一种上覆夹隙地层基桩的桩端后注浆加固结构及施工方法

技术领域

本发明属于建筑施工领域，具体涉及一种上覆夹隙地层基桩的桩端后注浆加固结构及施工方法。

背景技术

钻孔基桩作为一种施工简单，承载性能较好的基础型式被广泛应用于各类工程。但是，受地质条件、地勘资料、施工条件及人为因素等影响，钻孔基桩成桩质量难免存在不同缺陷和问题。例如端承桩的嵌入深度达不到设计要求，桩端未有效地嵌入持力层一定深度，造成单桩承载力降低，进而无法正常使用。同时，由于钻孔基桩成孔工艺的本身缺陷，桩端沉渣和桩周泥皮等问题时常难以避免，以及施工过程中桩端地层的结构扰动和应力释放，桩端所在持力层的承载性能因此折损，从而导致端阻力和侧阻力显著降低。为了解决端承桩的嵌入深度不足及持力层地层强度折减问题，各类方法技术不断被提出和应用，取得了一定的工程处理效果。其中，桩端后注浆技术作为增加桩端面积和提高桩端单位面积阻力的方法，可以显著提高桩的承载性能。但是，后注浆技术在不同工程中存在各类注浆失效的现象，使后注浆的效果无法保证。其中，对于桩端持力层上覆夹隙性地层而言，在对桩端持力层注浆时浆液会朝着夹隙发育的上覆地层而流，即浆液上流，造成持力层不能得到有效注浆，达不到后注浆的预期目标。

另外，注浆达到饱满注浆量和终压状态难以判断，传统后注浆加固技术效果差。具体地，传统的后注浆加固技术，即在桩周围等间距钻孔至桩端深度后埋放注浆管，进行高压注浆。为保证加固效果，后注浆时采用二次复注浆，但是在两次注浆过程中均出现注浆量持续增加，而注浆压力稳定，未见压力上涨情况，即未达到后注浆的饱满注浆量和终压状态。在高压注浆条件下，注浆液未能有效充填持力层，而是充填于桩端上覆的夹隙地层，浆液在场地范围内的上覆夹隙地层发生层流，造成注浆量持续上升，而注浆压力不见增加，由此可见，传统的高压注浆不能完成对桩基土体的加固作业。

因此，针对持力层之上有上覆夹隙地层的情况来说，本领域需要一种新的后注浆加固结构及施工方法。

发明内容

本发明首先提供一种上覆夹隙地层基桩的桩端后注浆加固结构，所述加固结构包括设置在基桩(04)周边位置的加固注浆孔(1)内的充气管(2)、注浆管(3)以及下层混凝土层(4)、中细砂填充层(5)和上层混凝土层(6)，还包括设置在加固注浆孔(1)上方的钢板(7)，所述注浆管(3)的管口设置在持力层(01)中且注浆管(3)用于自加固注浆孔(1)外往持力层(01)中注浆，所述充气管(2)的管口高于下层混凝土层(4)的顶面而低于上覆夹隙地层(02)的顶面，且充气管(2)用于自加固注浆孔(1)外往上覆夹隙地层(02)中充气，所述下层混凝土层(4)、中细砂填充层(5)和上层混凝土层(6)自下而上依次填充设置在加固注浆孔(1)内，且所述钢板(7)于混凝土初凝前覆盖在上层混凝土层(6)上因而钢板(7)与上层混凝土层(6)固结在一起，所述钢板(7)上留有便于注浆管和充气管穿过的通孔，且注浆管穿过钢板后与钢板满焊连接。

本发明中，所述中细砂填充层(5)中填充有中砂和/或细砂。

在一种具体的实施方式中，所述上层混凝土层(6)的厚度为20～60cm，所述钢板为圆形钢板(7)，且其直径比加固注浆孔(1)的孔口直径大10～40cm。

在一种具体的实施方式中，注浆管的管口低于基桩(04)的桩端平面的距离h1为大于等于30cm；下层混凝土层(4)的顶面高于持力层(01)和上覆夹隙地层(02)二者界面的距离h2为10～50cm，优选20～30cm；充气管的管口高于下层混凝土层(4)顶面的高度h3为5～20cm，优选8～12cm；且充气管的管口低于上覆夹隙地层(02)的顶面以下的距离h4为30cm以上。

