后注浆桩技术_6_影响桩端压力注浆桩竖向抗压承载力的因素

后注浆桩技术(6)

———影响桩端压力注浆桩竖向抗压承载力的因素

沈保汉

(北京市建筑工程研究院　北京　100039)

　　摘　要:阐述影响桩端压力注浆桩竖向抗压承载力的8种主要因素。　　关键词:桩端压力注浆桩　竖向抗压承载力

TEC HNIQUE OF POST -GR OUTING PILE (6)

———F AC TORS AFFEC TING THE V ERTICAL C OMPRESSIVE BEARING C APACITY OF

PILES BY TIP GROUTING

Shen Baohan

(Beij ing Building Cons truction R es earch Ins titute 　Beijing 　100039)

Abstract :In this paper the different main factors affecting the vertical compressive bearing capacit y of piles by tip grouting were described .Keywords :pile by tip grouting 　vertical compress ive bearing capacity

第一作者:沈保汉　男　1938年6月出生　教授级高级工程师收稿日期:2001-04-03

　　桩端压力注浆施工方法是在钻孔灌注桩成桩后,在压力作用下,将能固化的浆液通过桩身预埋管或钻孔预埋管经桩端压力注浆装置强行压入土层中,使桩端土层、虚土(含沉渣、孔底扰动土及孔口和孔壁回落土等)及桩端附近的桩周土层发生物理化学反应,提高桩端土和桩侧土的强度(q p 和q s )及变形模量(E p 和E s ),改变桩与岩、土之间的边界条件,消除虚土隐患,从而提高桩的承载力以及减小桩基的沉降量。

影响桩端压力注浆效果的因素较多,诸如:注浆工艺(闭式与开式):桩端土种类(细粒土与粗粒土)及密实度;桩径;桩长;注浆装置形式;注浆压力(通常指泵送终止压力);注浆量;浆液种类;浆液配合比;注浆方式;注浆速度及注浆泵流量;注浆时间的选择;注浆设备;管路系统的密封和可靠程度;施工人员的素质及质量管理水平等。1　桩端持力层性质

在粗粒土(孔隙率较大的卵砾石、中粗砂等)的桩端持力层中注浆时,浆液渗入率高,通过渗透、部分挤密、填充及固结作用,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,增幅通常约在50%～260%范围内。

以杭州ZHK 工程试桩为例,桩径800mm ,桩端持力层为砂卵砾石层;ZHK -2号桩为未注浆桩,桩长48.60m ,其Q u 值为8000kN ;ZH K -1号桩为桩端压力注浆桩,桩长48.30m ,注浆压力2.2MPa ,水泥注入量1500kg ,其Q u 值为16000k N ,与ZHK -2号桩相比,Q u 增幅100%;ZHK -2A 号桩是在ZHK -2号桩试压后实施桩端压力注浆工艺的,注浆压力和水泥注入量与ZHK -1号相同,其Q u 值为20800k N ,比ZHK -2号桩增幅160%,此增幅值包含复压的影响(图1)。

图1　ZHK 工程试桩Q -s 曲线

1-ZHK -2号桩;2-ZHK -1号桩;3-ZHK -2A 号桩

在细粒土(粘性土、粉土、粉细砂等)的桩端持力层中注浆时,浆液渗入率低,实现劈裂注浆,单一介质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

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力增幅通常在14%～88%的范围内,个别桩的增幅可达106%～138%,其增幅较在粗粒土的桩端持力层中注浆时小。

以温州WT 工程试桩为例,桩径750mm ,桩端持力层为粉质粘土;WT -4号桩为未注浆桩,桩长49.60m ,其Q u 值为4160kN ;WT -5号桩和WT -7号桩为桩端压力注浆桩,桩长分别为49.80m 和49.40m ,注浆压力为0.9MPa ,水泥注入量为1000和1400kg ,其Q u 值均为7800k N ,比WT -4号桩增幅88%(图2)

