超长大直径钻孔灌注桩桩底压浆施工工法

PAGEPAGE2超长大直径钻孔灌注桩桩底压浆施工工法（ERJUGF-2008-028）中交第二公路工程局有限公司（杨红任回兴贺茂生马峰聂青龙孙克强戴国亮张前言桩底压浆是指钻孔成桩后，利用预埋在桩身的压浆管，通过地面压力系统，将以水泥为主剂的固化液（如纯水泥浆、加外加剂及掺合料的水泥浆、超细水泥浆、化学浆液等），经桩端压浆装置均匀地压入桩端地层。根据浆液性状、土层特性和压浆参数等不同，压力浆液对桩端土层、桩端沉渣及桩端附近的桩周土体起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等不同作用，通过改变土体的物理力学性能及桩土间边界条件，从而提高桩的承载力以及减少桩基的沉降量。苏通大桥主墩采用桩长125m、桩径2.5m的钻孔灌注桩。由于受施工工艺的影响，存在诸多的不利于桩基承载力的因素，苏通大桥主墩所处区域地层条件较差，覆盖层厚，为满足设计要求，必须加大桩的直径和桩长。而桩长的增加，将使不利因素更加突出。为保证桩的承载力达到设计要求，确保施工质量的可靠度。中交第二公路工程局有限公司在施工中对超长大直径钻孔灌注桩采用了柱底压浆的施工方法。通过工程实践、研究和监测，表明超长大直径钻孔桩桩底压浆技术较大幅度的提高了桩端承载力，减小了基础沉降，改善了群桩受力特性，具有较好的社会经济效益。故结合我公司多项工程实践，通过研究总结编写成工法。工法特点在正常使用状态下，超长桩呈摩擦桩特性，外荷载全部由桩侧摩阻力承担，桩端阻力不起作用。桩端压浆后，超长桩呈端承摩擦桩特性。桩端压浆后，桩端摩阻力均显著提高，桩承载力明显加强。允许荷载作用下，压浆对群桩作用效果比单桩作用更明显。2.1在桩基钢筋笼上布置压浆钢管，钢管在桩底布设出浆孔。桩基砼浇注过程中保护好管路，砼达到一定强度后，开启压浆管路，实施压浆。2.2压浆设备、施工操作要求较高，现场管路布设要求较高。2.3压浆必须在桩身混凝土强度达到一定强度后方可进行，需延长施工工期。适用范围本工法桩端压浆适应性较大，几乎可适用于各种土层，只要在桩端预留压浆装置，均可在成桩后进行桩端压浆。工艺原理4.1泥浆护壁成孔，成孔质量应满足有关的钻孔灌注桩施工要求。4.2下放钢筋笼及桩端压浆装置。压浆装置绑扎在钢筋笼内侧，随钢筋笼同步放入孔内。4.3按有关规范、规程要求灌注混凝土。4.4进行压浆。当桩身混凝土强度达到一定值(通常为75%)后，通过地面压力系统经桩端压浆装置向桩端土层压浆。4.5卸下压浆接头，成桩。施工工艺5.1超长大直径钻孔灌注桩桩底压浆施工工艺流程图见图5.1-1。图5.1-1超长大直径钻孔灌压桩桩底压浆施工工艺流程图5.2桩底压浆设计5.2.1设计前准备工作桩底后压浆设计前，必须掌握有关的工程地质、水文地质、静力触探、上部结构荷载等技术资料。1、桩底压浆设计⑴合理压浆量（Gcp）按式5.2.1-1确定Gcp=π(htd+ξn0d3)（5.2.1-1）式中h――桩底压浆上返高度（m），取桩端以上10～15m；t――包裹于桩身表面的浆液厚度（m）；d――桩径（m）；ξ――土体容浆率；n0――桩底土的天然孔隙率。⑵压浆工作压力按下式确定pg=pw+ξr∑riLi（5.2.1-2式中pg――泵压；pw――桩底压浆处静水压力；ri，Li――压浆点以上第i层土有效重度（地下水位以下取浮重度）和土层厚度；ξr――压浆阻力经验系数，与桩端桩侧土层类别、饱和度、密实度、浆液稠度、成桩时间、输浆管长度等有关；对于桩底压浆，软土取1.0～1.5，饱和粘性土、粉土、粉细砂取1.5～2.0，非饱和粘性土、粉土、粉细砂取2.0～4.0，中粗砂、砾卵石取1.2~3.0(非饱和状态取高值)，风化岩取1.0～4.0，当土的密实度高、浆液水灰比小、输浆管长度大、成桩间歇时间长时取高值。