大直徑超長鉆孔灌注樁樁端后壓漿機理探討

1、 收稿日期 :20060629基金項目 :國家 “ 十一五” 科技支撐資助項目 (2006BAG 04B05,2006BAG 04B01作者簡介 :陳志堅 (1963, 男 , 福建福清人 , 教授 , 博士 , 主要從事重大工程安全監(jiān)測和基礎研究 . 大直徑超長鉆孔灌注樁樁端后壓漿機理探討陳志堅 1, 韓學偉 1, 白炳東 2(1. 河海大學土木工程學院 , 江蘇 南京 210098; 2. 江蘇省蘇通大橋建設指揮部 , 江蘇 南通 226010摘要 :在分析大直徑超長灌注樁實時應力監(jiān)測資料的基礎上 , 從力學機理入手分析樁端后壓漿對基 樁承載特性的影響 . 分析結果表明 :樁端后壓漿主要通

2、過滲透固結 、 , 改善樁端及樁 周地層土的物理力學性質 , ; , 基 .關鍵詞 :蘇通大橋 ; 大直徑 ; 鉆孔灌注樁 ; 中圖分類號 :TU473. 1 :A1980(2007 04040904, 大直徑灌注樁的應用范圍越來越廣 . 然而 , 灌注樁成孔過程 , 泥漿中水的浸泡軟化作用又進一步降低了土體 的強度 , 難以避免的樁端虛土 (含沉渣 、 孔底擾動土以及孔口和孔壁回落土等 和護壁泥皮等均在一定程度上 影響灌注樁的承載力 . 試驗研究和工程實踐表明 , 對灌注樁進行樁端后壓漿補強能夠有效地降低上述影響 ,提高承載力 , 減小沉降量 16. 樁端后壓漿工藝于 1961年首次在馬拉開

3、波湖 (Maracaibo 大橋基樁工程中得到應用 . 西南交通大學巖土工程研究所等對該工藝進行了研究 , 并取得了較好的應用效果 1. 本文根據(jù)蘇通大 橋樁端后壓漿過程中的跟蹤觀測結果 , 探討樁端后壓漿的積極作用和機理 , 并就樁端后壓漿的效果進行 評價 .1 樁端后壓漿的施工流程樁端后壓漿 78, 即在鉆孔灌注樁成樁一定時間后 , 通過預埋在樁身的壓漿管以一定的壓力把水泥漿注圖 1 壓漿施工工藝流程 Fig. 1 F low ch art of grouting construction 入樁端 . 注入的漿液大部分分布于樁端并形成擴大的固結體 , 小部分沿樁壁上竄分布于中下部樁周土中

4、, 通過滲透 、 充填 、 壓密和固結等作用使樁端虛土 、 樁端持力層及其附近的樁周土體發(fā)生物理化學反應 , 從而可以提高基樁承載力以及控制樁基礎沉降 . 壓漿施工工藝流程如圖 1所示 .樁端后壓漿機理可分為力學機理和化學機理 . 力學機理一般可歸納為滲透固結作用 、 擠密充填作用 、 劈裂加筋作用和預壓作用 , 按其作用部位的不同分別闡述如下 .作用于樁端土體的機理 :(a 滲透固結作用 . 在滲透性強 、 可注性好的砂土和碎石土中 , 漿液在較小的壓 力下即可滲入樁端土體一定范圍 , 形成一個結構性強 、 強度高的結石體 , 增大樁端的承載面積和基樁的有效 長度 , 從而提高基樁的承載力

5、. (b 擠密充填作用 . 樁端存在的松散虛土在漿液擠壓作用下致密 , 并被水泥漿 膠結形成樁端擴大的固結體 . (c 劈裂加筋作用 . 當注漿壓力大于樁端土層的最小主應力時 , 會出現(xiàn)劈裂現(xiàn) 象 . 漿液充填裂隙后呈脈狀網(wǎng)絡分布 , 對持力層起加筋作用 . (d 預壓作用 . 蘇通大橋采用的樁端壓漿壓力為 710815MPa. 顯然 , 隨著漿液的擠入 , 基樁端部和樁端一定范圍內的土層必然受到預壓作用 . 這對提高樁基 礎的整體性和承載力 、 控制樁基礎的沉降十分有益 .第 35卷第 4期 2007年 7月 河 海 大 學 學 報 (自 然 科 學 版 Journal of H ohai

