后压浆钻孔灌注桩承载力分析及施工工艺研究

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义
桩基础在我国有着悠久的发展历史，在古代木桩的应用居多，随着社会的发展，人类的需求和住房结构的发展使得原来的桩不能满足承载的需求，上部结构的发展也使得桩基的作用也越来越重要，特别是近代以来桩的型式，工艺都有了突飞猛进的改变，在历史的发展中不断的改进和完善。目前根据不同的资料整理得出了桩的分类，桩可以从不同的角度去分类，最直观的是根据桩径的大小来划分：小直径桩（D<250mm）、中等直径桩（250mm<D<800mm）和大直径桩（D>800mm）；预制桩和灌注桩两类是根据桩的施工工艺不同来分的；木桩、刚桩、钢筋混凝土桩、预制混凝土桩和复合桩是桩的材料不同；圆形桩、方形桩、矩形桩、三角形桩、工字形和多边形桩是截面来分类；锥兴、平底桩、和扩头桩是根据桩的桩尖结构形状划分的；根据桩的受力形式划分为：摩擦桩、端承桩、摩擦端承桩和端承摩擦桩；目前又有根据成桩时桩和土之间的作用效应分为挤土桩和非挤土桩两类。
我国幅员辽阔地质复杂多样，随着建筑物的高度逐渐增加，环保施工理念的意识和要求逐渐提高，对桩的选择增加了越来越多的约束条件，正需要一种桩对不同的地质条件均可选用，施工环保性好，比如施工噪音小，对附近的建筑物产生的影响小，不产生挤土效应。钻孔灌注桩的产生正符合了以上的要求。钻孔灌注桩的施工循序一般是首先采用泥浆护壁法成孔，然后进行清孔清除桩底沉渣,安放钢筋笼下导管,最后浇筑混凝土而成的桩。钻孔灌注桩的优点是在一年四季不管哪个季节都可以施工，无挤土，对不同地质条件和各种不良的土层均可选用，桩径和桩长可随意选用，施工噪音小，桩身刚度大，变形小，能后提供很大的单桩承载力。而到目前由于科技的发展致使其施工机械研究也有了很大的进展，钻孔灌注桩成孔过程可以穿越不同性质的各种土层，大直径和超长钻孔灌注桩的深度可以深达一百米甚至更深。就对于钻孔灌注桩这一特点，其他桩型想要到达如此大的深度是相当困难的。钻孔灌注桩最早被应用在美国,二战以后，全世界各国都致力于经济的发展，因此超高层建筑、大型桥梁、高耸的构筑物很快的崛起在世界各地，钻孔灌注桩的优点使各国普遍的在基础建设中选择了钻孔灌注桩。上世纪我国开始在建设中采用灌注桩，是在桥梁和港口建筑的基础建设中得到应用的，后来我国高层建筑物的迅速崛起对基础的要求越来越高，有很多的都选择用钻孔灌注桩，到了20世纪80年代钻孔灌注桩已经在我国各地得到了广泛的应用。最近几年，钻孔灌注桩在一些特大工程上应用的直径已经达到6m以上，钻孔灌注桩的桩长也超过了150m，例如，在湖南浏阳建造的天马大桥，桥桩基础的桩的直径已经达到8m；在湖南张家界建造的鹭鸶湾大桥，桥桩基础桩的直径已达到5m 。


