桩底后压浆技术在钻孔灌注桩中的应用及效果
(内蒙古第二电力建设工程有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要： 文章阐述了影响钻孔灌注桩承载力的主要因素及桩底后压浆后可提高桩基承载力的机理、 施工工艺和质量控制要点。通过压浆前后试验测试结果对比，分析了桩底后压浆桩的承载特 性，说明了桩底后压浆技术的有效性和今后发展方向。
关键词：钻孔灌注桩；桩底后压浆；施工方法；提高；承载力
中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号： 1007—6921(2009)12—0057—06
随着我国高层建筑及桥梁工程建设的发展，钻孔灌注桩被广泛应用。由于常规灌注 桩施工过程中不可避免地产生孔底沉渣和孔壁泥皮，降低了桩的承载力。为此，国内外把地 基处理灌浆技术引用到桩基，采取对桩端实施压力注浆措施，即所谓的后压浆技术。钻孔灌 注桩后压浆技术是成桩时在桩底预埋置注浆管路和注浆装置，待桩身砼强度达到50%~75%后 ，通过注浆管路，利用高压注浆泵压注以水泥为主剂的浆液，对孔底沉渣和桩侧泥皮及桩底 桩侧一定范围内的土体进行固化，从而消除传统灌注桩施工工艺所固有的缺陷，以达到大幅 提高桩的承载力、减少沉降量的一种科学先进的技术方法。该项技术适用于泥浆护壁钻、挖 、冲孔灌注桩及干作业钻、挖孔灌注桩等桩基工程。后压浆技术在欧洲已广泛应用，近年来 在我国高层建筑和桥梁工程中的黄河二桥、东海大桥、润扬大桥、苏通大桥、杭州湾大桥等 桩基础中为提高钻孔桩承载力，减少沉降均采用了该技术。
1 机理分析
1.1 影响钻孔桩单桩承载力的主要因素
1.1.1 孔壁完整性差。
1.1.2 孔壁泥皮阻碍桩身混凝土与桩周土体的粘结，起到润滑作用，降低了桩侧摩阻力。
1.1.3 施工中无论怎样二次清孔，孔底残渣仍是不可避免的。孔底残渣是影响单桩承载力 和建筑物、桥梁沉降的最重要的因素之一。
1.1.4 混凝土初灌时，由于导管细而长、落差大，混凝土出现离析现象在桩底部形成“干 渣石”、“虚尖”，影响桩底混凝土强度。
1.1.5 由于桩身混凝土的固结发生体积收缩，使桩身混凝土与孔壁间发生间隙，减少了桩 侧摩阻力。
1.2 加固机理
后压浆技术选用的原材料是水泥浆和相应的外加剂，水泥浆本身与沉淤和泥皮起物理化学反 应而使之固化，使得水泥土的强度得到大幅度提高。在桩底后压浆，浆液首先渗透到最疏松 的桩端残渣间隙中，与残渣相结合，形成了强度较高的结石，消除了桩底沉渣的影响。随着 压力增大，压浆量的增多，浆液会充填到“干渣石”、“虚尖”中去，从而增加桩端混凝土 的强度。当沉渣、干渣石、虚尖的间隙被浆液充满后，浆液将沿桩壁上返，充填于桩身混凝 土与桩侧周围土体间的间隙中，提高混凝土与周围土体的粘结力，从而提高桩身下段桩侧的 摩阻力。
另一方面，随着注浆量的增加及注浆压力的提高，浆液还会不断地向由于泥浆浸泡而松软的 桩底持力层中填充、渗透、劈裂。渗透注浆时，浆液克服各种阻力，渗入地层的空隙或裂隙 中，通过渗透及填充方式充填孔隙，浆液凝固后把土颗粒粘在一起，形成水泥土结石体，在 桩端形成扩大头，增加了桩端承压面积，相当于对钻孔灌注桩进行扩底，从而提高桩底承载 力。劈裂注浆时，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的破坏和扰动，使浆 液沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或空隙张大，形成新的裂隙或 空隙，浆液沿劈裂脉渗透注入地层，使单一介质土体被网状结石体分割加筋成复合土体，提 高了桩端土体密度并能有效地传递和分担荷载，从而提高桩端阻力。