本发明还提供一种上覆夹隙地层基桩的桩端后注浆加固施工方法，所述方法包括如下步骤：步骤A、钻孔：在基桩(04)周边位置采用钻孔机钻出加固注浆孔(1)，钻孔数量为一个或多个；步骤B、下放注浆管：将注浆管(3)下放至加固注浆孔(1)内，注浆管的管口应至孔底并固定牢靠，且注浆管的管口低于基桩(04)的桩端平面；步骤C、封堵岩层界面：在加固注浆孔(1)内灌注混凝土以封堵孔内的岩层界面；步骤D、下放充气管：将充气管(2)下放至加固注浆孔(1)内，并固定充气管(2)以防止浮动，且充气管的管口高于步骤C中灌注的混凝土的顶面而低于上覆夹隙地层(02)的顶面；步骤E、封孔：使用填料将所述加固注浆孔(1)封住；步骤F、充气压浆：包括同时进行压浆和充气，且充气压力高于压浆压力，所述充气为向上覆夹隙地层(02)中充入高压空气，所述压浆为向持力层(01)中压浆；步骤G、停止充气和压浆：当达到饱满注浆量和终压时停止充气和压浆。

本发明中，所述基桩例如为钻孔灌注桩，具体例如为端承桩或摩擦端承桩。

在一种具体的实施方式中，步骤A中，所述加固注浆孔(1)的孔底达到持力层(01)；且步骤A中还包括清孔步骤，即采用注浆机用低档至快档自注浆管内泵入清水，将加固注浆孔(1)孔内沉积的岩屑、残渣和泥质浑浊水从管外壁排出。

在一种具体的实施方式中，注浆管的管口低于基桩(04)的桩端平面的距离h1为大于等于30cm。

在一种具体的实施方式中，灌注的混凝土为早强型混凝土，使得孔内形成下层混凝土层(4)，且使灌注的下层混凝土层(4)的顶面高于持力层(01)和上覆夹隙地层(02)二者界面的距离h2为10～50cm，优选20～30cm。

在一种具体的实施方式中，充气管的管口高于步骤C中灌注的混凝土的顶面的高度h3为5～20cm，优选8～12cm；且充气管的管口低于上覆夹隙地层(02)的顶面以下的距离h4为30cm以上；步骤C和步骤D之间还包括注浆管压水试验步骤，且压水试验的压力为2～5MPa。

在一种具体的实施方式中，所述填料包括中细砂和混凝土；且步骤E包括先向加固注浆孔(1)中填入中细砂使得孔内形成中细砂填充层(5)，再在孔口下方灌注混凝土而形成上层混凝土层(6)，所述上层混凝土层(6)的厚度为20～60cm，且于该混凝土初凝前在孔口覆盖钢板(7)使得其与下方的混凝土层(6)固定在一起，所述钢板(7)上预留有便于注浆管和充气管穿过的通孔，且在注浆管穿过钢板后将二者满焊；优选所述钢板为圆形钢板(7)，且其直径比孔口直径大10～40cm。

在一种具体的实施方式中，包括先注浆一段时间，优选注浆1～5min，再从充气管中向下注入压力大于注浆压力0.05～0.2MPa的高压空气，且注浆压力不小于1.2MPa。

在一种具体的实施方式中，在基桩周边的多个加固注浆孔(1)中同时进行充气压浆步骤，且优选采用一次性灌注和复注相结合的工艺进行注浆。

在一种具体的实施方式中，当注浆压力随注浆进行呈现由低变高及充气压力持续稳定或充气压力未出现增大的变化规律时，结合设计计算注浆量及实际注浆量比对校核结果，确定判断注浆合格状态。

在一种具体的实施方式中，所述设计计算注浆量的估算公式为：

式中：G-注浆量(m

本发明中，在完成加固施工后，钢板(7)等一般作弃去处理，而注浆管(3)以及充气管(2)则一般会在其中注满浆液后再作弃去处理。

本发明中，所述上覆夹隙地层(02)一般包括卵石层、粗砂层、以及其它种类的石层等，只要该地层的整体孔隙率较大，则可以称为上覆夹隙地层(02)。

本发明至少具备如下有益效果：本发明通过对上覆夹隙地层高压充气和下卧持力层高压注浆相结合的方法，在压力场差作用下可以定向地对持力层进行注浆加固。对采用本发明所述方法加固前后的桩基进行静载试验发现，使用本发明所述结构和方法处理前桩基在未达到设计最大极限承载力前位移快速发展，不符合设计要求。而使用本发明的结构和方法加固后单桩承载力显著提高，静压位移曲线发展平稳，满足设计要求的承载力特征值。工程实践表明，本发明所述方法科学合理，工序简单，取得了良好的处理效果。