1.2 后压浆钻孔灌注桩国外研究状况
后压浆钻孔灌注桩最早在 1958 年委内瑞拉的马拉开波(Maracaibo)桥梁基础施工中釆用桩端后注浆技术,对于预制桩釆用钻埋注装管的方法进行底部灌桩,用以提钻孔灌注桩的端承力,其正式报道在1961年从那以后这项技术逐渐的被研究。在施工工艺的研究上 G.Schnitter研究了一种复合工艺桩,该工艺是在空心桩内灌注混凝土,并再养护几天后进行柱端后注浆,使单桩承载力为未注浆单桩承载力的2～2.5 倍。随后在 1976 年 Lizzi 介绍了一种 FCP 桩,这种桩主要采用了一种主要由两块打孔的圆形板和定距块组成的装置采用闭式压浆工艺,通过在威尼斯及罗马-弗洛伦萨高速线桥梁基础的八根桩进行了试验，试验结果表明采用后压浆技术的PFC桩承载力比普通的桩承载力提高了在 2倍以上。在1983年法国工程师发明了一种对桩压浆的预留压力压浆室。该工艺是闭式压浆工艺，应用该方法后在对桩进行压浆时，在第一次压浆后形成一个水泥浆球体，并且球体在逐步膨大时也在挤压周围的土体，如果有需要第二次压浆，那么应局部冲洗封闭室在第一次被压入的混凝土完全凝固到一定程度之前，为形成另外一个适当的空间的压浆室来完成第二次压浆。如需要求可再进行冲洗和压浆，直到最后需要进行的压浆量很少。
上世纪 80 年代,后压浆技术的优点逐步被认识到，国外越来越多的研究人员对后压浆技术做了大量的研究试验和装置开发，使得后压浆技术逐步完善和出现了各种压浆设备，使得对桩的压浆部位不仅能够在桩端压浆也可在桩侧实施压浆。首先 Gouvenot 和 Gabaix对砂土和粘土中的大直径桩采取了后压浆技术试验,总结了后压浆试验效果并发表了后压浆对大直径桩行为影响的试验报告。到了 1986年Bruce 通过总结国外大量的试验结果，在这些实验结果的基础上总结了后压浆钻孔灌注桩的后压浆施工工艺和方法，并叙述了后压浆技术对普通的钻孔灌注桩的单桩承载力和沉降的影响。选砂土层做持力层时对预制桩采取桩端后压浆灌注的破坏形式是刺入破坏和压浆体的劈裂破坏，但采取后压浆技术后预制桩的沉降量明显减小。这是 Osamu KuSakabe在 1994 年对预制桩采用了后压浆技术模拟实验得出的结论。

第2章 后压浆钻孔灌桩注浆理论和作用机理

2.1 后压浆钻孔灌注桩的概念
后压浆钻孔灌注桩是指在钻孔灌注桩成桩待达到一定强度时，用高压注浆设备以一定的压力通过原预先埋设的注浆管道将一定水灰比的水泥浆体压入桩端持力层或者是桩周土体中，使水泥浆液能够消除桩底沉渣和桩侧泥皮并且对在土体中起到渗透、压密、劈裂和固结作用来增强土体的端阻力和摩阻力，进而能够起到提高桩的承载力和降低群桩效应和减少单桩和群桩的沉降量，从而达到增强基础的一种技术措施。
后压浆灌注桩按照不同的方式可以分成不同的类别，按照注浆的部位可分为：桩端后压浆；桩侧后压浆；桩端桩侧联合注浆如2-1图所示。按注浆压力在土体中扩散方式可分为：渗透注浆；压密注浆；劈裂注浆。按后压浆的施工工艺可分为开式注浆和闭式注浆如图2-2所示。按往土层注浆目标分为：黏土中注浆；砂土中注浆；卵砾石中注浆和基岩中注浆。按照注浆管埋设方法[27]可分为：桩身预埋注浆管注浆；钻孔埋管注浆；钻杆注浆法和孔口封闭注浆法。

随着科技的迅速发展，桩基工程的发展也是非常迅速，后压浆的技术应用范围越来越广泛，新的施工工艺不断的涌现，各种新的压浆设备也不断的开发，越来越多的桩基工程采用后压浆技术，后压浆技术在实际工程中得到了越来越多的应用人们也不断的去完善在各个环节实施的后压浆技术，使得在工程中的质量控制越来越完善，管理水平也越来越高。


2.2 岩土介质的渗透性和可注性
渗透是指水在土中的运动，由于各种土的性质是不同的导致液体在不同的土中渗透性也是不相同的。在进行后压浆时压入土中的浆液在土中的流动和扩散的范围都与岩土介质的渗透性有着紧密的联系。有很多的因素都影响着液体的渗透规律比如水流的流动状态、土间隙中液体的性质、土的成分、颗粒的大小、形状以及和液体的相互作用。

决定岩土渗透性大小的首要因素是土孔隙的大小和连通性，再有就是土孔隙度的大小。土颗粒越细，越不均匀，土介质的渗透性就越弱，岩石的裂隙率和岩溶率可表示坚硬岩土的渗透性，所以在同一土层不同的方向上的透水性也是不同的。我们通常用渗透系数k来表示岩土容许水透过的性能见渗透系数表2-1。
浆液能否渗透进土的孔隙和裂隙的可能性被称为土介质的可注性，这种可能性的大小由土的渗透性、浆液的粒度和流变性决定。在理论上浆液可以被压入任何孔隙，但当土层的孔隙非常小而浆液的黏度又非常大那么浆液在土层内的运动速度会非常慢，也会缩小浆液的扩散范围有时还压不进去，不能够改善土层的性质而提高承载力。岩土的可注性理论旨在研究当不考虑浆液液体的粒度和土孔隙间的相互关系，土是不是具有很大的塑性变形是决定是否能够成功注浆的关键因素，当压浆压力比较大时，浆液就会破坏地下土层结构而进入土层。因此土体是否具有可劈裂性和浆液的流动性的大小可决定岩土介质的可注性。研究结果表明土的粒径不相同，注浆浓度也不相同，对土的颗粒较大时可以选择用浓度较大的浆液进行压浆反之对于土颗粒粒径较小时则在压浆时可以选择用浓度较小的水泥浆液。