同时，当桩端扩大头不断增大时，渗透能力受到周围致密土层的限制，使压力不断提高，对 桩端持力层起压密作用，提高了土体的承载力，从而提高了桩的承载力。
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2 施工工艺
2.1 工艺流程
2.2.1 压浆管的制作与布置。桩端压浆导管一般运用直径约30～60㎜的标准无缝黑铁管(声测管兼用)，由三部分组成， 第一部分为桩顶至桩底的进浆管，第二部分为横在桩底的由ф8孔、图钉、车胎、防水胶形 成的压浆器，且压浆器布置于桩底并超出钢筋笼底部0.2～0.5m。第三部分为由桩底回到桩 顶的出浆管。将压浆器的两端采用丝扣的方法接在桩底进出浆管上，使进出浆管与压浆器形 成连通器。视桩径大小采用2～6套连通注浆装备，其中应留有备用装备。进浆管和出浆管应 均匀绑扎于钢筋笼内侧，随钢筋笼下放,逐根用丝扣连接紧密，在下放过程中应注入清水并 检查连接密封情况，若发现漏水应将其提出重接，确保压浆管路密封。压浆导管不宜露出地 表，应低于地表20cm为宜，以免施工时碰断压浆管。压浆导管上端平时用管帽盖好，以免杂 物掉入堵塞而影响压浆。
2.2.2 混凝土浇筑。 当钢筋笼和压浆管下放安置好后，视桩底沉渣情况判断需不需要二次清孔，然后 按要求灌注桩身混凝土。
2.2.3 安装压浆设备，铺设压浆管路。压浆泵可选用BW—150型或泵压值超过10MPa的其他形式的柱塞式泥浆泵。水泥浆搅拌机可选 用自制式搅拌机或自落式JZC—350型搅拌机。地表输浆软管宜选用耐压值超过10MPa的钢丝 编织高压胶管。
2.2.4 压水。为确保压浆管路的畅通，要求桩身混凝土灌注后24h内进行压注清水，疏通压浆通道，冲开 密封的压浆器及包裹在压浆器周围的混凝土覆盖层，如不及时采取措施冲开这些，极易导致 无法压浆。在桩底或桩侧压浆部位如出现扩孔、塌孔或充盈系数较大时，特别注意应提前压 水，压水应在混凝土浇筑完5h左右进行，以确保能冲开较厚的混凝土覆盖层。
2.2.5 水泥浆配置。配置要求：①浆液粘度低 ，渗透力强，流动性好，能进入细小裂缝和粘、粉、细砂层。②可调节并准确控制浆液的凝固时间，以避免浆液流失，达到足时压浆的目的。③浆液凝固时体积不收缩，能牢固粘结砂石；浆液结合率高，强度大。④浆液稳定性好，不离析、不沉淀，货源充足，价格低廉。⑤浆液无毒、无臭、不 污染环境，对人体无害，非易燃易爆物。⑥对于渗透性小的地层宜配制粘度低、稠度小，渗 透力强，流动性好，水泥颗粒细的浆液；对于空隙较大的地层宜配制稠度较大，凝结时间较 短的浆液。
配置水泥浆32.5级～52.5级普通硅酸盐水泥均可使用，为使水泥浆具有良好的和易性、渗透 性及不离析不沉淀，应掺加一定量的减水剂。起始水灰比可配成0.7～0.8,压力正常后逐渐 配成0.5～0.6，水泥搅拌时间不少于2min，浆液进入储浆桶要经过16目纱网过滤。在灌浆过 程中，储浆桶中的浆液要经常搅拌，保持不沉淀。
