钻孔灌注桩桩端后注浆桩技术的作用机理分析

钻孔灌注桩桩端后注浆桩技术的作用机理分析

钻孔灌注桩桩端后注浆桩技术能改善土体的物理力学性能及桩土间边界条件，提高桩的承载力，减少沉降量，并提高桩身质量和桩承载力可靠性，因此，是一种科学、先进的技术方法，据此，本文就其具体的作用机理进行了深入地分析，谨供大家作参考之用。

标签：钻孔灌注桩桩端后注浆桩技术；力学和化学机理；扩散机理

1 钻孔灌注桩桩端后注浆桩技术概述

钻孔灌注桩桩端后注浆桩是指灌注桩成桩时，在桩底或桩侧预置注浆管路和注浆装置，待桩身达到一定强度后，通过注浆管路，利用高压注浆泵压注以水泥为主剂的浆液。根据浆液性状、土层特性和注浆参数等不同，压力浆液对桩端沉渣、桩侧泥皮及桩周土体起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结等不同作用，对孔底沉渣和桩侧泥皮进行固化，从而消除传统灌注桩施工工艺所固有的缺陷，改善土体的物理力学性能及桩土间边界条件，提高桩的承载力，减少沉降量，并提高桩身质量和桩承载力可靠性，因此，是一种科学、先进的技术方法。

2 钻孔灌注桩桩端后注浆力学和化学机理

桩端注浆不但使桩端阻力因土层加固而提高，还使桩侧阻力提高，这是因为桩入持力层一般有一定深度，桩底注浆使“嵌岩段”侧阻明显提高，另外，浆液沿桩壁泥皮向上渗透也使部分桩侧土得到加固。

可以看出，桩端注浆作用的机理可分为力学机理和化学机理。桩端注浆的力学机理一般可划分为填充注浆、挤密注浆、渗入注浆和劈裂注浆，对于不同的注浆对象与工艺参数，其力学机理往往是不同的。桩端注浆的化学机理是指化学浆液在桩端发生固结硬化作用，从而提高桩基承载能力。水泥与砂砾石拌和后，水化产生Ca(OH)2和CSH(水化硅酸钙)等水化物。溶液中的CA2+含量增加，与土颗粒发生阳离子交换作用，等当量置换出K+，Na+，形成水泥与砂砾石的团粒结构，并封闭了砾石层之间的空隙，形成坚固的联结，即我们通常所说的混凝土。另外水泥土中的Ca(oH)2与土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3，这种反应也能使砾石层增加强度。

总的来说，浆液加固土体的作用机理可概括为:化学胶凝作用、充填胶结作用、离子交换作用、加筋效应、固化效应。

3 注浆浆液扩散机理

浆液扩散机理随土层类别、性质、浆液粘度、注浆压力及注浆时间、上覆压力、边界条件等而变化，一般可分为填充注浆、挤密注浆、渗入注浆和劈裂注浆四种情况。在实际注浆过程中，浆液扩散并非仅仅一种形式，而是以一种或两种扩散形式为主，其它形式为辅，或同时作用。

3.1 填充注浆

填充注浆是指注入的浆液填充到桩端大孔隙的土层内的注浆形式。如在孔隙较大的卵石层、碎石层、砂砾层中，注浆一般以填充注浆为主，浆液固结形态与土层内原有的孔隙相同。

3.2 挤密注浆

挤密注浆是指注浆时把粘稠的浆液用一定的压力压入到桩底土层内，取代并挤密注浆点的土体，在注浆管端部附近形成“浆泡”。经研究证明，挤密注浆时，向外扩张的浆泡将在土体中引起复杂的径向和切向应力体系，紧靠浆泡处的土体遭到严重破坏和剪切，并形成塑性变形区，在此区内土体的密度可能因扰动而减小;离浆泡较远的土则基本上发生弹性变形，因而土的密度有明显的增加。挤密注浆常用于中砂地基，或有适宜排水条件的粘土地基。

3.3 渗入注浆

3.3.1 原理

渗入性注浆时，浆液在压力作用下，克服浆液流动的各种阻力，渗入到桩底土层的孔隙或岩土裂隙中，排出孔隙中的自由水和气体。浆液凝固后，把土颗粒粘接在一起，形成水泥土结石体，使土层的抗压强度和变形模量得以提高。相对而言，渗入注浆的注浆压力较小，通常只发生于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。

