后注漿技術(shù)。為了防止高壓注漿時(shí)漿液上流至上覆空隙地層，在注漿管高壓注漿同時(shí)，在其上部通過(guò)充氣管持續(xù)充入壓力大于注漿壓力的高壓空氣。高壓空氣進(jìn)入空隙地層，由于卵石層的上下地層相對(duì)較為密實(shí)，進(jìn)而使高壓空氣活動(dòng)于卵石層，并與下部注漿液的注漿壓力形成上高下低的壓力場(chǎng)差，使注漿液難以上流，而定向流向加固持力層(強(qiáng)風(fēng)化砂巖)，達(dá)到加固樁端土體的施工目標(biāo)。具體在施作時(shí)，可對(duì)加固樁周?chē)母髯{孔同時(shí)充氣和注漿，形成環(huán)狀分布的空氣壓場(chǎng)，進(jìn)而提高注漿效果。

2.2 技術(shù)工序

1)鉆孔(或清孔)：如圖4所示，在樁頭周邊平面等間距分別按照先后順序采用鉆孔機(jī)鉆孔至孔底2 m以下處。對(duì)于本工程前期未能成功注漿的孔位進(jìn)行清孔，具體一并采用注漿機(jī)用低檔至快檔自管內(nèi)泵入清水，將孔內(nèi)沉積的巖屑、殘?jiān)⒛噘|(zhì)渾濁水等從管外壁排出。

2)下放注漿管：將高壓注漿管下放孔內(nèi)，其管口應(yīng)至孔底，并固定牢靠，以防后續(xù)操作和注漿時(shí)管道上浮。

3)封堵巖層界面：向鉆孔內(nèi)灌注早強(qiáng)型混凝土，使灌注面高于持力層和上覆空隙地層二者界面約30 cm。

4)下放充氣管：將耐高壓充氣膠管下放至孔內(nèi)，其管口應(yīng)高于上述封堵混凝土上表面10 cm左右，并固定以防止浮動(dòng)。

5)封孔：先向孔位撒填中細(xì)砂，填值距鉆孔孔口約40 cm時(shí)，灌注混凝土。采用圓形鋼板封閉孔口，并在封閉板相應(yīng)部位預(yù)留圓孔，分別將注漿管和充氣管穿過(guò)，并滿(mǎn)焊封堵孔口。

6)充氣壓漿：?jiǎn)?dòng)準(zhǔn)備相關(guān)設(shè)備及注漿液，開(kāi)啟注漿閥門(mén)先向孔內(nèi)注漿約2 min，開(kāi)動(dòng)充氣管，向孔內(nèi)注入壓力大于注漿壓力約100 kPa的高壓空氣。施工時(shí)，沿樁周加固注漿孔同時(shí)進(jìn)行?？刹捎靡淮涡怨嘧⒑蛷?fù)注相結(jié)合的工藝進(jìn)行注漿。

7)達(dá)到飽滿(mǎn)注漿量和終壓：當(dāng)注漿壓力隨注漿進(jìn)行呈現(xiàn)由低變高及充氣壓力持續(xù)穩(wěn)定(特別是未出現(xiàn)增大)變化規(guī)律時(shí)，結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算注漿量及實(shí)際注漿量比對(duì)校核結(jié)果，確定判斷注漿合格狀態(tài)。

3 加固前后灌注樁抗壓承載結(jié)果對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)本注漿方法的效果，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，分別對(duì)該工程布置的3根工程樁進(jìn)行注漿前后單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。如圖5所示，試驗(yàn)方法采用慢速維持荷載試樁法，試驗(yàn)時(shí)預(yù)計(jì)最大加載量3 200 kN，荷載按10級(jí)劃分，逐級(jí)等量加載。

如表1，圖6(a)所示，后注漿加固前1號(hào)樁(長(zhǎng)度10.92 m)加載到1 920 kN時(shí)，樁頂荷載-沉降(p-s)曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，存在陡降段，樁頂沉降量(33.46 mm)大于前一級(jí)荷載作用下的沉降量(6.04 mm)的5倍，且樁頂總沉降量57.79 mm。類(lèi)似2號(hào)樁(長(zhǎng)度10.85 m)，最大加荷量2 240 kN，且樁頂總沉降量為46.84 mm；3號(hào)樁(長(zhǎng)度11.65 m)，樁頂總沉降量為48.92 mm。三根樁累計(jì)沉降量均超過(guò)40 mm，滿(mǎn)足終止加荷條件。因此，3根工程樁在自 然含水量狀態(tài)及施工成樁參數(shù)條件下，單樁承載力特征值可分別取800 kN,960 kN和1 120 kN，均不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求規(guī)定的1 600 kN。

采用本文的后注漿技術(shù)加固后試驗(yàn)結(jié)果如圖6(b)所示，4號(hào)樁(長(zhǎng)度10.92 m)在最大加荷量3 200 kN條件下，p-s曲線(xiàn)呈緩變漸降型，沒(méi)有出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)或陡降段，相對(duì)應(yīng)5號(hào)樁(長(zhǎng)度11.06 m)和6號(hào)樁(長(zhǎng)度11.59 m)的加載試驗(yàn)結(jié)果相同。3根樁的最大加荷量均為3 200 kN，加荷量為設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍。樁端后注漿加固后的3根工程樁的單樁豎向抗壓承載力特征值可取極限承載力的1/2，即1 600 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期處理加固效果。

表1 后注漿前后單樁最大加載量及累計(jì)位移統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

1)樁端后注漿技術(shù)作為加固處理樁端土體的有效方法，可以顯著提高樁基承載力。然而在上覆空隙地層條件下，高壓注漿時(shí)漿液存在上流現(xiàn)象，不能對(duì)持力層土體進(jìn)行有效注漿加固。2)提出一種適用于上覆空隙地層的充氣壓漿樁端后注漿技術(shù)，本技術(shù)通過(guò)對(duì)上覆空隙地層高壓充氣和下臥持力層高壓注漿相結(jié)合的方法，在壓力場(chǎng)差作用下可以定向的對(duì)持力層進(jìn)行注漿加固。3)對(duì)采用本后注漿技術(shù)加固前后的樁基進(jìn)行靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處理前樁基在未達(dá)到設(shè)計(jì)最大極限承載力前位移快速發(fā)展，不符合設(shè)計(jì)要求。加固后單樁承載力顯著提高，靜壓位移曲線(xiàn)發(fā)展平穩(wěn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的承載力特征值。工程實(shí)踐表明，本技術(shù)科學(xué)合理，工序簡(jiǎn)單，取得了良好的處理效果。