6、University (Natural Sciences V ol. 35N o. 4Jul. 2007 作用于樁側土體的機理是 :(a 壓密作用 . 漿液在上竄過程中擠壓樁側土體形成固結體 , 加大樁側土體的 側向壓力 , 從而提高樁側摩阻力 . (b 劈裂泥皮 . 隨著壓漿量及壓漿壓力的提高 , 水泥漿液沿樁壁上竄一定距離 910, 通過滲透 、 劈裂 、 充填 、 擠密和膠結作用破壞泥皮的結構 , 并充填于樁體與樁周土之間的孔隙 , 在樁周 形成脈狀結石體 , 如同樹根植入土中 , 從而增大應力擴散范圍 , 提高基樁的承載力 .化學機理 7可概括為化學膠凝作用 、 充填膠結作用 、 陽離

7、子交換作用及固化效應 .硅酸鹽水泥的主要礦物為由 CaO ,SiO 2,Al 2O 3和 Fe 2O 3等相互作用生成的硅酸三鈣 、 硅酸二鈣 、 鋁酸三鈣 和鐵鋁酸四鈣等 , 這些礦物在發(fā)生水化反應時 , 減少了被加固土中的含水量 , 增加了土顆粒間的黏結強度 ; 同 時 , 生成的水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠 , 氫氧化鈣 、 水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體等填充于土顆粒間的 孔隙 , 改善了土體的物理力學性質 , 提高了土體的強度 .水泥漿與樁端及樁側砂礫石摻和 , 水化產生 Ca (OH 2和 CSH (水化硅酸鈣 等水化物 , 增加了溶液中的 Ca 2+含量 , 與土顆粒中的陽離子 (K

8、 +,Na + , , 填充孔 隙后形成堅固的類混凝土 . 此外 , 水泥漿中的 Ca (OH 2CaC O 3薄殼 , 也增強了土顆粒結構的強度 .綜上所述 , ; 改善樁端土體的物理力學性能 , 增大持力 層的強度 , ; 2土接觸條件 , 提高樁側摩阻力 .2 2. 1 工程概況在建的蘇通大橋主橋索塔基礎采用 131根直徑 218m/215m 的變徑鉆孔灌注樁基礎 , 基樁按梅花形布 置 . 其中 , 北索塔基樁的樁端高程為 -124m , 樁長 117m. 橋位區(qū)第四系地層厚達 300m 左右 , 樁端置于上更新 統(tǒng)粗砂層中 . 為了提高樁基礎的承載力 、 有效控制樁基礎的沉降量 ,

9、對每根樁采取了樁端后壓漿補強措施 . 為 了研究樁端后壓漿的作用機理 , 選擇預埋了壓力盒 、 鋼筋計和混凝土應變計等傳感器的代表性基樁開展了跟 蹤觀測 .2. 2 樁端后壓漿施工工藝與壓漿參數(shù)壓漿施工工藝流程如圖 1所示 . 根據(jù)均勻性及便于安裝和保護的原則布置 U 形壓漿管路 , 位于樁端的水 平段壓漿器為帶有 8mm 小孔的花管 . 為了確保澆注的樁身混凝土不堵塞壓漿器 , 其小孔須事先用圖釘 、 橡 膠帶和密封膠帶封閉 , 且超出鋼筋籠底端 200mm 左右 . 壓漿水泥采用 4215MPa 普通硅酸鹽水泥 , 水灰比為 015016, 外摻劑 (NF 15 質量分數(shù)為 115%; 起

10、始水灰比為 018, 壓力正常后逐漸調整為 015, 水泥漿攪拌時間 不少于 2min. 結合工程地質條件并考慮實際損耗 , 確定壓漿量為 1015t (第 1指標 , 壓漿控制壓力為 810MPa (第 2指標 . 樁身混凝土澆注完成 34d 后再進行壓漿 , 每根樁布置 3對 U 形壓漿管路 , 每對壓漿管均勻壓 漿 . 用于本文分析的 22號 、 29號 、 43號和 120號樁的最大穩(wěn)定注漿壓力分別為 810MPa ,710MPa ,815MPa 和 810MPa , 總壓漿量分別為 1012t ,1015t ,913t 和 1012t.表 1 傳感器布置情況T able 1 Layo

