随着土木建筑工程向大型化、群体化发展以及城市改造向高层、超高层建筑发展，各种类型的灌注桩的使用愈来愈多。但单一工艺的灌注桩往往满足不了上述发展的要求，以泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩为例，由于成孔工艺的固有缺陷(桩端沉渣和桩侧泥膜的存在)，导致桩端阻力和桩侧阻力显著降低。为了消除桩端沉渣和桩周泥膜等隐患，国内外把地基处理灌浆技术引用到桩基，采取对桩端(孔底)及桩侧(孔壁)实施压力注浆措施。近30年来这2项技术在我国得到广泛的应用与发展。
我国将注浆技术用于桩基础始于20世纪80年代初，1983年，北京市建筑工程研究所在国内首先研究开发出预留注浆空腔方式的桩端压力注浆桩。沈保汉和曾鸣于1987年研制开发出带活动钢板的预留注浆空腔方式的桩端压力注浆装置。1988年徐州市第二建筑设计院在国内首先研制开发出泥浆护壁灌注桩的预留注浆通道方式的桩端压力注浆技术。
进入20世纪90年代后，桩端压力注浆技术在国内得到蓬勃发展，桩端压力注浆装置形式也有多种。
桩端压力注浆桩基本原理
桩端压力注浆桩是指在成桩后对桩端进行压力注浆的桩型，钻(冲、挖)孔灌注桩待桩身混凝土达到一定强度后，通过预埋在桩身的注浆管路，利用高压注浆泵的压力作用，经桩端的预留压力注浆装置向桩端土层均匀地注入能固化的浆液(如纯水泥浆、水泥砂浆、加外加剂及掺合料的水泥浆、超细水泥浆以及化学浆液等)；视浆液性状、土层特性和注浆参数等不同条件，压力浆液对桩端土层、中风化与强风化基岩、桩端虚土及桩端附近的桩周土层分别起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结或多种形式的不同组合作用，改变其物理化学力学性能及桩与岩、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少桩基的沉降量。
桩端压力注浆桩优缺点
保留了各种灌注桩的优点。大幅度提高桩的承载力，技术经济效益显著。采用桩端压力注浆工艺，可改变桩端虚土(包括孔底扰动土、孔底沉渣、孔口与孔壁回落土等)的组成结构，可解决普通灌注桩桩端虚土这一技术难题，对确保桩基工程质量具有重要意义。压力注浆时可测定注浆量、注浆压力和桩顶上抬量等参数，既能进行注浆桩的质量管理，又能预估单桩承载力。技术工艺简练，施工方法灵活，注浆设备简单，便于普及，适应性广。因为桩端压力注浆桩是成桩后进行压力注浆，故其技术经济效果明显高于成孔后(即成桩前)进行压力注浆的孔底压力注浆类桩。
缺点：
需精心施工，否则会造成注浆管被堵、注浆管被包裹、地面冒浆和地下窜浆等现象。需注意相应的灌注桩的成孔与成桩工艺，确保施工质量，否则将影响压力注浆工艺的效果。压力注浆必须在桩身混凝土强度达到一定值后方可进行，因此会增长施工工期，但当施工场地桩数较多时，可采取合适的施工流水作业，以缩短工期。
桩端压力注浆桩适用范围
桩端压力注浆桩适应性较强，几乎可适用于各种土层及强、中风化岩层；既能在水位以上干作业成孔成桩，也能在有地下水的情况下成孔成桩；螺旋钻成孔、贝诺特法成孔、正循环钻成孔、反循环钻成孔、潜水钻成孔、人工挖孔、旋挖钻斗钻成孔和冲击钻成孔灌注桩在成桩前，只要在桩端预留压力注浆装置，均可在成桩后进行桩端压力注浆。
桩端压力注浆分类
按桩端预留压力注浆装置的形式分类