2.2.6 桩底压力灌浆。
在成桩3～7天内，混凝土强度达到50%～75%后开始压浆，为确保每根桩压浆通畅，要求在压 浆前先压注清水进行清洗压浆管路，然后从进浆口开始向桩底压浆，使浆液和清水从另一出 浆管口排出，直到冒出配置的水泥浆时，关闭出浆管口，并记录白分表的初始读数。为了便 于浆液在土体中渗透扩散，压浆原则上应先低档慢压，浆液先稀后浓，向每根压浆管内均匀 压浆。灌浆速度一般按30L/min控制，由于是高压压浆，为了防止发生损坏桩体及其他质量 安全事故，应使用不大于3MPa的压力进行压浆。
3 施工质量控制
压浆压力、压浆量、压浆速度、桩顶抬升量及其相互间关系是桩底压力注浆施工质量控 制的关键，应根据桩底持力层的地质情况合理选用压力注浆参数。
3.1 压浆压力
施工过程中压力控制，压浆压力与持力层地质情况、水泥浆液浓度有关，在施工中主要 有“一次升压法”和“分级分压法”。一次升压法适用于渗透性较小的砂石层、粘性土层、 粉、细砂层。这些地层主要是剪切劈裂加固方式，浆液在较高压力条件下形成劈裂脉，以脉 状扩散方式形成网状加固结构，达到固化泥土的目的。宜用粘度低，稠度小、渗透力强、流 动性好、水泥颗粒细的浆液，这样浆液可到达预想范围，确保注浆效果。在正常压力下，水 泥浆液压入速度缓慢，可以较快的提高压浆压力达到容许压浆压力；可较多地压入水泥浆液 ，避免一些细小的裂隙在较低的压力下提前被水泥浆封闭，影像压浆效果。分级分压法适用 于渗透性较大的卵石、砂石和砂石层等，这种地层一般空隙较大，浆液的主要作用形式为填 充挤压，填充挤压方式主要在被加固层孔隙较大时，浆液直接填充空隙，挤紧压密较松动的 部分，以达到固结目的。这种地质宜用稠度较大，凝结时间较短的浆液。在正常压力下，水 泥浆很容易压入，说明持力层渗透性大，水泥浆液扩散范围大，这时应该用较低一级的压力 进行压浆，当压浆量逐渐减小时，再加一级压力，逐级升至达到容许压浆压力。为了防止发 生损坏桩体及其他质量安全事故，压浆压力一般不应大于3MPa。
3.2 压浆速度
为了提高压浆渗透分布的均匀性和有效性，压浆流量控制宜小不宜大，压浆速度宜慢不宜 快，应先底档慢压，先稀后浓，起始水灰比可配置成0.7～08，压力正常后逐渐配成0.5～ 0.6，低档慢压即能有效防止压力增大无法压浆的情况，也能防止浆液顺着桩体上窜或从 其他处冒出，使桩端或桩周土体水泥浆液逐步填充，随着压浆量的增加，压力自然形成逐渐 增加的状况。压浆速度一般按30L/min进行控制。
3.3 桩顶上抬量
由于被压浆桩在桩底压力作用下，对桩由下而上施加了一个预应力，能使桩身微微上抬，当 桩在承受竖向荷载时，此反向预应力将承担部分荷载，从而提高单桩承载力。但桩顶上抬量 一定要控制在3mm以内，因为较大的桩顶位移会影响随后桩侧摩阻力的发挥。
3.4 压浆量与终止压浆的控制
3.4.1 压浆总的控制原则是以压浆量为主，压力控制为辅，当压注水泥量达到设计要求， 压力也较大时，稳压5min后方可终止压浆，视为合格。
3.4.2 当压浆量没达到设计要求而泵压值已达到或超过设计压力时,这时不能终止压浆。这 往往是因为操作不当引起的，即压浆刚开始或刚压入部分水泥浆时就挂高档压浆，由于压浆 速度的加快，导致浆液在土体中难以扩散，压力就会立即升高，形成无法压浆的假象。这时 应采取低档慢压，浆液先稀后浓，从另一压浆管或备用压浆管向下压浆，直至满足设计要求 。