。

图2　WT 工程试桩Q -s 曲线1-WT -4号桩;2-WT -5号桩;3-WT -7号桩

由上可见,为了充分发挥桩端压力注浆桩的承载力,在采用开式注浆工艺的情况下,尽可能选择将渗透性较强的粗粒土作为桩端持力层。2　浆液种类

实现渗入性注浆工艺的基本要求是浆液必须被渗入土体的孔隙,即浆材颗粒尺寸应远小于孔隙尺寸,使所用的浆液是可注的。

普通水泥最大颗粒尺寸约在60～100μm (0.06～0.10mm )之间,其浆液难于进入渗透系数k <5×10-2cm s 的砂土孔隙或宽度小于200μm 的裂隙[1]。

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(有干磨和湿磨两种方法),从而获得平均粒径小于3～4μm 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5×10-2cm s (粗砂层),提高到10-3～

10-4cm s (细砂层)[2]。

湿磨超细水泥的特点是可以把普通水泥在注浆现场磨细到要求的细度,价格比工厂生产的同样细度的超细干水泥配制的浆液的价格要便宜得多。

湿磨超细水泥浆液与普通水泥浆液相比,具有渗透能力强;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,故抗离析能力强,沉淀少等特点,由于上述特点,采用湿磨超细水泥浆的桩端压力注浆对未注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注浆桩的承载力增幅。

图3中天津TG -24号桩为采用普通水泥浆液的桩端压力注浆桩,桩径600mm ,桩长46.00m ,桩端持力层为细砂层,桩端注入水泥量300kg ,其单方极限承载力Q u V 较同条件的TG -14号未注浆桩增幅30%。而上海SKE1号桩为采用湿磨超细水泥浆液的桩端压力注浆桩,桩径600mm ,桩长45.40m ,桩端持力层为粉质粘土,桩端注入超细水泥量1900kg ,其单方极限承载力Q u V 较SKS31号未注浆桩(桩径850mm ,桩长44.60m ,桩端持力层为砂质粉土)增幅131%。上述4根桩的Q -s 曲线见图3。

图3　SK 与TG 工程试桩Q -s 曲线

1-TG -14号桩;2-TG -24号桩;3-SKS -31号桩;4-SKE -1号桩

3　桩端持力层密实度

张家港ZD -3号和ZD -4号桩,桩径800mm ,桩长23.25m 和25.15m ,桩端土层为稍密夹中密粉细砂,水泥注入量为1450和1350kg ,注浆压力为2MPa 、Q u 分别为1800和3400kg 。同一场地上的ZD85号和ZD161号桩,桩径800mm ,桩长42.62m 和42.50m ,桩端土层为密实粉砂,水泥注入量只有1000kg ,注浆压力亦为2MPa ,Q u 则为5288kN 和8142kg ,这样由于桩端持力层密实度变化和桩长增加,极限承载力大幅度增加(图4)。

图4　ZD 工程试桩Q -s 曲线

1-ZD -3号桩;2-ZD -4号桩;3-ZD -85号桩;4-ZD -161号桩

4　桩端压力注浆装置类型和注浆工艺

桩端压力注浆装置是整个桩端压力注浆施工工艺的核心部件。据笔者收集到的资料可知,至今国内外的桩端压力

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后注浆桩技术(6)———沈保汉

注浆装置有20余种,其中国内有18种,但是各种装置的技术水平参差不齐,技术经济效果相差较大。

图5中乐清ZLG -3号桩,桩径1200mm ,桩长54.00m ,桩体积61.04m 3

,桩端进入卵石层2.2m ,采用简单的桩端压力注浆装置和一般注浆工艺,桩端注入水泥量为2750kg ,注浆压力1.5MPa ,与相应的未注浆桩(ZLG -1号桩)相比,Q u V 的增幅仅27%。而温州WT -6号桩,桩径1000mm ,桩长66.10m ,桩体积51.90m 3,桩端进入卵石层0.25m ,采用应权和沈保汉研制开发的YQ 桩端中心压力注浆装置及YQ 注浆工艺,桩端水泥注入量为1800kg ,注浆压力1.5MPa ,与相应的未注浆桩(WT -2号桩)相比,Q u V 的增幅为84