⑶压浆控制压力按下式确定PgA=G+U∑τpiLi（5.2.1-3式中Pg――泵压；A――桩底支承面积；G――桩身自重（取浮重度）；U――桩身周长；τpi—每层土的上抬单位极限摩阻力；Li――桩侧第i层土厚度。5.3注浆施工主要材料5.3.1水泥浆注浆采用水泥制成的浆液，其主要性能指标要求如下：1、采用Po42.5MPa无结块的双检水泥，水中压浆应采用碱性水泥。2、水泥浆性能要求：初凝时间：3~4小时，稠度17~18秒；7天强度：≥10MPa。外加剂：U型微膨剂（≤5%），膨润土（≤5%）5.3.2管材及其它材料注浆管采用符合GB/T3092-1993、公称直径为25的焊接钢管（黑铁管）。橡胶管：壁厚为1.5mm，直径应小于设计所采用的黑铁管外径。图钉：普通标准图钉，钉帽尺寸应大于注浆管上钻孔尺寸。5.4桩底压浆施工5.4.1压浆前准备工作1、压浆管路应编号并挂标牌明示，压浆管路按编号顺序与浆液分配器对应连接牢固。2、在桩混凝土浇筑完成后24-48小时，由压浆泵用清水将桩端压浆管单向阀冲开，确保压浆管路系统畅通。对于U型管，必须每天打开U管系统1次，开泵压水循环10-15分钟，以促使水化热消散和防止压浆管堵塞。3、压水试验和压浆前，进行压浆管路系统及接头耐压试验。试压操作时，要分级缓慢升压，试压压力宜达到压浆控制压力的1.5倍，停泵稳压后方可进行检查。并认真检查高压设备，确保设备正常运转。4、水泥、外加剂等材料准备充分，压浆前运抵现场，每盘外加剂计量好，装进塑料袋，保证其掺量的准确性。5.4.2浆液的配置1、压浆水泥：采用Po42.5MPa普通硅酸盐无结块的双检水泥，水中压浆应采用碱性水泥。2、水泥浆性能要求：初凝时间：3-4小时，稠度17-18秒；7天强度：≥10Mpa。外加剂：U型微膨胀剂（≤5%），膨润土（≤5%）3、浆液配制程序：先放水，再加外加剂，搅拌均匀后加水泥。4、严格控制浆液配比，搅拌时间不少于2min，浆液应具有良好的流动性，不离析，不沉淀，浆液进入储浆桶时必须用16目纱网进行2次过滤，防止杂物堵塞压浆孔及管路。5.4.3压浆管路布置及桩端压浆管制作1、压浆管布置原则：⑴保证压浆的均匀性；⑵便于安装和保护。桩端水平压浆管用直管代替弯管，可同样保证浆液在桩端扩散均匀，且可避免在桩端投碎石。压浆管采用外径为25mm，壁厚1.5mm的黑铁管。2、桩端压浆管制作要求：直管和U管均能满足使用要求，U管注浆系统由进口管、出口管和桩端注浆装置组成一个循环系统，可多次进行注浆，注浆次数可在一个较大的范围内进行调节。U管的主要特点有：⑴．可控性好。由于U管后压注装置具有进口和出口，每一个回路压完一个循环后，可对桩端注浆器进行冲洗，使桩端注浆装置可根据需要进行多个循环的注浆。⑵.桩端浆液分布均匀。由于桩端压浆工艺分多次对桩端进行注浆，可对桩端沉渣进行冲洗和对土层中局部薄弱面进行充填。在浆液作用下对桩端土层进行挤密，使桩底反向上抬。⑶.提高桩的承载力和可靠性。通过调整循环次数，可控制浆液压力和注浆量，使桩端一定范围的强度和刚度得到充分提高，不但增大端承载力，还同时提高桩侧摩阻力。采用U管在下侧均匀设置钻孔。每个钻孔单独制作，形成一个单向阀。其构成由三层组成：第一层为能盖住孔眼的图钉；第二层为比钢管外径小3-5mm的橡胶带，长度6cm；第三层为密封胶带，盖住橡胶带两端各2cm。其布置见图5.4.3图5.4.3-1a底部弯管图图5.图5.4.3图5.4.33、注意事项：⑴.压浆管于安装前应进行清洗，以清除管内杂物；⑵.制作前，钢管密封部位应用细砂纸打磨；⑶.