在桩基础施工中受地层结构、地质条件、施工等因素的制约, 部分桩基桩底沉渣较厚, 有的桩身混凝土存在离析、蜂窝、沟槽、局部胶结性较差的现象, 成为了缺陷桩, 从而必须对此类桩进行加固处理^[1,2,3]。高压旋喷注浆法是一种经济适用的方法^[4,5], 但常用的注浆液采用普通硅酸盐水泥, 凝结时间慢, 强度低, 而低碱度硫铝酸盐水泥具有早强、高强的特点, 其3d强度相当于同等级硅酸盐水泥的28d强度;抗渗、耐腐蚀性能大大优于普通硅酸盐水泥。因此, 研究这种水泥浆液高压旋喷注浆法处理桩缺陷的施工技术有着非常重要的实际意义。

合景天峻广场二期采用旋挖钻孔灌注桩, 总桩数220根 (28, 29号楼及地下室) , 其中桩径800mm共39根、桩径1 000mm共67根、桩径1 200mm共114根, 桩长24~30m。按设计要求持力层为石灰岩:桩径800mm入石灰岩≥1.6m, 桩径1 000mm入石灰岩≥2.0m, 桩径1 200mm入石灰岩≥2.4m, 灌注混凝土强度等级均为水下C40。现桩检测基本已完成, 大部分桩身质量评定为I, II级, 个别桩为Ⅲ, Ⅳ级, 部分桩底沉渣厚度超过规范要求, 对于不满足设计要求的缺陷桩, 项目采用高压旋喷硫铝酸盐水泥浆液处理桩缺陷施工技术进行补强加固, 经低应变及静载检测, 均达到要求。缺陷桩重新达到设计要求, 取得了良好的效果。

本工程为旋挖钻孔灌注桩, 桩缺陷存在于地下, 实际施工中面临无法看清具体缺陷位置、桩底沉渣清洗半径不能确定达到桩身半径等难题, 该施工技术具有以下特点。

1) 低碱度硫铝酸盐水泥注浆, 具有早强、高强的特点, 其3d强度相当于同等级硅酸盐水泥的28d强度, 且抗渗、耐腐蚀性能大大优于普通硅酸盐水泥。

2) 以高压设备使水压达到25MPa以上, 形成高压射流对桩底沉渣、缺陷段的松散物及持力层中的裂隙填充物进行旋喷切割。

3) 利用桩芯原抽芯孔, 在桩中布置1根高压旋喷桩, 再在灌注桩周围离桩边30cm处均匀布置3根高压旋喷桩, 形成一个品字形及中心结合的布孔方式。

4) 注浆时自下而上进行, 喷嘴由孔底旋喷直至孔口返水泥浆流出后, 边旋转喷浆边提升钻杆, 同时严格按照高压旋喷注浆技术参数确定的提升速度提升钻杆。

高压喷射注浆就是利用钻机在桩上已抽芯的孔洞、把带有喷嘴的钻杆插至桩身的预定位置后, 先以高压设备使水压达到25MPa以上, 形成高压射流对桩底沉渣、缺陷段的松散物及持力层中的裂隙填充物进行旋喷切割, 使软弱物质脱离桩体, 在水气混合流作用下, 双重管在慢慢的提升过程中, 使搅拌的重力物质下沉, 填充有效的切割空间, 较细小的颗粒由水置换将其带出地面, 如此重复循环运作。待清洗干净后, 将注浆管插至桩底, 再用25MPa以上的高压射流, 将高强度的硫铝酸盐水泥浆液从喷嘴喷射, 而细小的土粒和清洗残余物在喷射流的压力等作用下, 返出到孔口外, 使水泥浆与混凝土体、持力层牢固凝结, 形成水泥圆柱体, 同时一部分水泥浆喷射至桩侧的土层中, 增加了桩身的摩擦力, 达到处理桩底沉渣及加固补强的目的, 从而提高桩基承载力。

反铲挖掘机将场地平整, 保证钻机所处地面平整无沉陷。利用桩芯原抽芯孔, 在桩中布置1根高压旋喷桩, 再在灌注桩周围离桩边30cm处均匀布置3根高压旋喷桩, 形成一个品字形及中心结合的布孔方式。高压旋喷桩布孔如图2所示。

水压:采用能破坏桩身夹泥、蜂窝等桩身软弱混凝土或桩底沉渣的出水压力 (≥25MPa) , 若在强度较大的强风化软弱夹层结构, 如破碎岩, 压力应选择28~35MPa。

空气:气压一般为0.5~1MPa, 风量0.7~3.0m³/min, 风量太大而水量不足排渣效果不理想。

水流旋喷速度:提升速度一般较小, 为5~15cm/min, 速度慢清渣能力明显增大。旋转速率为10~12r/min, 应与提速相对应。

浆液旋喷速度:提升速度一般为5~10cm/min, 旋转速度10~15r/min。

桩周围钻点采用工程地质钻孔, 钻机钻头对准钻点, 现场管理人员确认无误后方可开钻。开始钻进时, 适当控制进尺速度, 低档慢速钻进。钻进过程中, 操作人员需时刻注意钻机状态, 发现异常情况立即停止钻进;如有钻偏、卡钻、钻到钢筋等情况出现, 可经过协商换另一钻点进行钻孔。钻孔深度为桩底沉渣底部直至完整的中风化岩层, 孔径为91mm。每个钻孔承担的旋喷直径为0.8~1.2m。