%。

图5　ZL G 与WT 工程试桩Q -s 曲线

1-ZLG -1号桩;2-ZL G -3号桩;3-WT -2号桩;4-WT -6号桩

如果用每kg 注入水泥量所提供的单方极限承载力Q v c

作为比较标准,以衡量注入水泥量对承载力的贡献率,那么,对于WT -6号桩,Q vc =316 1800=0.176kN (m 3

·kg ),而ZLG -3号桩,Q v c =187 2750=0.068kN (m 3·kg )。由此可见,前者的Q vc 值为后者的2.59倍,从而表明YQ 桩端中心压力注浆装置及YQ 注浆工艺具有显著的技术经济效益。5　桩　长

桩长的变化显著地影响桩端注入水泥量对承载力的贡献率Q vc ,笔者提出Q v c 可如下式表示:

Q vc =

Q u

VG c

(1)

式中　Q vc ———每kg 注入水泥量所提供的单方极限承载力,

kN (m 3·kg );

Q u ———按s -log Q 法确定的单桩竖向抗压极限承载

力,kN ;V ———桩体积,m 3;G c ———水泥注入量,kg 。

对桩端压力注浆桩而言,如果其他条件相同,桩越短,桩端极限阻力所占极限承载力的份额越大,所以极限承载力的增幅也越大,Q vc 值也越大;反之,桩越长,桩端极限阻力所占极限承载力的份额越小,极限承载力的增幅也越小,Q vc 值也越小。

笔者分析了213根桩端压力注浆桩及相应的未注浆桩,结果表明,北京和沈阳地区的干作业长螺旋钻成孔的普通直径(300～425mm )桩端压力注浆短桩(3.50～10.70m ),桩端注入水泥量100～300kg ,其Q vc 值一般为4.92～24.20;而武汉地区的用泥浆护壁法成孔的普通直径(600～700mm )和大直径(800～1000mm )桩端压力注浆长桩与中长桩(56.35～20.10m ),桩端注入水泥量1100～2500kg ,其Q v c 值在0.20～0.74之间。两者对比,综合反映出桩长和桩径对Q vc 的影响。

再以天津地区桩端压力注浆桩为例,为了便于分析,桩径都选用800mm 的,桩端持力层为细粒土(粉土夹粉砂、粉砂、粉质粘土、粉细砂、粉土),都采用同一种桩端压力注浆装置,由图6可以看出随桩长增大,Q v c 值明显减少,即桩端注入水泥量对承载力的贡献率明显减少

。

图6　天津地区直径800mm 的桩端压力注浆桩的Q vc -L 曲线

1-THS -1号桩;2-TC -2号桩;3-TH -10号桩;4-TH -7号桩5-T GH -20号桩;6-TGH -3号桩;7-TG -6号桩;8-TM -3号桩

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 vc 大。以武汉W21-1号、W21-2号和W21-3号桩为例,三者桩长(41.50m )和水泥注入量(4500kg )相同,桩侧土层接近,桩端进入细砂层厚度分别为12.50m 、11.90m 和12.50m 。而前两者桩径1000m m ,后者桩径900mm ,试验结果表明,前两根桩的Q v c 分别为0.0873、0.0956kN (m 3·kg ),W21-3号桩的Q vc 为0.1129k N (m 3·kg ),比前两者的Q v c 大24%。

南通NY -1号与NY -3号桩,桩长(14.00m ),桩端土层相同,桩端均注入水泥浆,注浆压力均为0.5MPa ,前者桩径900mm ,水泥注入量400kg ,后者桩径600mm ,水泥注入量200kg 。试验结果表明,NY -1号桩的Q vc 为0.90kN (m 3·kg ),NY -3号桩的Q vc 为2.19k N (m 3·kg ),比前者增幅143%。7　注浆量(水泥注入量)

在地层土质特性、桩端压力注浆装置型式、桩体尺寸、注浆工艺及注浆压力等条件相同的前提下,对于桩端压力注浆桩而言,注浆量多者承载力增幅也大。

现以两组试桩为例,加以说明。

武汉W4-21号和W4-31号桩,桩径800mm ,桩长46.00m 和46.10m ,桩端进入粉细砂层3.5m 和3.1m ,桩侧土层十分接近。两者均采用桩外侧钻孔注浆法,即成桩后,在桩径外侧沿桩侧周围相距0.3m 处各钻一个直孔,成孔后放