按桩端预留压力注浆装置的形式有预留压力注浆室、预留承压包、预留注浆空腔、预留注浆通道以及预留特殊注浆装置。
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，至今国内外的桩端压力注浆装置接近30种，其中国内约有20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。
按注浆管埋设方法分类
桩身预埋管注浆法
此法是在沉放钢筋笼的同时，将固定在钢筋笼上的注浆管一起放入孔内；或在钢筋笼沉放入孔中后，将注浆管单独插入孔底；或在钢筋笼沉放如孔中后，将注浆管随特殊注浆装置沉放入孔底。此法按注浆管埋设在桩身断面中的位置可分为桩身中心预埋管法和桩侧预埋管法。
桩身预埋注浆法按注浆循环方式又分为单向管注浆和U形管注浆。
单向管注浆是指浆液由注浆泵单方向注入到桩端土层中，呈单向性，不能控制注浆次数和注浆间隔，注浆管路不能重复使用，如图1(a)所示。
U形管注浆又称循环注浆，是指每一个注浆系统由1根进口管、1根出口管和1个注浆装置组成。注浆时，将出浆口封闭，浆液通过桩端注浆装置的单向阀注入土层中。一个循环注完规定的注浆量后，将注浆口打开，通过进浆口以清水对管路进行冲洗，同时单向阀可防止浆液回流，保证管路的畅通，便于下一循环继续使用，从而实现注浆的可控性，如图1(b)所示。
钻孔埋管注浆法又分为桩身中心钻孔埋管注浆法和桩外侧钻孔埋管注浆法。
桩身中心钻孔埋管注浆法往往在处理桩的质量事故以满足设计承载力要求时采用，成桩后，在桩身中心钻孔，并深入到桩端持力层一定深度(一般为1倍桩径以上)，然后放入注浆管，进行桩端压力注浆。
桩外侧钻孔埋管注浆法往往在桩身质量无问题，但需提高承载力，以满足设计要求时采用。成桩后，沿桩侧周围相距0.2~0.5m进行钻孔，成孔后放入注浆管，进行桩端压力注浆，如图2(b)所示。
闭式注浆将预制的弹性良好的腔体(又称承压包、预承包、注浆胶囊等)或压力注浆室随钢筋笼放入孔底。成桩后，在压力作用下，把浆液注入腔体内。随注浆压力和注浆量的增加，弹性腔体逐渐膨胀、扩张，在桩端土层中形成浆泡，浆泡逐渐扩大压密沉渣和桩端土体，并用浆体取代(置换)部分桩端土层。在压密的同时，桩端土体及沉渣排出部分孔隙水。再进一步增加注浆压力和注浆量，水泥浆土体扩大头逐渐形成，压密区范围也逐渐增大，直至达到设计要求为止。图3为闭式注浆示意图。
把浆液通过注浆管(单、双或多根)，经桩端的预留注浆空腔、预留注浆通道、预留的特殊的注浆装置等，直接注入桩端土、岩体中，浆液与桩端沉渣和周围土体呈混合状态，呈现出渗透、填充、置换、劈裂等效应，在桩端显示出复合地基的效果。图4为开式注浆示意图。
桩端压力注浆桩提高桩承载力的机理
在粗粒土(孔隙较大的中砂、粗砂、卵石、砾石)的桩端持力层中注浆时浆液渗入率高，浆液主要通过渗透、部分挤密、填充及固结作用，大幅度地提高持力层扰动面及持力层的强度和变形模量，并形成水泥土结石体扩大头，增大桩端受力面积，提高桩端阻力。试验结果表明，与相同桩长、相同桩身直径的直孔桩相比，其极限承载力的增幅在50%~260%范围内。
在细粒土(黏性土、粉土、粉砂、细砂等)的桩端持力层中注浆时，浆液渗入率低，如果浆液压力超过劈裂压力，则土体产生水力劈裂，实现劈裂注浆，单一介质土体被网状结石体分割加筋成复合土体；它能有效地传递和分担荷载，从而提高桩端阻力。试验结果表明，与相同桩长、相同桩身直径的直孔桩相比，其极限承载力增幅通常在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。
