在我国, 泥浆护壁钻孔灌注桩是应用最广的桩型之一。具有适用于不同地层条件、桩径桩长变幅大等优点, 是高层建筑、铁路、公路、城市立交桥的传统桩型。从目前的资料来看, 一些桩直径达3m, 桩长超过100m。但泥浆护壁钻孔灌注桩有其自身的缺陷, 如桩底沉渣、桩侧泥皮、桩侧土的松弛和桩端土层的回弹等问题, 这些因素都影响桩的承载力发挥和稳定性。图1为山东某工程灌注桩静载试验曲线, 对图1中Q~S曲线进行分析, 可得出如下结论。

1) 桩的极限承载力不满足设计要求, 设计要求极限承载力标准值为4 400k N, 实测的6根桩仅有1根桩的承载力满足设计要求。在静载检测不合格的情况下, 采用大应变进行扩大范围桩的承载力检测, 共检测30根桩, 平均极限承载力标准值为3 050k N, 均不满足设计要求。

2) 桩的承载力离散性大, 其中03号桩极限承载力为1 760k N, 173号桩极限承载力为2 500 k N, 2号桩极限承载力为3 000k N, 3号桩极限承载力达到4 400k N时沉降仅13mm, 未达到极限承载力。

3) 卸载后桩回弹量小, 仅3mm左右。

针对桩承载力不满足要求的情况, 进行了现场调查, 发现桩土界面存在较厚的泥皮, 约2cm厚, 如图2所示。泥皮的存在降低了桩土之间的摩阻力。桩卸载后未反弹, 说明桩端出现刺入, 推断桩端存在沉渣。由于桩侧泥皮和桩底沉渣, 造成桩的承载力不满足设计要求, 且离散性大。

针对灌注桩的上述一些缺陷, 中国建筑科学研究院地基基础研究所于20世纪90年代初先后研究开发了泥浆护壁灌注桩桩底、桩侧后注浆技术, 目的是减小桩侧泥皮和桩底沉渣的影响, 提高桩的承载力, 降低造价, 减小基础沉降和差异沉降。

灌注桩后注浆分为桩侧注浆、桩端注浆和桩端桩侧混合注浆, 如图3所示。具体施工为:在桩的钢筋笼上安装桩侧、桩端注浆管和注浆阀, 如图4、图5所示。这些装置随钢筋笼一起置入钻孔中, 当桩身混凝土凝固后, 通过注浆管将水泥浆注入桩侧和桩端, 来消除桩侧泥皮和桩底沉渣, 并加固桩端和桩侧土。

注浆后桩的承载力明显提高, 图6为软土地区桩注浆前后Q~S曲线对比。从图中可看出, 注浆后桩的承载力明显提高, 提高幅度可达70%以上, Q~S曲线性状改善, 从陡降型变为缓变型。

图7为北京市好土地区桩注浆前后Q~S曲线对比, 从图中可看出, 桩的承载力提高70%以上。灌注桩承载力提高的主要机理如下。

在桩侧和桩底高压注入水泥浆后, 桩与土的结合状态改善, 桩侧泥皮被固化, 如图8所示, 并起到一定的扩底和扩径效应。

桩端注浆能明显改善桩端土的性质, 图9为注浆前后桩端土变化图片。对于粗粒土 (卵砾、粗中砂) 因渗入注浆被胶结, 形成类似低强度等级混凝土;对于细粒土 (黏性土、粉土、粉细砂) 因劈裂注浆形成加筋复合土, 如图10所示。桩底注浆不仅增强端阻力, 而且使桩底以上10~20m侧阻力增强, 桩侧注浆不仅增强侧阻力, 而且起封堵作用, 提高桩底注浆效果。

通过对工程经验应用的总结, 灌注桩后注浆具有以下优点: (1) 构造简单、便于操作、附加费用低。灌注桩后注浆只需在钢筋笼上附几根注浆管和对应的桩侧、桩端注浆阀, 然后随钢筋笼一起放入孔内, 待桩身混凝土凝固后, 注入水泥浆即完成注浆工作。注浆装置简单、施工便捷, 注浆增加的附加费用低。 (2) 承载力增幅大、造价降低。一般灌注桩经后注浆处理后, 桩的承载力最低可提高40%以上, 最高可提高100%, 且桩的承载力稳定, 离散性低。由于承载力的提高, 可较大幅度降低造价, 减少桩数, 缩短工期。 (3) 能有效减小基础沉降。由于注浆压入的水泥能有效加固桩端、桩侧土, 改善桩土结合状态, 因此桩基础的沉降小, 沉降稳定速度快。图11为中国天津国际航运大厦基础沉降曲线, 该建筑物位于软土地区, 总高度148m, 采用灌注桩后注浆, 竣工后实测最大沉降39.7mm, 基础挠曲度ΔS/L=0.2‰ (基础两端沉降平均值和基础中间最大沉降的差值与基础两端之间距离的比值, 下同) 。