附图说明

图1为本发明所述结构和方法的示意图。

图2为灌注桩桩端后注浆前p-s曲线。

图3为灌注桩桩端后注浆后p-s曲线。

图4为本发明所述施工方法的流程示意图。

图中：持力层01，上覆夹隙地层02，细砂层031，粉质粘土层032，饱和粉土层033，粉土层034，杂填土层035，地面036，基桩04，加固用注浆孔1，充气管2，注浆管3，下层混凝土层4，中细砂填充层5，上层混凝土层6，钢板7。

具体实施方式

本发明所述上覆夹隙地层基桩的桩端后注浆加固施工方法具体包括如下步骤：

1)钻孔(或清孔)：在桩头周边平面等间距分别按照先后顺序采用钻孔机钻孔至孔底(根据现场实际桩长确定)。孔底要求到达基础桩持力层面，如注浆孔孔底达不到持力层则需继续下钻至要求深度。对于前期未能成功注浆的孔位进行清孔，具体一并采用注浆机用低档至快档自管内泵入清水，将孔内沉积的岩屑、残渣、泥质浑浊水等从管外壁排出。

且钻孔数量及注浆管和充气管的布设包括：桩端注浆管及充气管数量宜根据桩径大小设置，对于直径不大于800mm的桩，宜沿桩周对称各设置2根；对于直径大于800mm而不大于1600mm的桩，宜沿桩周均匀各设置3根；对于直径大于1600mm而不大于2500mm的桩，宜沿桩周均匀各设置4根；对于直径大于2500mm的桩，宜增加注浆管及充气管数量，且沿桩周均匀布置。

2)下放注浆管：将高压注浆管下放孔内，其管口应至孔底，并固定牢靠，以防后续操作和注浆时管道上浮。注浆管管口应穿透桩端平面，且低于桩端平面不小于30cm。注浆管可用螺牙丝扣连接或外加短套管电焊，连接应紧密且不应焊穿钢管或漏焊。注浆管头的制作可采用单向阀法。

3)封堵岩层界面：向钻孔内灌注早强型混凝土，使灌注面高于持力层和上覆夹隙地层二者界面约20～30cm。

在封堵岩层界面之后以及下放充气管之前还包括注浆管压水试验步骤，以防止混凝土封堵注浆管头，且注浆设计的相关参数也可以根据压水试验的结果做相应调整。具体地，压水试验的压力一般为2～5MPa，压水试验一般直至注浆阀冲开为止，且后续还会进行间歇性地压水，以防止已经开塞成功的注浆孔重新被堵塞。

4)下放充气管：将耐高压充气胶管下放至孔内，其管口应高于上述封堵混凝土上表面10cm左右，且其管口应进入上覆夹隙地层顶面以下不小于30cm，并固定以防止浮动。充气管头的制作可采用打孔包扎法。注浆管和充气管安装时都要严格密封，防止浆液等杂物进入。

5)封孔：先向孔位撒填中细砂，填至距钻孔孔口约40cm时，灌注混凝土。采用圆形钢板封闭孔口，钢板的直径比孔口大20cm，并在封闭钢板相应部位预留圆孔，分别将注浆管和充气管穿过，并将圆形钢板与注浆管满焊以封堵孔口。所述钢板在混凝土初凝之前就放上，使得混凝土硬化后钢板与混凝土固结在一起。所述钢板不会对注浆数据产生影响，但设置钢板能使得加固结构的整体气密性更佳。

6)充气压浆：启动准备相关设备及注浆液，开启注浆阀门先向孔内注浆约2min，开动充气管，注浆压力不宜小于1.2Mpa，向孔内注入压力大于注浆压力约100kPa的高压空气。施工时，沿桩周加固注浆孔同时进行。可采用一次性灌注和复注相结合的工艺进行注浆。注浆材料宜采用强度等级不低于42.5的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，浆液水灰比宜为0.5～0.8。

7)达到饱满注浆量和终压：当注浆压力随注浆进行呈现由低变高及充气压力持续稳定(特别是未出现增大)变化规律时，结合设计计算注浆量及实际注浆量比对校核结果，确定判断注浆合格状态。注浆合格后对浆液进行养护，经检测试验合格后进行验收。