桩端虚土(沉渣)与注入的浆液发生物理化学反应而固化，凝结成一个结构新、强度高、化学性能稳定的结石体，提高桩端阻力。
随着注浆量的增加及注浆压力的提高，水泥浆液一方面不断地向由于受泥浆浸泡而松软的桩端持力层中渗透，在桩端形成梨形体，当梨形体不断增大时，渗透能力受到周围致密土层的限制，使压力不断升高，压力升高对桩端持力层起到压密作用，提高了桩端土体的承载力。同时，由于在桩端形成了梨形体，增加了桩端的承压面积，相当于对钻孔桩进行“扩底”，从而提高了泥浆护壁钻孔桩的桩端阻力。
在非渗透性中等以上风化基岩的桩端持力层中注浆时，在注浆压力不够大的情况下，因受围岩的约束，压力浆液只能渗透填充到沉渣孔隙中，形成浆泡，挤压周围沉渣颗粒，使沉渣间的泥浆充填物产生脱水、固结；在注浆压力足够大的情况下，会产生劈裂注浆和挤密效应。
对于泥浆护壁法灌注桩，注入桩端的浆液在压力作用下，在桩端以上一定高度范围内会沿着桩土间泥皮上渗，加固泥皮，充填桩身于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，提高桩侧阻力。对于干作业灌注桩，压力浆液在桩端以上一定高度范围内，沿着桩周土上渗扩散(对于粗粒土)或上渗劈裂加筋(对于细粒土)，提高桩侧阻力。
桩端压力注浆使桩上抬而产生反向摩阻力，相当于“预应力”的作用，提高桩侧阻力。
在注浆压力作用下，使桩端压缩变形部分地在施工期内提前完成，减少日后使用期的竖向压缩变形。
桩端压力注浆施工设备与机具
注浆施工设备和机具大体上可分为地面注浆装置和地下注浆装置2大部分。地面注浆装置由高压注浆泵、浆液搅拌机、储浆桶(箱)、地面管路系统及观测仪表等组成；地下注浆装置由注浆导管、桩端注浆装置及相应的连接和保护配件等组成。
高压注浆泵及观测仪表
桩端压力注浆对泵的要求是排浆量要小，而压力要高、要稳。泵的额定压力应大于要求的最大注浆压力的1.5倍，通常选泵的额定压力为6~12MPa，泵的额定流量为30~100L/min。在注浆泵上必须配备有压力表和流量计，压力表的量程应为额定泵压的1.5~2.0倍。
浆液搅拌机及储浆桶(箱)
浆液搅拌机及储浆桶(箱)可根据施工条件选配。浆液搅拌机容量应与额定注浆流量相匹配，0.2~0.3m3，搅拌机浆液出口应设置滤网。
地面管路系统
该系统主要由浆液地面输送系统组成，必须确保其密封性。输送管可采用能承受2倍以上最大注浆压力的高压胶管及无缝钢管等，其长度不宜超过50m。开式注浆输送管与内导管连接处设卸压阀，以便在结束注浆时减压卸除输送管。闭式注浆输送管与内导管连接处设止浆阀，其用途是在结束注浆时达到止浆的目的，以便阻止浆液在腔体弹力作用下回流。如果输送距离过长，还应在桩顶处设一套观测仪表。
注浆导管
注浆导管是连接地面输送管和桩端注浆装置的过渡管段，其材质可为镀锌管、冷轧或热轧钢管及耐压PVC管，一般采用钢管，其连接方式有管箍连接和套管焊接2种。管箍连接简单，易操作，适用于钢筋笼运输和放置过程中挠度不大、注浆导管受力很小的情况；反之则必须采用套管焊接。注浆导管公称直径为25.4~50.8mm，视桩身直径大小取值；当注浆导管兼用于桩身超声波检测时，则其公称直径取大值。注浆导管公称直径为25.4mm(1")时，壁厚为3.0mm左右。
桩端压力注浆装置
