灌注桩后注浆技术应用及经济性分析

武学文 王玉梅 郭晓品

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066000）

0 引言

随着我国土木工程技术的不断发展，高层建筑、大体型建筑以及各类复杂地质条件下的建筑不断涌现。桩基础成为这些建筑物基础的有效解决方案之一。钻孔灌注桩又是各类桩基础中应用相对广泛的一种。钻孔灌注桩在成桩过程中由于自身的工艺缺陷，导致其存在一定量的桩侧泥皮和桩底沉渣。桩侧泥皮和桩底沉渣的存在限制了灌注桩承载力的有效发挥。随着结构设计过程中对单桩承载力的要求越来越高，单一的钻孔灌注桩技术已难以满足建设需求。基础工程部分的造价占整个建筑物造价的25%～30%。简单的通过加大桩径、增加桩长会带来建设成本的非线性增加，其经济性遭到了投资者的质疑。灌注桩后注浆技术的出现成功解决了上述难题。近些年，灌注桩后注浆技术在我国得到了广泛应用和快速发展。

1 后注浆技术原理

灌注桩后注浆技术首次应用于1958年设计的委内瑞拉Maracaibo（马拉开波湖）大桥桩基础，随后陆续在其他国家的桥梁工程中应用。在国内，北京市建筑工程研究所1983年首创桩端压力注浆桩。后注浆技术通过改善灌注桩桩侧、桩端位置桩土界面薄弱部位的工作性能来提高承载能力。基本原理为利用预留的压力管道向桩端、桩侧界面注入水泥浆液固化剂。浆液在不同桩端和桩侧土层中的扩散与加固机理不尽相同。注入浆液在粗粒土中以渗透固结为主，在细粒土中以劈裂注浆为主，起到置换、充填、胶结、加筋、压密等一种或多种形式组合的作用。

后注浆的固结与劈裂加固工作原理示意见图1［1］。

图1 后注浆的固结与劈裂加固工作原理示意图

2 承载力分析

2.1 桩基方案及有关参数

秦皇岛地区某5层仓库建筑，柱网9.0 m×9.0 m，使用活荷载较大，30～40 kN/m2不等。因临近建筑物一侧有20 m高挡土墙，天然地基持力层深，基坑开挖与支护风险较大。初步设计采用钻孔灌注桩，由于单柱荷载较大，局部甚至出现了以最小桩距布桩仍不能满足受力要求的情况。同时，建设单位与施工单位在成本控制的压力下，寻求将普通钻孔灌注桩方案修改为后注浆灌注桩方案。

后注浆灌注桩桩径D＝800 mm，估算桩长8.5 m，沿桩周对称布置2根压力注浆管。因桩长较短，注浆方式采用单一桩端注浆。桩端持力层为强风化混合花岗岩，桩端进入持力层2.50 m，极限端阻力标准值3000 kPa。依勘察报告，桩侧土层由上至下对应的土层、土层厚度和极限侧阻力标准值依次为素填土（2.65 m、20 kPa）、粉质黏土（0.60 m、65 kPa）、中粗砂（1.70 m、70 kPa）、砂质黏性土（1.00 m、75 kPa）、强风化混合花岗岩（2.50 m、120 kPa）。

2.2 承载力分析与试验结果

后注浆灌注桩的单桩极限承载力标准值可按JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》［2］（以下简称《桩基规范》）中的公式计算：

Quk＝uSqsjklj+uS bsiqsiklgi+bpqpkAp

式中：u——桩身周长，m；

lj——后注浆非竖向增强段第j层土厚度，m；

lgi——后注浆竖向增强段内第i层土厚度，m；qsik、qsjk、qspk——分别为后注浆竖向增强段第i层土初始极限侧阻力标准值、非竖向增强段第j层土初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值，kPa；

bsi、 bp——分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数。

单一桩端后注浆时，竖向增强段为桩端以上12 m，不考虑填土层的增强作用，该桩其余土层均位于增强段内。后注浆侧阻力增强系数除中粗砂取1.7外其余取1.4，后注浆端阻力增强系数取2.0。据此可以计算出后注浆灌注桩极限承载力标准值为5400 kN。

工程桩正式施工前进行了试桩，遗憾的是由于试验费用限制和施工进度要求，静载试验时未能加载至极限破坏状态。试验得到的数据如图2、图3所示。

图2 后注浆灌注桩Q—s曲线

图3 试桩1的s—lgt曲线

试验采用慢速维持荷载法，荷载—沉降（Q—s）曲线无陡降，沉降—时间对数（s—lgt）曲线尾部未出现明显向下弯曲，无“桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且24 h尚未达到相对稳定”的情况，表明各试验桩均达到了设计要求。可见后注浆技术能有效提高灌注桩的承载力，且沉降较小，可以满足建筑物使用功能要求。试桩沉降及承载力分析数据见表1。

