注浆加固土体技术

1．3．1　后注浆技术的研究进展

根据有关文献，后注浆技术于1961年在委内瑞拉Marracaibo大桥中首次应用，该工程通过注浆盒对桩端进行注浆。1973年Bolognesi和Moretto采用相同的装置（图1－4）对Parana运河上几百根长75m、直径2m的桥梁桩进行桩端注浆，采用净水泥浆液，浆液水灰比为0．6，注浆间隔12h，每一间隔的最终注浆量根据桩径不同为500～1000kg，直到最终的压力达到10MPa且维持5min或桩顶上抬量达到20mm为止。

图1－4　Parana桩端注浆装置图

1975年，Gouvenot和Gabaix对6根直径660mm、施工于砂土和黏土中的桩进行了试验，土层分布见图1－5。注浆施工分3个阶段进行：初始阶段（浆液自重压力作用阶段）和进行压力注浆的第二阶段及第三阶段。试桩试验与注浆施工相对应，分3次进行，试验结果见图1－6和图1－7。

Gouvenot和Gabaix在总结后注浆试验的效果后得出以下结论：①极限承载力QL的提高幅度达到2～3倍；②屈服荷载QF的变化与极限承载力相同，且比值QL／QF（1．3～1．6之间）与注浆影响无关；③在循环荷载作用下几乎没有残余变形；④极限承载力的提高幅度与存在比例关系，见图1－8，式中V为浆液体积，V0为桩的体积，VP为初始重力注浆消耗的浆液体积。

图1－5　土层分布及桩的布置

图1－6　注浆后的P－S曲线（砂土中）

图1－7　注浆后的P－S曲线（黏土中）

图1－8　极限承载力与关系曲线

英国曾在桥梁工程中应用桩底注浆技术，其灌注桩直径2．0m，最大桩长75m，在注浆施工中采用“注浆盒”装置，固定在钢筋笼的下端，一起下入桩孔中，在混凝土浇灌2天后，利用2～4根注浆管注入浆液，注浆压力为2～10MPa。法国曾对后注浆钻孔桩的侧摩阻力的影响进行了试验研究，注浆后桩的极限承载力提高了1～2倍。德国Biltingert Berger公司曾进行桩侧、桩端后注浆试验研究，提出后注浆的方法：压力腔法、压力箱法、压力柱塞法、喷射浆液法。试验结果表明，桩的承载力明显提高，沉降大大减小。

1983年，Stocker描述了一种袖阀管／压力腔组合注浆装置（图1－9），为了提高桩侧摩阻力，在桩身混凝土浇注1～2天后，以5MPa的压力进行注浆，若需要可重复进行。为提高桩端阻力，间隔相同的时间，以6MPa的压力进行注浆。图1－10为直径570mm的桩在注浆前后的荷载－位移关系曲线，注浆后极限承载力提高1倍。

图1－9　袖阀管／压力腔组合注浆装置（Stocker，1983）

1984年，Sliwinski和Fleming报道了在中东某一场地对两根直径1．5m的桩，一根注浆、一根不注浆得到的对比数据，见图1－11。在相同的荷载作用下，注浆桩的沉降量为8mm，而未注浆桩的沉降量为60mm。注浆后承载性能得到明显的改善。

图1－10　注浆前后桩的P－S曲线

图1－11　U型管注浆前后桩的P－S曲线

另外，Sliwinski和Fleming应用一种U型注浆管，对桩端进行注浆，试验结果见图1－12。

1996年，Thompson介绍了8根采用不同注浆工艺形成的桩的试验结果，其中3根未注浆，1根进行桩端注浆，2根侧注浆，2根桩端桩侧同时注浆，直径皆为550～570mm，桩长6m。侧注浆桩承载力比未注浆桩提高50%～60%，桩端桩侧同时注浆桩承载力比未注浆桩提高100%。