桩端压力注浆装置种类众多，以下介绍其中几种。
YQ桩端预留特殊注浆装置YQ注浆系统是由应权和沈保汉于1997年研制开发。YQ注浆系统由桩顶上部的置换控制阀、桩身部分的注浆管、桩端中心调节器以及桩端适量填料等4部分组成，其中，上部置换控制阀和桩端中心调节器为主要部分，见图5。
YQ桩端中心压力注浆装置整个下部2、3、4部分为一不依附于钢筋笼的相对独立体。目前常用的桩端压力注浆装置的注浆管固定在钢筋笼两侧，注浆后在注浆点附近形成哑铃状或椭圆形球体甚至由于两根注浆管不同步注浆造成不规则形状的结石体，于受力不利。YQ桩端压力注浆装置的出浆管设置接近于桩孔中心，从而可基本形成桩端中心注浆，以充分发挥注浆效果.浆液在压力作用下对桩端粗粒土层实施渗透、部分挤密、填充及固结作用，形成接近于球状的结石体扩大头。桩端中心调节器是由金属骨架、网状隔膜，出浆管和核心填料构成的圆环形组合体，可限制浆液无规则地横向流窜，使浆液在压力躯使下合理流动，这样可使桩端土体和桩端以上的部分桩侧土体注浆充分，达到以有限的注浆量来实现最大的注浆效能，从而大幅度提高桩端阻力和桩侧阻力。注浆装置不必依靠惯性下落到桩孔内，而是平稳地放入到桩孔端部处，然后向桩孔端部投入经计算确定的适量填料形成人工营造环境，以确保出浆管不受损害，又不会使其被随后灌入桩孔的混凝土所包裹而造成注浆通路的堵塞，从而获得百分之百的注浆成功率。该注浆装置的注浆通路流畅，不需用高压水冲刷，从而保证浆液的浓度，既适用于泥浆护壁法成孔工艺，也适用于干作业成孔工艺。
当桩身混凝土强度达到75%后，先向桩端注入压力水置换出沉渣和沉淤，接着用稀浆液置换出桩端部及管路中的滞水，最后用优质浆液进行双管齐下同步注浆。
原武汉地质勘察基础工程总公司桩端压力注浆装置该装置有以下特点：注浆管底部设置锥头，可使注浆装置较顺利地插入孔底沉渣和桩端土层中；桩端注浆管为花管，按注浆需要，沿正交直径方向设置4排出浆孔，每排间隔地设置若干个直径8mm的出浆孔，以保证水泥浆液从出浆孔顺利而均匀地注入孔底沉渣和桩端土层中；每个出浆孔处均设置PVC堵塞(又称塑料铆钉)，其外侧设置密封胶套，构成可靠的单向阀座，既可防止管外泥沙的进入，又能使管内水泥浆液顺利排出，还能阻止已压入桩端的水泥浆液回流入管内；径向每排出浆孔间焊有阻泥环，对出浆孔的密封胶套有保护作用；桩端注浆花管采用丝扣连接方法接在注浆导管上，并对称地绑扎在最下面一节钢筋笼的外侧，桩端注浆花管超出钢筋笼底部100~300mm。
工程实践表明，该桩端压力注浆装置的优点是构造合理，使用方便，注浆成功率为100%。
直管桩端压力注浆装置在直管端部沿环向均匀钻4个直径6~8mm的孔，共4排，间距100mm。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；第三层为密封胶带。
U形管桩端压力注浆装置U形管桩端压力注浆装置由直径25mm的钢管弯制而成。在U形管两个直段部分的下侧均匀钻4个直径6~8mm的孔，每个孔单独制作形成一个单向阀。其构成也由三层组成：第一层为能盖住孔眼的图钉；第二层比钢管外径小3~5mm的橡胶带；第三层为密封胶带。
U形管采用直径约为30mm的钢管，由3段组成，即第一段为桩顶至桩端的进浆管，第二段为横穿桩端并用橡胶密封的穿孔管，第三段为由桩端回到桩顶的出浆管。视桩径大小采用2~4副U形注浆管，其中应留有备用U形管。在某些情况下，注浆管可兼做超声波检测管。
热门推荐