11、ut of sensors斷面 號 高程 /m 鋼筋 計 /套 應變 計 /套 壓力盒 /套 1-12222-25423-30424-45425-55426-75227-95228-123222. 3 傳感器布設 如上所述 , 為了分析樁端后壓漿的效果和力學機理 , 對 10根樁進 行了現(xiàn)場測試研究 . 每根樁布置了 8個監(jiān)測斷面 , 監(jiān)測點布置遵循對稱 原則 , 各斷面布置的傳感器如表 1所示 . 其中 , 壓力盒的布設高程為-12415m. 每類傳感器平面投影位置一致 .2. 4 跟蹤觀測結果分析與機理探討 考慮到傳感器的埋設狀態(tài)受控于長度達 117m 的樁身鋼筋籠 , 在 樁身混凝土澆注

12、過程中進行跟蹤觀測并獲得了可靠的傳感器初參數(shù) . 在此基礎上 , 針對樁端后壓漿情況進行跟蹤觀測 . 根據(jù)觀測結果 , 分別研究了樁端后壓漿對樁端及樁周土體的擠密作用 、 樁身預壓作用 、 樁端擴底作用及劈裂樁周泥皮的作用 .21411 擠密作用分析在 22號壓漿樁樁端后壓漿過程中 ,29號監(jiān)測樁樁端土壓力的響應如圖 2所示 (兩樁中心距為 6141m .014河 海 大 學 學 報 (自 然 科 學 版 第 35卷 圖 2 相鄰樁壓漿過程中樁端土壓力曲線 Fig. 2 Pressure curve for pile 2end soil during adjoining pile grouti

13、ng圖 2表明 :高壓樁端后壓漿具有明顯的擠密樁端及樁周地基土的作用 . 29號監(jiān)測樁的 2個測點 (編號為 0和 9 的樁端土壓力在 22號壓漿樁 (壓漿時間為 8月 5日 2:053:57 后壓漿過程中均有明顯的響應 , 臨近壓漿樁一側的 9號測點的樁端土壓力可達 0146MPa , 背離壓漿樁一側的 0號測點的樁端土壓力相對小些 , 說明在樁端后壓漿過程中樁端及樁周土體受到明顯的擠壓增密作用 . 22號樁和 29號樁的壓漿量分別為 1012t 和 1015t , 壓入的水泥漿的滲透固結和充填作用 , 對改善樁端及樁周土體的物理力學性能 、 提高地基土的強度具有積極作用 . 跟蹤觀測結果還

14、表明 , 壓漿完成后的樁端土壓力略有提高 . 擠密作用 , 對提高基樁承載力和控制樁基礎沉降十分有益 圖 3 29號樁壓漿過程中樁身混凝土應變曲線 Fig. 3 Strain curve for concrete of pile N o. 29during grouting process 21412 樁身預壓作用29號樁在樁端后壓漿過程中 , 變的響應如圖 3所示 . :顯的預壓作用 . 在 (8月 4日 22:258月 5日 1:35 , 7斷面(-95m 高程 最大 , 第 5斷面 (-55m 高程 的應變則相對小得多 , 說明后壓漿在壓密樁端土體的同時向上傳遞反力 , 使基樁出現(xiàn)向上的

15、位移 , 即相當于在樁端給基樁施加了預應力 , 這有利于控制基樁的沉降和提高其承載力 .圖 5 相鄰樁壓漿過程中混凝土應變曲線 Fig. 5 Strain curve for concrete of pile body during adjoining pile grouting 21413 樁端擴底作用在 120號壓漿樁樁端后壓漿過程中 ,126號監(jiān)測樁圖 4 相鄰樁壓漿過程中樁端混凝土應變曲線Fig. 4 Strain curve for concrete at theend of pile during adjoining pile grouting 樁端混凝土應變的響應如圖 4所示(兩