表1 试桩沉降及承载力分析数据

3 注浆参数分析

注浆效果的好坏直接影响桩基的承载力，而合理的注浆参数是取得良好注浆效果的基础。最优注浆量应根据桩长、桩径、加固土体特性、承载力增幅等因素综合取定，不能简单的依据规范公式计算得出。最终的注浆参数仍应以现场试桩工艺试验结果为准。

3.1 注浆量

注浆量的初步估算可依据《桩基规范》公式确定，注浆量计算公式：

Gc＝ apd＋asnd

式中：ap、 as——分别为桩端、桩侧注浆量经验系数，ap＝ 1.5～1.8， as＝0.5～0.7；

n——桩侧注浆断面数；

d——基桩设计直径，m；

Gc——注浆量，以水泥质量计，t。

桩端、桩侧注浆量经验系数由加固土层性质确定，对独立单桩和群桩初始注浆的数根基桩注浆量按上述估算值乘以1.2的系数。本例中仅单一桩端注浆，按土层性质ap取1.65，计算得注浆量为1.32～1.58 t。

对比3种长径比的单桩，其承载力随注浆量的增加而提高，但是注浆量对基桩承载力的影响曲线逐渐趋于平缓［3］。该研究表明桩端后注浆对承载力的提高幅度是有极值的，注浆量对承载力的贡献仅在一定范围内有效。

3.2 注浆压力、流量与终止注浆条件

终止注浆压力应根据土层性质及注浆点深度确定，对风化岩宜为3～10 MPa，并按此终止注浆压力维持不小于3 min。注浆流量不宜超过75 L/min。终止注浆条件满足下列之一即可：①注浆总量和注浆压力均达到设计要求；②注浆总量已达设计值的75%，且注浆压力超过最大设计值。规定终止注浆的条件是为了保证后注浆的预期效果及避免无效过量注浆。

3.3 浆液水灰比及其他

浆液的水灰比应根据土的饱和度、渗透性确定，对于饱和土和非饱和土分别宜为0.45～0.65、0.7～0.9，低水灰比浆液宜掺入减水剂。施工时注意选择施工工艺，是一次注浆还是二次注浆。注浆开始时间不宜早于成桩后2天，也不宜迟于成桩后30天，过早注浆有可能影响桩身强度。注浆作业与成孔作业应间隔10 m以上。桩端注浆应对同一根桩的注浆导管依次实施等量注浆。

4 经济性分析

经济性需要从不同层面进行分析，同一层面也有不同的技术经济指标可以考量。在此，分别从个体的单桩经济性和总体的基础造价两个层面进行对比分析。为方便计算和排除不必要的干扰因素，需要作部分假定。假定所有桩长均为8.5 m，注浆量以中值1.40 t计。工程实践表明，承台部分的造价约占基础造价的20%，单桩承载力越低，承台造价越高。总体比较时未考虑承台因素对造价的影响。

设计时按普通灌注桩单桩承载力特征值1500 kN方案布桩需375根；按后注浆灌注桩单桩承载力特征值2700 kN布桩需234根。梁金永等［4］从桩基优化角度提出承载效率指标，即桩体单位体积混凝土提供的承载力特征值，同样适用于经济性比较。另外，单位承载力特征值基桩造价指标、增量承载力特征值基桩造价指标均能较好地揭示经济性。单桩经济性分析见表2。基础工程造价分析见表3。

表2 单桩经济性分析

表3 基础工程造价分析

由于后注浆技术较大幅度提高了单桩承载力，其经济效果明显。当然，影响基础工程造价的因素众多，设计过程中还需结合上部结构布置形式、荷载分布情况、岩土体特性等因素，合理应用灌注桩后注浆技术，方可得出最佳方案。

5 结语

灌注桩后注浆技术具有适应性广，施工方法简便，技术经济效果明显等优点。实际应用中也出现过工程桩不满足设计要求承载力的情况，故设计与施工人员仍须加强质量控制。

（1）按照《桩基规范》公式计算的极限承载力标准值仅适用于初步设计。后注浆灌注桩的单桩极限承载力，应通过静载试验确定。正式施工前应进行试桩，静载试验宜加载至破坏状态，避免后期工程桩出现大面积不满足设计要求承载力的质量问题。对于后注浆桩承载力的提高幅度，端阻的增幅高于侧阻，粗粒土的增幅高于细粒土，桩端桩侧复式注浆高于桩端、桩侧单一注浆。

（2）设计确定注浆量时应综合考虑桩长、土层性质等因素。注浆压力、终止注浆条件等注浆参数仍宜以现场试验为准。除设计因素外，施工也是决定后注浆效果的关键因素之一。后注浆桩由于承载力提高幅度大，应严格控制施工质量。要求施工单位应有较高的注浆工艺水平，因地制宜地制定注浆操作规程和质量控制标准。

（3）后注浆灌注桩具有的显著经济效益是毋庸置疑的。不同的地质条件、不同的注浆方式对承载力提高的影响各不相同。如何根据不同工程的特点调整设计以求达到最佳的经济效果仍是一大难题。