必须使用新的橡胶带，密封完好、有弹性；⑷.应进行地面试压试验。5.4.4群桩施工压浆顺序控制原则1、总原则：先外侧，后内侧；2、每根桩压浆时，与其直接相邻的桩及与其间隔一根桩的外围桩必须未开钻或灌压混凝土完毕；3、定期上报施工进度，按上述两条原则调整压浆顺序。5.4.5后压浆施工控制1、压浆总体控制原则：实行压浆量与压力双控。2、压浆次序与压浆量分配：⑴．压浆分三次循环；⑵．每一循环的压浆管采用均匀间隔跳压；⑶．压浆量分配：①、第一循环：40%；②、第二循环：40%；③、第三循环：20%。⑷．若发生管路堵塞，按每一循环应压比例重新分配压浆量。3、压浆时间及压力控制：⑴．第一循环：每根压浆管压完后，用清水冲洗管路，间隔时间不小于2.5小时，不超过3小时进行第二循环；⑵．第二循环：每根压浆管压完后，用清水冲洗管路，间隔不小于3.5小时，不超过6小时进行第三循环。⑶．第一循环与第二循环主要考虑压浆量。⑷．第三循环以压力控制为主。若压浆压力达到控制压力，并持荷5分钟，压浆量达到80％，也满足要求。5.4.6后压浆施工要点1、确保工程桩施工质量。满足规范对沉渣、垂直度、泥浆比重、钢筋笼制作质量等要求；安装钢筋笼时，确保不损坏压浆管路，下放钢筋笼后，不得墩放、强行扭转和冲撞。2、压浆管下放过程中，每下完一节钢筋笼后，必须在压浆管内压入清水检查其密封性，若压浆管渗漏必须返工处理，直至达到密封要求。3、压浆管接头可采用丝扣或接箍套节焊。必须保证管路密封，以防泥浆进入管内。4、压水开塞时，若水压突然下降，表明单向阀已打开，此时应停泵封闭阀门10-20min，以消散压力。当管内存在压力时不能打开闸阀，以防止承压水回流。5、压浆工作一般在混凝土浇压完毕后3~7天进行。也可根据实际情况，待桩的声测工作结束后进行。6、压浆管路清洗要点⑴.进浆口压浆时，打开回路的出浆口阀门，先排出压浆管内的清水，当出浆口流出的浆液浓度与进口浆液的浓度基本相同时，关闭出浆口阀门，开始压浆。⑵．每循环压浆完成后立即用清水彻底冲洗干净，再关闭阀门。⑶．U型回路在压浆每一循环过程中，必须保证压浆施工的连续性，压浆停顿时间超过30min，应对管路进行清洗。⑷．每管3次循环压浆完毕后，阀门封闭不小于40min，再卸阀门。7、U型回路每一循环过程中，所有压浆管可同时压浆，但事先应检查各管路是否通畅。8、水泥浆制配时，严格按配合比进行配料，不得随意更改。9、在压浆过程中，若发生不正常现象（如压浆泵压力表越来越高或突然掉压，地面冒浆等）时，应暂停压浆，查明原因后再继续压浆。10、专人负责记录压浆的起止时间、压入的浆量、压力；测定桩上抬量。11、最后一次压浆完毕，必须经监理工程师签字认可后，压浆管路用浆液填充。12、每根桩后压浆施工过程中，浆液必须按规定做试块。5.4.7后压浆施工控制标准实行压浆量与压力双控，以压浆量（水泥用量）控制为主，压浆压力控制为辅。若压浆压力达到控制压力，并持荷5分钟，压浆量达到80％，也满足要求。5.5、堵管补救措施压浆前，畅通管路数不少于3根，压浆量按已通管路数重新分配压入；若只有2个管路畅通，水泥量按计划增加10%，由2个管路均分压入；若只有1个管路畅通，则必须钻通一根声测管，进入桩端土层500mm，作为压浆管，再按只有2个管路畅通情况执行。材料与设备超长大直径钻孔灌压桩桩底压浆施工工法所需配备设备如6-1图所示：图6-1注浆设备布置示意图压浆设备（每班组）：注浆泵（两台，一台注浆，一台清洗），浆液搅拌机，储浆桶，压浆管路，12MPa压力表，球阀，溢流阀，水准仪，16目纱网。注浆泵必须配备卸荷阀，限定压力8~9MPa。注浆泵最小流量不大于60L/min。为确保压浆过程中不因机械事故而停顿，压浆设备必须有备用件。