采用高压旋喷机, 利用高压水流的冲击力进行清孔, 依次从上至下, 直至桩底沉渣段处。当遇到桩身夹泥、蜂窝等缺陷段及桩底沉渣段时, 清洗返出的水为泥浆或浑浊水。清洗的目的是将桩身缺陷段和桩底沉渣段清洗干净, 以形成可灌性好的空间。在深度上从桩顶穿过沉渣段至完整的中风化层岩面, 在水平方向保证不小于桩底截面。清洗用自来水。每根桩清洗时间2~3h, 清洗至返出的水流干净或基本不含泥砂为止。

低碱度硫铝酸盐水泥属于特种水泥, 具有早强、高强的特点, 且有不断增长的后期强度。而在低碱度 (p H值≤10.5) 条件下, 水泥中的成分钙矾石的生成速率越慢, 水泥的膨胀量越小, 强度越高。低碱度硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥强度对比如表1所示。

在清孔完成之前配制水泥浆液, 浆液水灰比采用0.6~0.8, 如遇特殊情况可以适当调试。使用普通搅拌机搅拌, 纯水泥浆搅拌时间≥3min。

采用高压旋喷注浆, 钻头下沉到成孔深度后停止钻进, 接通高压水管、空压管, 启动高压清水泵、泥浆泵、空压机并控制好仪表压力, 高压泥浆泵压力增加到25MPa以上, 注浆时自下而上进行, 喷嘴由孔底旋喷直至孔口返水泥浆流出后, 边旋转喷浆边提升钻杆, 同时严格按照确定的提升速度提升钻杆。返浆达到接近进浆浓度并且返浆中无其他桩底杂物时停止注浆。注浆过程中出现压力上不去或者压力突然上升的情况时, 立即停止施工, 解决问题后方可重新注浆施工。

1) 为了解喷射注浆固结体的性质和浆液的合理配方, 必须取现场各层土样, 在室内按不同含水量和配合比进行试验, 优选出最合理的浆液配方。在正式施工前现场进行喷射试验, 查明喷射固结体的直径和强度, 验证设计的可靠性和安全性。

2) 场地必须平整, 施工中钻机安放平稳, 保证不发生晃动。钻杆保持垂直, 其倾斜度应≤1.5%。

3) 严格保证清洗力度, 一方面保证足够的清洗时间, 另一方面确认清洗返回水流中不含泥砂或很少泥砂时才停止清洗, 清洗时严格控制各种参数, 现场管理人员对其进行随机抽查。

4) 为切实保证注浆压力, 在喷射注浆前要检查高压设备和管路系统, 设备的压力和排量必须满足设计要求, 管路系统的密封圈必须良好, 各通道和喷嘴内不得有杂物, 保证单个钻孔清洗范围直径≥1 000mm。

5) 喷射注浆过程中, 严格控制各种参数。注浆时严密监测场地情况, 发现有窜孔、冒浆、漏浆、孔口涌水、吸浆量大等情况时, 应及时停止注浆并向相关人员上报。

6) 保证注浆过程, 若因故中断时, 应按下列原则进行处理: (1) 尽可能缩短中断时间, 及早恢复注浆。中断时间超过30min, 应设法处理至原孔深, 恢复注浆。 (2) 恢复注浆时, 开始应用最大水灰比的浆液灌注, 若吸浆量与中断前相近时, 即采取中断前的水灰比;若吸浆量比中断前减少, 则应相应加大浆液浓度。 (3) 恢复注浆后, 如果吸浆量比中断前减少很多, 且在极短时间内停止吸浆则认为该浆段不合格, 应重新开钻进行注浆。

按规范JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》及参考文献[5]的要求, 对本工程处理后的工程桩进行检测, 共选取12根桩进行静载试验, 选取的试验点在平面上分布均匀、合理。经检测, 本工程桩静载试验荷载值满足设计及规范要求, 完全合格。

对建成后的建筑物经过3年多的观测, 数据表明, 其沉降变形值均在规范允许范围内, 表明建筑物沉降已完全趋于稳定, 满足规范和设计要求。

1) 本施工技术适用于桩身、桩底质量缺陷处理补强加固, 基坑止水帷幕, 改善边坡土体的稳定性, 以及既有建筑和新建建筑的淤泥、淤泥质土、素填土和碎石土等地基加固处理, 形成复合地基等工程。

2) 直接利用抽芯钻孔进行清洗与注浆, 绿色环保, 补强加固速度快, 工期短, 成本低。

3) 高压喷射注浆全套设备体积小、机动性强、占地少, 施工简单方便, 适用于狭窄、低矮等各种场地施工, 具有较高的应用推广价值。

4) 采用低碱度硫铝酸盐水泥解决了普通硅酸盐水泥凝结时间慢、强度低的缺点, 抗渗、耐腐蚀性能良好, 对缺陷桩补强加固的质量起到关键作用。