3.3.2 浆液可注的条件

实现渗入性注浆工艺的基本要求是浆材颗粒尺寸应远小于被渗入地层的孔隙或裂隙。当注浆材料的颗粒尺寸d小于土的有效孔隙尺寸Dp，即D=Dp/d>1时，表明土体具有容纳浆粒的空间，浆液才是可灌的。但是在注浆过程中，如果浆液浓度较大，材料往往以两粒或多粒的形式同时进入孔隙，出现“挤粒”现象，导致渗透通道的堵塞。因此，还必须考虑群粒堵塞作用带来的附加影响。

研究表明，设土层中粒径级配曲线中含量为15%的颗粒粒径为D15，浆材的粒径级配曲线中含量85%的颗粒粒径为d85，当N=D15/d85≥5(N值一般为15~25时)，浆材对该土层是可渗透的，可以发生渗入注浆。

对普通水泥浆而言，其颗粒粒径范围为0.06~0.lmm，根据计算公式，土层的渗透系数要求大于5×102cm/s时，浆液才能直接以渗透方式进入土层。工程

实践中，符合上述条件的，仅包括中砂、粗砂、砾石等少数土层。

3.4 劈裂注浆

劈裂注浆是指浆液在压力作用下，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，使其在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孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，浆液进入到孔隙中，形成纵横交叉的脉状网络。在浆液沿劈裂脉渗透注入地层过程中，由于浆液的可注性和扩散距离增大，要求灌浆的压力也相对较高。

劈裂注浆常发生在桩端持力层为细粒土(粘性土、粉土、粉砂、细砂等)时。

4 桩端后注浆法提高桩竖向抗压承载力的作用机理

4.1 桩端持力层为粗粒土时的作用机理

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，由于浆液渗入率高，浆液主要通过渗透进入持力层，并产生挤密、填充及固结作用。浆液凝固后把土颗粒粘接在一起，可以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，从而使桩墓承载力大幅度提高。同时，当粗粒土密实度较大，注浆压力较高时，在桩端注浆过程中桩身还会发生上抬现象，这种使桩上抬而产生的反向摩阻力，这个力的作用对提高桩竖向承载力会有一定的好处。

影响浆液扩散范围的因素有地层的孔隙或裂隙(或渗透系数)、浆液粘度、注浆压力及注浆时间等。

4.2 桩端持力层为细粒土时的作用机理

在细粒土(粘性土、粉土、粉砂、细砂等)的桩端持力层中注浆时，由于浆液渗入率低，浆液扩散形式为劈裂注浆。浆液沿劈裂脉渗透注入地层，因此浆液的可注性和扩散距离增大，在此状态下，由于劈裂浆脉的存在，使单一介质土体被网状结石体分割加筋成复合土体，提高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。

4.3 桩端持力层为基岩时的作用机理

在非渗透性中等以上风化基岩的桩端持力层中，桩端的注浆由于受围岩的约束，压力浆液通过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，甚至会产生劈裂注浆和挤密效应。这对桩基的承载力的提高有着很大的帮助。

4.4 其他作用机理

4.4.1 固结桩端虚土

填充桩端沉渣形成的虚土及受泥浆浸泡而松软的桩端持力层，随着注浆量的增加及注浆压力的提高，水泥浆液的渗透等作用及发生的物理化学反应，在桩端形成一个结构新、强度高、化学性能稳定的梨形结石体。由于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，提高了泥浆护壁钻孔桩的桩端阻力，从而提高桩基承载力。

4.4.2 增大桩端受力面

在水泥浆液的压密作用下，桩端土体受压产生较大的压缩变形，形成水泥土结石体“扩大头”，增大了桩端受力面积，或者水泥浆液渗入地层中网状固结形成了类似“树根桩，，的作用，从而提高了桩的端阻力。

4.4.3 消除桩侧泥皮影响

对于泥浆护壁法施工的灌注桩，压力注浆注入桩端的浆液，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，提高桩侧摩阻力。

4.4.4 形成反向预压力

桩端压力注浆存在着一定反向预压力，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。对桩端处进行压力注浆时，当桩端处的渗透能力受到限制时，形成的梨形体内的浆液压力不断升高，在此高压液体的作用下，将给桩端面施加向上的反向预应力，能使桩身微微向上抬。当泥浆护壁钻孔桩承受向下的竖向荷载时，此反向预应力将承担部分荷载，从而提高单桩承载力。

5 结语

总之，桩端后注浆技术作为一种较为新兴的技术，有着良好的应用价值，能增大桩端受力面、消除桩侧泥皮影响和固结桩端虚土沉渣，提高桩基承载力并减少沉降。但是，由于对其作用机理的研究还不够深入，工程应用与理论研究的结合还不够紧密这些都限制了该技术大范围的推广和应用，今后还需要继续努力研究。