图12为北京盛福大厦沉降曲线, 采用灌注桩后注浆后, 沉降仅29mm, ΔS/L=0.79‰, 且沉降稳定快。

灌注桩后注浆经常出现的质量问题是后注浆桩承载力不满足设计要求, 图13为郑州某项目灌注桩经后注浆处理后静载曲线, 该项目桩径600mm, 桩长19.3m, 采用桩端后注浆, 设计极限承载力5 400k N。从曲线可看出, 有2根桩承载力满足设计要求, 另一根桩不满足设计要求。

图14为南京某项目后注浆与不注浆的比较曲线, 该项目桩径800mm, 桩长41.5m, 采用桩端后注浆, 设计极限承载力26 000k N。E1为后注浆桩, E2为常规桩, 从图中曲线可看出, 当加载到最后一级荷载时, 2根桩都出现了刺入, 说明注浆未起到对桩端沉渣和土的加固作用。

如何达到注浆效果, 使桩的承载力满足要求, 除满足JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》和设计人员对注浆压力、水泥注入量、水灰比和施工顺序的要求外, 对于规范中未提到的问题, 结合多年后注浆的经验, 总结施工中应注意以下环节。

一些施工单位注浆管的连接采用丝扣连接, 即在注浆管两端套丝后, 采用丝扣进行连接, 如图15所示。但在一些工程中发现, 当钢筋笼较长、配筋较低时, 起吊过程中钢筋笼的弯曲容易造成丝扣连接的开裂, 水泥浆液从断裂处冒出, 未加固到设计指定的位置 (如桩端部位) , 影响注浆效果, 极有可能造成桩承载力不满足设计要求。为避免此类情况发生, 建议注浆管的连接采用套管焊接, 如图16所示。

注浆管和钢筋笼连接可采用焊接和钢丝绑扎, 焊接施工不当容易造成注浆管出现小的孔洞, 泥浆从小孔洞进入注浆管, 沉淀到底部堵塞注浆阀, 造成注浆困难甚至不能注浆。因此, 注浆管和钢筋笼的连接最好采用钢丝绑扎。

注浆阀的安装应在钢筋笼吊起、保持垂直放入孔之前安装, 否则吊装、运输钢筋笼过程中易造成注浆阀破坏。另外, 工程中还发现, 一些注浆管内存在少量铁锈, 当垂直吊起后, 铁锈会集中落入并堵塞注浆阀, 造成水泥浆不能注入, 桩承载力不满足要求。

钢筋笼应沉放到孔底, 不得悬吊, 否则混凝土包裹注浆阀后, 注浆阀可能打不开, 造成注浆不能顺利进行。另外, 钢筋笼悬吊会影响桩端注浆的效果。

钢筋笼放入孔后, 应用探绳检查注浆管是否漏水或漏浆, 如出现漏水或漏浆的情况, 应将钢筋笼吊起, 找出漏水点并修复后, 重新将钢筋笼放入孔内, 并再次检测, 合格后方可灌注混凝土。

注浆管检测合格后应及时用管帽封闭保护, 避免异物进入堵塞注浆管。注浆管一般伸至施工作业面, 应注意保护, 避免施工设备移动等造成注浆管的破坏。实际工程中可将注浆管顶部位于地下200mm处, 注浆时人工开挖寻找注浆管。

注浆顺序对注浆效果有影响, 应先进行外围桩的注浆, 再进行内部桩的注浆, 避免水泥浆液向外围扩散。

当基坑降水和后注浆同时施工时, 应分析降水产生地下水的流动是否会带走水泥浆液, 如带走水泥浆液则影响注浆效果, 可能造成承载力不满足要求。若降水可能对注浆效果产生影响, 应避免同时施工。

JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》中6.7.5条规定“注浆作业与成孔作业点的距离不宜小于8~10m”, 但在实际工程中发现, 在一些情况下, 如桩端为卵石层时, 注浆可扩散到20m以外。当采用泥浆护壁钻孔灌注桩时, 泥浆的循环会带走水泥浆, 影响注浆效果。

所谓“清水开塞”是指混凝土无强度前, 首先注入清水打开注浆阀, 目的是保证注浆阀能在注浆时打开。此方法在一些地区有应用, 但JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》未推荐。根据100多万根桩后注浆的经验, 如按相关规范规定和上面9) 条的做法, 无需清水开塞, 注浆阀都能打开。“清水开塞”最大的问题是清水注入过程的控制, 如水量控制不好或注浆管内的水渗入桩端, 会影响混凝土质量, 而注浆能否修复混凝土还存在很多不确定性。

除桩承载力不满足要求外, 注浆压力过大还可能造成桩的抬升、边坡失稳、地下设施的破坏等工程事故, 施工过程应根据具体情况, 采取监测等措施。

施工是决定后注浆效果的关键因素, 为避免出现后注浆桩承载力不满足设计要求的质量问题, 施工除满足规范和设计要求的水灰比、水泥注入量和注浆压力外, 还需在注浆管连接与绑扎、注浆阀安装、钢筋笼沉放、注浆管检测、注浆管保护、注浆实施的各个施工环节严格控制。