工业建筑　2001年第31卷第10期

入注浆管及注浆装置,进行桩端压力注浆,注浆压力1.5MPa ,W4-21号和W4-31号的水泥注入量分别为1100和1600kg 。试桩结果,极限承载力分别为8580和11220kN ,W4-31号桩的极限承载力比W4-21号桩增幅30.5%,即注浆量多者承载力增幅也大。这两根桩及相应的未注浆桩(W4-2号和W4-3号桩)的Q -s 曲线见图7

。

图7　W4工程试桩Q -s 曲线

—□—W4-2号桩;—◇—W4-21号桩;—△—W4-3号桩;

—×—W4-31号桩

南通NY -1号和NY -2号桩端压力注浆桩,两者桩径900mm ,桩长14.00m ,桩端持力层为粉细砂,注浆压力0.5MPa ,桩端水泥注入量分别为400和285kg 。试桩结果,极限承载力分别为3200和2400kN ,即注浆量多的NY -1号桩　　

的极限承载力比注浆量少的NY -2号桩增幅33.3%。8　注浆压力

注浆压力(指泵送终止压力)对开式注浆工艺的桩端压力注浆桩的极限承载力也有一定影响。

天津TH -7号和TH -10号桩,桩径800mm ,桩长56.00m ,桩端为中密粉砂,桩端注入水泥量500kg ,注浆压力分别为0.3和1.2MPa ,Q u 分别为14000和15000kN ,Q vc 为1.00和1.07kN (m 3·kg ),表明当其他条件相同时,极限承载力Q u 及衡量注入水泥量对承载力的贡献率Q vc 随注浆压力的增大而略有提高。

沈阳SWH -1号和SWH -2号桩,桩径400mm ,桩长8.20m ,桩端进入中密粗砂0.2m ,桩侧土层十分接近,桩端注入水泥量分别为180和200kg ,注浆压力分别为0.9和2.0MPa ,Q u 分别为1130和1280k N ,Q vc 分别为6.09和6.22kN (m 3·kg )。试验结果表明,当其他条件相同时,极限承载力Q u 及衡量注入水泥量对承载力的贡献率Q vc 随注浆压力和水泥注入量的增大而提高。

参考文献

1　卢肇钧,曾国熙,叶政青,蒋国澄.地基处理新技术.北京:中国建筑工业出版社,19

2　程骁,张凤祥.土建注浆施工与效果检测.上海:同济大学出版社,1998

(待续)

(上接第23页)

措施不失为行之有效的办法。针对地震破坏,主要应采取一些能够提高结构整体性、延性的措施,使建筑物不至于在地震的晃动中四分五裂(在混合结构中常见)或骤然失效。抗震设计规范中固然在这方面己提出许多构造措施,但建筑设计千差万别,新的体型层出不穷,设计人员还应该以以往震害的特点为鉴,具体问题具体分析。采取一定的构造措施,防患于未然。此外,在日常使用过程中,常见的许多建筑工程质量问题也可以通过一些构造措施予以减轻,甚至避免。例如,由于温度应力、水泥硬化收缩等引起的混凝土开裂,就可以通过配置适量钢筋得到减轻。6　结　语

概念设计所包括的内容十分广泛,只要是需要设计人员从主观上进行分析、判断,作出选择的地方,就存在概念设计。概念设计的目的是力求使设计方案经济、合理,事实上亦可说是设计者根据经验和专业设计理论,在脑海中进行的一个“优化”过程。这个“优化”的程度以及正确性就要视设计者个人专业基础理论的功底及其分析问题、解决问题的能力

而定,不过最重要的当属设计人员在此基础上设计经验的积累。本文只从某些方面论述概念设计问题,所举例子对经验丰富的设计人员已是耳熟能详。但本文旨在引起设计师、本专业在校学生对基础理

论的重视;另外,抛砖引玉,希望能够激起讨论的热情,促进工程师在概念设计方面的经验交流、积累与总结,使许多资深设计师的宝贵经验成为全行业的共同财富。若能集中这些宝贵的经验,开发出人工智能的概念设计软件,将专家、学者、资深设计人员丰厚的理底和实践经验应用到日常的设计工作中,无疑又将使整个行业的设计水平提到一个更高的台阶上。

参考文献

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2　董建国,赵锡宏.高层建筑地基基础:共同作用理论与实践.上海:同济大学出版社,1997.9

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