3.4.3 当场地附近出现渗浆现象或压浆量满足要求，压力却较小时，不能盲目地认为压浆 量达到要求就中止压浆，此时应采用间隔复压、掺早强剂、封闭渗浆通道等方法，以保证有 效压浆量。
3.4.4 如压浆量未达到设计要求出现浆液冒出地表时应暂停压浆，并将压浆管内的水泥浆 用缓凝型的水泥浆置换出，停置一小时左右再进行复压，如此往复，直到达到设计压浆量。
3.4.5 当上述措施仍不能满足设计压浆量要求，或因其他原因堵塞、碰坏压浆管无法进行 压浆时，可采用在离桩侧壁20～30cm位置打Φ150mm小孔作引孔，埋置压浆管，进行补压浆 ，直至压浆量满足设计要求，当然此时补压浆应大于设计压浆量。
3.4.6 每次压浆结束后，应及时清洗搅拌机，高压压浆管和压浆泵，以免凝固堵塞损坏。
3.5 检验
到龄期后，按设计要求进行承载力试验，检验其单桩承载力是否达到设计要求。
4 应用效果
实践证明，钻孔桩采用后压浆施工技术，其技术效果是非常显著的。部分水泥浆 沿桩土软弱界面上返，甚至可以达10m以上，桩侧硬结土层一般在10cm，局部扩散可达1m以 上〔1〕。对于孔隙率为25%～33%的地基土，化学浆液可以扩散1.8～2.1m，深入到桩 端土层至少1m〔3〕。压浆后承载力提高幅度多数在25%～100%之间〔1、2、4〕，个别采用其他压浆工艺的桩经后压浆后的极限承载力可达到未压浆前的
2.0～3.1倍〔3〕。由试桩测试结果〔2〕提供的数据可知：
由表2可看出，压浆后桩的极限承载力提高幅度为50%～100%，效果显著；压浆量对承载力影 响大，S2、S3桩位于同一场地，桩参数及施工工艺完全相同，压浆量分别为2.5t、4t，压浆 后承载力提高幅度分别为50%、100%。后压浆改善了桩的承载性状，Q～S曲线由未压浆桩的 陡降型转变为缓变型。由S1、S3、N3压浆前后的Q～S曲线可知，Q～S曲线陡降型转变为缓变 型。在相同的荷载作用下，桩端压浆后的沉降减小。
桩端阻力大幅增加，由摩擦桩转变为端承摩擦桩。未压浆试桩下段Q～S曲线在很小的荷载下 出现陡降段，桩端阻力所占比例小、差别很大，变化范围为1.88%～11.68%，说明桩底存在 沉渣(虚土)，且施工质量不稳定。桩底沉渣既降低了桩端阻力，也不利于桩侧阻力、桩端 阻力的共同作用。压浆前，桩端阻力占总承载力的比例为0.6%～11.68%，基本属于摩擦型桩 。由图16～18可看出，桩端压浆可固结孔底沉渣，还可以在压力作用下对持力层进行填充 、渗透、劈裂和挤密桩端土体，桩端土层强度和桩端阻力都大幅度提高，桩端阻力提高幅度 为2.67～25.67倍。同时，桩端压浆减少了普通灌注桩施工质量的离散度，压浆后桩端阻力 占总承载力约为30%(22.14%～34.67%),属端承摩擦桩，即由摩擦桩转变为端承摩擦桩。
桩侧摩阻力大幅提高，由表3可以看出，压浆后整桩桩侧摩阻力提高12.39%～52.87%。桩端 压浆，在桩端以上一定高度内浆液会沿着桩侧泥皮上渗泛出，加固泥皮，充填桩身与桩周土 体的间隙并渗入到桩周土层一定宽度范围，浆液固结后调动起更大范围内的桩周土体参与桩 的承载力，改善了桩土接触面的条件，下段桩侧阻力得到提高。