压浆装置：桩端注浆管，桩身竖向浆管。表6。1压浆施工机具设备表序号名称规格要求数量单位备注1压浆泵配卸荷阀，限压8-9MPa；最小流量≤60L/min2台一台压浆，一台清洗2浆液搅拌机1台配套压浆泵使用3储浆桶1个4压浆管路1套5压力表1套6球阀1个7流溢阀1个8压浆管1套压浆装置9导浆管1套10水准仪ZEISSDINI-121台测量监控质量控制7.1质量控制标准7.1.1应遵照中华人民共和国行业标准现行的《公路工程质量检验评定标准》JTGF-80/1—2004（土建工程）的要求执行。7.1.2压浆前准备工作1、压浆管路应编号并挂标牌明示，压浆管路按编号顺序与浆液分配器对应连接牢固。2、在桩混凝土浇筑完成后24-48小时，由压浆泵用清水将桩端注浆管单向阀冲开，确保压浆管路系统畅通。对于U型管，必须每天打开U管系统1次，开泵注水循环10-15分钟，以促使水化热消散和防止压浆管堵塞。3、压水试验和压浆前，进行压浆管路系统及接头耐压试验。试压操作时，要分级缓慢升压，试压压力宜达到注浆控制压力的1.5倍，停泵稳压后方可进行检查。并认真检查高压设备，确保设备正常运转。4、水泥、外加剂等材料准备充分，压浆前运抵现场，每盘外加剂计量好，装进塑料袋，保证其掺量的准确性。7.1.3浆液的配制1、压浆水泥：采用Po42.5MPa普通硅酸盐无结块的双检水泥，水中压浆应采用碱性水泥。2、水泥浆性能要求：初凝时间：3-4小时，稠度17-18秒；7天强度：≥10Mpa。外加剂：U型微膨胀剂（≤5%），膨润土（≤5%）3、浆液配制程序：先放水，再加外加剂，搅拌均匀后加水泥。4、严格控制浆液配比，搅拌时间不少于2min，浆液应具有良好的流动性，不离析，不沉淀，浆液进入储浆桶时必须用16目纱网进行２次过滤，防止杂物堵塞压浆孔及管路。5、浆液由中心试验室根据浆液性能指标进行试验，确定配合比后由施工单位统一使用。7.1.4管路制作布置原则1、压浆管于安装前应进行清洗，以清除管内杂物；2、制作前，钢管密封部位应用细砂纸打磨；3、必须使用新的橡胶带，密封完好、有弹性；4、应进行地面试压试验。7.1.5堵管补救措施压浆前，畅通管路数不少于3根，压浆量按已通管路数重新分配压入；若只有2个管路畅通，水泥量按计划增加10%，由2个管路均分压入；若只有1个管路畅通，则必须钻通一根声测管，进入桩端土层500mm，作为压浆管，再按只有2个管路畅通情况执行。7.1.6后压浆施工控制标准实行压浆量与压力双控，以压浆量（水泥用量）控制为主，注浆压力控制为辅。若注浆压力达到控制压力，并持荷5分钟，注浆量达到80％，也满足要求。7.2质量检验措施7.2.1压浆量与压浆压力应在《桩底后压浆施工记录表》中如实记录，根据设计要求进行验收。对于U型管路，畅通管路不少于3个，定为“合格”；少于3个，定为“不合格”。“不合格”按第7.1第五7.2.2钻孔取芯，在桩身及桩周土体中钻孔取芯，可直观地检验浆液在桩端附近土层中扩散范围及与土层的胶结情况。取芯的桩数量不少于桩总数的2％，且对每个基础不应少于2根，并且必须其中至少一根为角桩。7.2.3地震波及CT检测，检验浆液在整个桩端附近土层中的扩散范围及与土层的胶结情况。CT检测的桩数量不少于桩总数的2％，且对每个基础不应少于2根，并且必须其中至少一根为角桩。7.2.4压浆施工验收时，施工单位应提供以下资料：1、桩位平面图与桩位编号图；2、浆液参数试验报告，浆液试块抗压强度报告；3、后压浆施工记录表。7.2.5灌压桩桩端后压浆的设计与施工除应遵守本工法的规定外，尚应符合现行交通部行业标准《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）的要求。