所述设计计算注浆量的估算公式为：

式中：G-注浆量(m

使用本发明所述方法进行加固前后，混凝土灌注桩抗压承载结果的对比分析如下。

具体地，本发明的一个实施例：甘肃省兰州市城关区某改建工程，基础形式为混凝土灌注桩，桩径为500mm和800mm，无扩底，桩端持力层为强风化砂岩层，进入持力层不小于2m。在混凝土灌注桩施工过程中，灌注桩桩端进入持力层深度过小，竖向抗压承载力不满足设计要求，现需对该工程的混凝土灌注桩进行桩端后注浆加固，提高抗压承载力。

该工程的持力层01为强风化砂岩层，其上覆夹隙地层02为卵石层。其具体地层结构见图1，在卵石层上方依次为细砂层031、粉质粘土层032、饱和粉土层033、粉土层034和杂填土层035。由于地勘资料勘探点未在桩基施工范围中，故对其周边地质进行钻孔勘察，发现土样中桩基桩端嵌入持力层深度均未达到设计要求。该工程首先采用了传统的后注浆技术，即在桩周围等间距钻孔至桩端深度后埋放注浆管，进行高压注浆。为保证加固效果，后注浆时采用二次复注浆，但是在两次注浆过程中均出现注浆量持续增加，而注浆压力稳定，未见压力上涨情况，即未达到后注浆的饱满注浆量和终压状态。经现场勘探发现，在高压注浆条件下，注浆液未能有效充填持力层强风化砂岩，而是充填于桩端上部所在的卵石地层，进而采用本发明所述的高压充气后注浆技术来解决该问题。

依据现行规范要求，对该工程的工程桩进行注浆加固前后单桩竖向抗压静载试验。试验方法采用慢速维持荷载法，试验时预计最大加载量3200kN，荷载按10级划分，逐级等量加载。

使用本发明所述方法之前，如表1和图2所示，1号桩(桩径800mm，桩长10.92m)最大加载到1920kN时，桩顶荷载-沉降p-s曲线出现明显拐点，存在陡降段，桩顶沉降量(33.46mm)大于前一级荷载作用下的沉降量(6.04mm)的5倍，且桩顶总沉降量57.79mm；2号桩(桩径800mm，桩长10.85m)，最大加荷量2240kN，桩顶荷载-沉降p-s曲线出现明显拐点，存在陡降段，桩顶沉降量(35.13mm)大于前一级荷载作用下的沉降量(3.11mm)的5倍，且桩顶总沉降量为46.84mm；3号桩(桩径800mm，桩长11.65m)，桩顶荷载-沉降p-s曲线出现明显拐点，存在陡降段，桩顶沉降量(33.44mm)大于前一级荷载作用下的沉降量(3.64mm)的5倍，且最大加荷量2560kN，桩顶总沉降量为48.92mm。3根工程桩桩顶沉降量大于前一级荷载作用下的沉降量的5倍，且桩顶总沉降量均超过40mm，满足终止加荷条件。因此，3根工程桩在自然含水量状态及施工成桩参数条件下，单桩承载力特征值可分别取800kN，960kN和1120kN，均不满足设计要求规定的1600kN。

使用本发明所述方法之后，如表1和图3所示，4号桩(桩径800mm，桩长10.92m)在最大加荷量3200kN条件下，p-s曲线呈缓变渐降型，没有出现明显拐点或陡降段，相对应5号桩(桩径800mm，桩长11.06m)和6号桩(桩径800mm，桩长11.59m)的加载试验结果相同。3根桩的最大加荷量均为3200kN，最大加荷量为设计承载力特征值的2倍。桩端后注浆加固后的3根工程桩的单桩竖向抗压承载力特征值可取极限承载力的1/2，即1600kN，满足设计要求，达到预期加固处理效果。

下述表1为后注浆前后单桩最大加载量及累计位移统计表。

表1

本发明中，为了防止高压注浆时浆液上流至上覆夹隙地层，在注浆管高压注浆的同时，在注浆处的上方通过充气管持续充入压力大于注浆压力的高压空气。高压空气进入上覆夹隙地层，由于上覆夹隙地层(卵石层)的上下地层相对较为密实，进而使高压空气活动于卵石层，并与其下方注浆液的注浆压力形成上高下低的压力场差，使注浆液难以上流，而定向流向加固持力层(强风化砂岩层)，达到加固桩端土体的施工目标。具体在施做时，一般会对加固桩周围的各个加固注浆孔同时充气和注浆，形成环状分布的空气压场，进而提高注浆效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。