压浆前后桩的荷载传递特性也受到了不同程度的影响，未压浆桩在桩顶荷载作用下，轴力逐 渐往下传递，侧阻力由上而下逐步发挥，待桩顶位移达到一定程度后，端阻力才开始发挥作 用。而压浆桩在桩端压力作用下，对桩由下而上施加了一个预应力，能使桩身微微上抬， 当桩在承受竖向荷载时，此反向预应力将承担部分荷载，从而提高单桩承载力。同时，桩端 土体及一定范围内的桩周土预先完成了一部分变形，使桩端阻力提前参与了作用，从而较充 分的发挥了土体的强度，可大幅度提高承载力和减少沉降(图9～15)。
上述内容表明，钻孔灌注桩桩端后压浆可明显改善桩端持力层和桩周条件，提高桩端阻力和 桩侧摩阻力，改善荷载的传递性能，大幅提高单桩承载力等。
5 今后发展方向
钻孔灌注桩后压浆技术是一项实践先于理论研究的技术。目前研究主要集中在工艺的 介绍、机理的定性分析、工程实例比较，没有提出合理的理论计算模型，其理论研究有待进 一步完善。目前装端压浆装置形式众多，各单位采用的后压浆工艺、设计方法、操作规程和 质量控制标准都不尽相同，这给后压浆技术的推广应用和质量控制都带来了不利影响，使后 压浆效果也存在很大差异。为今后该技术的推广和便于指导施工与质量控制，还需作大量研 究工作：①进一步优化后压浆施工工艺，进一步优化压浆管路，使其可靠、高效、可多次循 环压浆；建立起一套有效的桩底后压浆施工工艺和检测标准势在必行。②桩端后压浆桩的承 载特性，桩端注浆后，桩侧阻力和桩端阻力都有不同程度的提高。如何通过大量试桩的静载 荷试验及应力——应变测试资料，分析及总结注浆后钻孔灌注桩的承载特性及桩侧摩阻力、 端阻力的分布规律应是我们今后的研究方向。③建立合理的模型来模拟桩端压浆机理，注浆 桩涉及到桩、土及浆液之间的相互作用，而桩、土、浆液三者之间的应力变形是非线形的， 再加上 材料本身的非均质性及其复杂的边界条件，使得用传统方法来模拟桩端压浆，与实 际工程有很大差别，失去了理论指导意义，故需寻求新的合理的数学模型来模拟桩端压浆机 理。④桩端后压浆桩承载力计算公式，由于桩端压力注浆的复杂性，使得桩端压力注浆桩承 载力的计算还不够成熟。目前注浆桩承载力计算方法，只适用于建筑部门中小直径短桩情况 。研究出适用于桥桩的后压浆大直径超长钻孔灌注桩的竖向承载力计算公式，是主要研究方 向之一。⑤桩端后压浆桩群桩效应问题的研究，桩端后压浆对群桩效应的影响以及如何在设 计中考虑群桩效应，都需要进行深入的研究分析。
6 结束语
①应用后压浆技术可以将嵌岩桩变成摩擦桩。众所周知，嵌岩装单桩承载力高且其施工难 度大、费用高。应用后压浆技术，可使非嵌岩桩单桩承载力基本达到嵌岩桩的水平，还可以 缩短桩长或减少桩基数量，从而降低了工程成本和施工难度。 ②后压浆技术为废桩的再利用创造了生机。在桩基工程的施工中，往往会有少量桩由于种 种原因其承载力不能满足设计要求。对这些桩采用后压浆技术进行补救，不仅施工设备简单 ，处理效果好，而且成本低。③桩端后压浆可明显改善桩端持力层和桩周条件，提高桩端阻力和桩侧摩阻力，改善荷载 的传递性能，大幅提高单桩承载力和减少沉降量，且适用于各种土层，技术工艺简单，施工 方法灵活，压浆设备简单，便于普及推广。能够降低工程造价，同时缩短施工工期，具有显 著的经济效益。④由于桩端压浆的复杂性，使其理论还不成熟，对桩端压浆工艺理论和设计方法进行深入 的研究具有重要的现实意义。
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