图1－12　直径1．5m桩的荷载－位移关系曲线

我国把后注浆技术应用于桩基础始于20世纪80年代初。1983年，北京市建筑工程研究所在国内首先开发出预留注浆空腔方式的桩端压力注浆桩，并进行了室外试验。1988年徐州市对一住宅楼桩基实施桩端后注浆试验，桩径700mm，桩长14．5m，极限承载力提高110%。20世纪90年代，国内许多地区均进行了钻孔后注浆试验，形成了比较完整的施工工艺，后注浆方法从桩端注浆发展到桩端与桩侧联合注浆；注浆装置也呈现出多样化的发展趋势，由最初的闭式，发展到开式注浆；由以往传统的一次性注浆，发展到循环注浆；由应用于中、小直径的中短桩，发展到应用于超长、超大直径的桩。2003年，循环注浆工艺在国内首次应用于苏通大桥，通过对桩长125m、直径2．5m的桩进行试验，取得成功，并应用于主塔基础。

1．3．2　后注浆对桩承载性能影响的研究进展

目前针对后注浆对桩承载性能影响机理的研究成果主要集中在现场试验研究方面。Stocker（1983）结合工程测试结果讨论了后注浆对灌注桩承载能力的影响。Bruce（1985）总结了后注浆对钻孔灌注桩承载力和沉降性质的影响、极限承载力的提高幅度与浆液体积之间的比例关系。Fleming（1993）分析了桩端注浆方法对钻孔灌注桩承载力和沉降的影响，考虑了桩端注浆时桩体的变位情况，指出注浆桩承载力的提高与桩侧土的作用有关。Mullins等（2006）对桩端后注浆技术在非黏性土中的应用进行研究，认为后注浆桩端部承载力值为桩端承载力标准值乘以端部承载力因子（TCM），TCM由注浆压力及桩体位移确定。Miguel（2005）利用cpt技术，结合荷载传递曲线讨论了轴向荷载作用下后注浆对桩承载性能的影响。Su（2009）针对软黏土持力层经注浆处理后强度的变化进行了研究。Dapp和Brown（2010）对Audubon桥的大直径桩进行桩端注浆前后的承载力对比试验，结果表明桩端阻力提高了2倍多。Raymond和Castelli（2012）通过分析美国大量的工程实例和经验，对桩端后注浆钻孔桩的场地、施工、质量控制以及竖向荷载试验提供了一系列的操作指南和设计指南。

胡春林等（2001）除了考虑桩侧与桩端阻力增大值，同时还考虑了注浆量的影响。王旭等（1998）依据现场试验结果，探讨了桩端持力层为砾卵石层时桩端灌浆钻孔灌注桩的承载特性，结果表明：长径比为54．1～57．1时，桩侧阻力较常规桩提高了2倍，桩的沉降量大幅度减小，桩端阻力存在滞后反应。阮翔等（2009）针对福州地区试验结果，认为桩端后注浆灌注桩单桩极限承载力与挤土桩承载力相似，可参考预制桩（排土桩）承载力计算方法。马天抒等（2009）研究了黄土地区钻孔桩后注浆效果，结果表明：桩侧及桩端阻力较注浆前有显著增长。康景文（2009）等认为桩端敞开式注浆可以取得显著的效果，桩承载力可以提高近50%，但桩侧注浆效果不明显，且无论注浆与否均呈现摩擦桩的特点。邹力等（2010）研究了群桩的后注浆效应，对于深厚软土层中的长、大群桩基础，桩侧注浆与桩端注浆对减小群桩沉降量都有显著的作用，桩端注浆控制沉降效果略优于桩侧注浆。蒋建平等（2009）、张忠苗等（2009）基于超长桩的现场对比试验，分析了超长桩桩端岩土强度提高对桩身总侧阻力的影响，发现桩端岩土强度提高能使超长桩的桩身总侧阻力得到强化。黄生根（2004，2006）结合苏通大桥、新郑黄河公路特大桥、宁波枢纽北环线甬江特大桥以及多栋超高层建筑的静载荷及桩身应力测试结果，对多种条件下超长桩应用桩端后注浆的效果及其承载性能进行了深入分析，结果表明：桩侧阻力与桩端阻力是相互作用的，桩端注浆不仅可提高桩端阻力，还可改善桩侧土和桩土接触面的性质，使桩侧摩阻力也得到提高，且超长桩侧阻力增量对桩极限承载力的贡献大于桩端阻力，即桩端注浆存在大范围的强化效应。