安全措施8.1、遵照中华人民共和国行业标准现行的《公路工程施工安全技术规程》（JTJ076—95）及《公路项目安全性评价指南》（JTG/TB05-2004）的要求执行。8.2、遵照国家颁发的有关安全技术规程和安全操作规程办理。8.3、严格按施工工艺、施工操作规程、施工组织设计有关安全条款进行施工。8.4、建立健全各工地、各施工环境下得施工安全规章制度，做好上岗前职工安全施工培训工作；特殊工种必须持安全考核证上岗，严禁无证操作、违章作业。8.5、施工区设立警示牌，非工作人员严禁进入，防止受到高压浆液伤害。8.6、作业工人应戴好防护眼镜及防护罩，以免高压浆液喷伤眼睛和防止管道发生意外对操作人员的伤害。8.7、应经常检查和维修压浆设备、机具，并建立安全员负责制，对设备、电路等进行全面的检查，对压力表应定期检查、标定，合格后方可使用。环保措施9.1、成立对应的施工环境卫生管理机构，在施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、废水、泥浆等的控制与治理。9.2、各种施工水上设备的废弃物及使用剩余泥浆按相规范及要求集中进行处理，严禁直接排放入江中。9.3、施工现场应及时清理，避免浆液、油污等乱排乱放。9.4、采用声测管作为压浆管，节省钢材。9.5、根据注浆量、配比精确计算水泥投放量，一桩一拌。拌制好的泥浆宜在2h之内压注。节能措施10.1有效减低了钻孔桩的桩长、桩径，节约了施工成本和施工材料。10.2合理配备和使用设备，尽可能做到各环节设备配置相互匹配，降低设备能源消耗。10.3地下工程工程量减少以后，缩短了钻孔施工时间，加快了施工进度。10.4合理布置加工场，形成顺畅的流水作业线，避免反复倒运，节约能耗。效益分析采用桩底压浆工艺的钻孔灌压桩与传统钻孔灌压桩施工方法相比，在成桩质量及经济效益上均有明显提高。以苏通大桥施工实例说明：11.1、质量桩底压浆不仅改善了桩端土的物理力学性能和达到扩底效应，而且同时高压浆液作用于桩端沉渣夹层，两相混合，结合后形成了强度较高的混凝土，消除了桩底沉渣对桩端承载力的影响，减小桩的沉降。11.2、为分析后压浆的经济效益，把砼每万元提供的承载力和后压浆每万元提供的承载力进行对比，数据见下表：桩号桩长(m)桩径(m)体积(m3)压浆量（t）压浆前（kN）压浆后（kN）提高值（kN）砼每万元提供的承载力（kN/万元）后压浆每万元提供的承载力（kN/万元）比值S1841.5148.3653.52400037500135001078.419285.717.88S2691.5121.87132.528000S3691.5121.87134160003200016000875.220000.022.85N3761.8193.29842244004090016500841.541250.049.05SZ21252.5613.28138.696481SZ31062.5520.06251196746SZ41252.5613.281395963810053840900648.322722.235.05注：表中砼价格按1500元/m3，后压浆费用折算成水泥按2000元/t计算。综上所述，采用桩底压浆大幅度改善钻孔灌压桩端阻力，成桩承载力提升明显。单位成本投入创造的施工效果十分明显。对于提高我国超长大直径钻孔灌注桩施工质量具有很大的推广意义。工程实例该工法在苏通大桥、杭州湾跨海大桥、印尼苏拉马都大桥等超长大直径钻孔灌注桩施工中应用成功。12.1苏通大桥为世界第一大跨径斜拉桥，其主墩采用的桩长达125m，桩径2.5m的钻孔灌注桩。苏通大桥试桩经过压浆，桩端阻力和桩侧阻力同时增长，但