第3章 后压浆钻孔灌注桩设计方法.................23
3.1 后压浆钻孔灌注桩设计前准备.................23
3.2 后压浆钻孔灌注桩的设计 ..........................23
第4章 后压浆钻孔灌注桩的施工工艺...................30
4.1 压浆系统的组成 ......................30
第5章 工程应用实例...........................40
5.1 工程概况 ............................40

第6章 MIDAS/GTS建模及对比分析

6.1 MIDAS/GTS 软件简述
MIDAS/GTS是一款专业的三维岩土有限元分析软件，它包括非线性弹塑性分析、非稳定渗流分析、施工阶段分析、固结分析、地震分析、动力分析等等是岩土工程方面分析与设计的最佳解决问题之一。它有着能够直观的三维建模、有着多种分析功能和材料的模型、快速的分析速度并且能够生成简洁实用的计算书。

6.2 MIDAS/GTS 软件操作过程
(1)材料属性的定义
在使用MIDAS/GTS 软件建立模型时，必须依照勘察报告中给定的各土层的参数模量，在明白工程的具体实际地质情况，根据实际土层的数据参数来模拟建立土层的模型，以及各种材料单元，根据工程中实际试验得出的参数来定义他们的属性比如重度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量等等正确的参数能够更好的得到正确的实验模拟结果。
(2)建立几何模型
将土层和单元的材料属性定义完成之后就要建立几何模型，建立几何模型一种是根据所确定的坐标来建立所需要的几何模型，另外一种方法是有CAD直接导入几何模型，建立正确的几何模型是模拟分析基础，建立好几何模型后便是进行网格划分。

结论与展望

结论
本文结合邯郸市飞宇大厦桩基工程对运用后压浆工艺提高桩的承载力和降低桩的沉降量的机理、施工工艺等方面的研究并通过使用MIDAS/GTS对同样地质条件同样直径和桩长、同承载力桩在不同桩长桩径的未压浆灌注桩的数值模拟与实际工程中采用后压浆工艺的灌注桩的对比，得出以下几点结论：
（1）泥浆护壁钻孔灌注桩在成桩时往往会产生泥皮和桩底沉渣，这样就在一定程度上降低了桩周土体对桩产生的摩阻力和桩端持力层对桩产生的端阻力进而影响桩的承载力，采用后压浆工艺后便能消除桩底沉渣和泥皮效应进而提高桩的承载力。
（2）压入的浆液在消除桩底沉渣和泥皮后也在土体中向离桩距离更远的土体渗透、压密和产生劈裂加筋效应，从而进一步固结和加固更远的土体增强土体的整体性和强度，使得更远的土体参与对桩产生作用，提高了桩的承载力也极大的减小了桩的沉降。
（3）在采用泥浆护壁成孔时，当遇到不好的土层比会影响成桩的质量，后压浆工艺不仅能够消除泥皮，通过后压浆也会减少这些径缩、桩身离析、夹泥、桩顶浮浆不良现象，大大的提高了成桩的效率及质量。
（4）通过本文用 MIDAS/GTS 软件对未压浆桩进行模拟与实际后压浆后桩的对比，相同桩径桩长在 6000KN 作用下的平均沉降达到 12.86mm，但当桩采用后压浆工艺后桩平均沉降只达到 5.29mm，仅仅只是未注浆桩沉降的 41.1%。从桩的沉降对比上看采取后压浆后对桩的沉降有显著的减小的效果。通过理论计算得出的单桩极限承载力采用后压浆后桩的极限承载力提高了53.6%，在采用后压浆后很大程度上提高了桩的承载力。如果要同样的承载力桩长竟达到 70m，后压浆只需48.5m 极大的缩短了桩长,在预算上每根桩的预算会多出采用后压浆工艺预算的33%，也减小了施工难度。
参考文献（略）