16、樁中心距為 6141m . 圖 4表明 :高壓樁端后壓漿產生明顯的樁端擴底作用 . 126號監(jiān)測樁的 2個測點 (編號為 7和 8 的樁端混凝土應變在 120號壓漿樁 (壓漿時間為 11:1513:50 后壓漿過程中均有明顯的響應 , 臨近壓漿樁一側的 7號測點受到彎拉作用 , 實測應變約為 16121×10-6; 背離壓漿樁一側的 8號測點受到彎壓作用 , 實測應變相對小些 , 約為 13184×10-6, 說明樁端后壓漿會對樁端地基土產生一定的擴底作用 , 且這種擴底作用增大 了樁端的承載面積 , 有利于承 載力的提高 .21414 劈裂泥皮作用在 43號壓漿樁樁端后壓

17、漿過程中 ,36號監(jiān)測樁樁身各高程混凝土應變的響應如圖 5所示 (兩樁中心距為 6141m . 圖 5表明 :高壓樁端后壓漿具有一定的破壞泥皮的作用 . 36號監(jiān)測樁的 5個測點在 43號壓漿樁 (壓漿時間為 14:2817:17 后壓漿過程中均有響應 , 以-95m 高程測點 (編號為 77和 78 應變最大 , 說明越靠近端部變形越 大 ; -55m 高程 (近樁長的 1/2高度 亦有相對較小的變形 , 充分說明樁端后壓漿過程中樁周土體受到擠密壓縮作用 , 這會破壞樁周泥皮 的結構 , 在一定范圍內改善樁 2土的接觸條件 , 提高樁側的摩阻力 . 114第 4期 陳志堅 , 等 大直徑超長

18、鉆孔灌注樁樁端后壓漿機理探討3 結 論a. 樁端后壓漿可以有效地改善甚至消除樁端虛土對承載力的影響 , 改變樁端土體的物理力學性能 , 從 而提高基樁的承載力 .b. 樁端后壓漿不僅能擠密樁端土體 , 而且能對基樁產生一定的上抬力作用 , 使基樁壓縮 , 產生預應力作 用的效果 , 對提高基樁承載力十分有利 .c. 樁端后壓漿具有一定的樁端擴底作用 , 可增大基樁的承載面積 , 提高基樁的承載力 .d. 樁端后壓漿可擠密樁周一定范圍內的地層 (樁心距為 6141m 時可影響至樁長 1/2高度內的地層 , 破 壞樁周泥皮結構 , 對提高基樁的承載力起到一定的積極作用 .參考文獻 :1傅旭東 .

19、鉆孔灌注樁樁底壓力灌漿的工藝 、 .1 :2F LE MI NG W G K. The im provement of pile per by , 1993, 97:8893.3薛韜 . 灌漿法 :J,1992(4 :4348.4劉金礪 . ,1986(4 :3739.5陳愈炯 . J,2004,7(5 :1011.6BRUCE D A. Enhancing the per formance of large diameter piles by groutingJ.G round Engineering ,1985(4 :915.7張忠苗 , 吳世明 , 包風 . 鉆孔灌注樁樁底后注漿機理與應

20、用研究 J.巖土工程學報 ,1999,21(6 :681686.8沈保漢 , 應權 . 樁端壓力注漿樁技術 J.建筑技術 ,2001,32(3 :155157.9劉金礪 , 祝經成 . 泥漿護壁灌注樁后注漿技術及其應用 J.建筑科學 ,1996(2 :1318.10沈保漢 . 樁端壓力注漿效果分析 J.巖土工程界 ,2001,4(8 :6064.Discussion on post 2grouting mechanism at end ofsuper 2long large 2diameter bored pilesCHEN Zhi 2jian 1, HAN Xue 2w ei 1, BAI

21、Bing 2dong 2(1. College o f Civil Engineering , Hohai Univer sity , Nanjing 210098, China ;2. Jiangsu Provincial Sutong Bridge Construction Commanding Department , Nantong 226010, China Abstract :Based on real 2time stress m onitoring data for super 2long large 2diameter bored piles , the influences of post 2 grouting at the end of pile