高渗透性地层中桩基注浆工艺优化及其对成桩质量缺陷的修复效果分析

引言

随着我国基础设施建设的快速发展，桩基作为深基础的主要形式，在高层建筑、桥梁、港口等工程中得到广泛应用。然而，在高渗透性地层（如砂土、砾石层、裂隙发育岩层等）中施工桩基时，常因地层渗透性强、孔隙率高、地下水活动剧烈等因素，导致桩身混凝土离析、桩底沉渣过厚、承载力不足等质量缺陷，严重影响工程的安全性和耐久性。注浆技术作为一种有效的地基处理与桩基缺陷修复手段，虽已在工程中应用，但传统注浆工艺在高渗透性地层中普遍存在浆液扩散难以控制、加固效果不均、材料浪费严重等问题，亟需进行工艺优化。

一、高渗透性地层桩基注浆机理与质量缺陷分析

（一）高渗透性地层工程特性及其对桩基质量的影响

高渗透性地层（如砂层、砾石层、强风化岩层等）通常具有孔隙率大、连通性好、渗透系数高的显著工程特性，该特性导致其在桩基施工过程中易引发一系列质量问题：首先，在钻孔灌注桩成孔时，泥浆护壁所需的压差难以维持，易发生泥浆漏失和孔壁坍塌，造成扩径、缩颈或充盈系数异常；其次，在混凝土灌注阶段，水泥浆液会大量渗入周围地层，导致桩体本身水泥浆流失，造成桩身混凝土胶结差、强度低、离析甚至断桩等缺陷；最后，桩-土界面处的粗糙度和咬合力也会因混凝土浆液流失而显著降低，严重削弱桩侧摩阻力，从而对桩基的承载能力和沉降控制产生极为不利的影响。

（二）桩基后注浆加固机理分析

桩基后注浆技术是针对性地弥补高渗透性地层桩基缺陷的关键工艺，其加固机理是一个多因素耦合的复杂过程，主要包括渗透、劈裂和压密三种作用形式。在高渗透性地层中，以渗透注浆为主导，浆液在压力作用下克服流动阻力，沿土体孔隙骨架均匀渗入，有效填充桩侧和桩端周围的松散孔隙，形成网状结石体，从而大幅提高土体的密实度和内摩擦角；当注浆压力持续增大至超过地层的初始应力时，浆液将由渗透转为劈裂流动，在土体中形成脉状或片状浆脉，重塑土体结构，并与先期渗透的浆液共同构成一个坚硬的复合加固圈；与此同时，注浆过程对周围土体产生挤压密实效应，使桩-土界面更为紧密，显著增大接触面积。最终，这些机理共同作用，通过提高桩侧摩阻力、桩端阻力和改善桩端持力层性质，实现对桩基承载性能的全面提升和沉降的有效控制。

（三）高渗透性地层桩基常见质量缺陷类型及成因

高渗透性地层中桩基的常见质量缺陷主要表现为以下几类：其一为桩身完整性缺陷，如缩颈、断桩、离析和夹泥，其成因主要是在成孔与灌注过程中，地层大量吸浆导致护壁失效孔壁失稳、混凝土水灰比失控或骨料与浆液分离所致；其二为桩身强度不足，因混凝土中的水泥浆液向地层中大量渗漏，造成桩体本身水泥浆减少、水化反应不充分，从而导致桩身混凝土密实度差、强度低于设计值；其三为承载力缺陷，即单桩承载力无法满足设计要求，其直接成因是桩-土界面因浆液流失而变得光滑、桩端沉渣过厚或因“吸浆”导致桩端混凝土疏松，致使桩侧摩阻力和桩端阻力双双降低，这些缺陷根源均指向高渗透性地层对传统桩基施工工艺的强烈不适性。

二、高渗透性地层桩基注浆工艺优化设

（一）注浆材料优化选择与配比设计

针对高渗透性地层浆液易流失、加固范围难控制的特点，注浆材料的优化核心在于实现“可控性渗透”，通常优选稳定性好、析水率低、触变性强且后期强度高的水泥基浆液，其中超细水泥因其颗粒粒径小、渗透能力远优于普通水泥，成为首选材料；为进一步调控浆液的流变性能和扩散半径，常在浆液中掺入外加剂，如通过添加水玻璃等促凝剂实现速凝早强以控制扩散范围，掺入膨润土或纤维素等增稠剂以提高浆液的滞留率和抗冲刷能力，或使用减水剂来保证高水灰比下的最终强度；在配比设计上，需通过室内试验确定最佳水灰比（通常采用 0.6～1.0 的较大值以保证可注性）、外加剂种类及掺量，最终目标是配制出初始流动性好、便于泵送渗透，随后能快速凝胶固化、形成高强度结石体的复合浆液。

（二）注浆关键工艺参数优化

注浆工艺参数的优化是确保注浆效果的决定性环节，其核心参数包括注浆压力、注浆量与注浆速率。注浆压力的设定需在“劈裂地层”与“过度扩散”之间寻求平衡，初始采用较低压力（如 0.5～1.5MPa）以保证渗透，待压力平稳上升后再逐步提高至终止压力（通常为 2.5～4.0MPa ），该压力需根据桩长、地层渗透性及覆盖土压力进行动态调整，实行“稳压慢灌”而非单纯追求高压；注浆量不应再单一采用“单桩定量”法，而应转变为以压力-流量双控原则，即以设计预估量为参考，以达到终止压力并稳定一定时间（如 5min）作为停止注浆的主要标准；注浆速率则宜采用先慢后快、后期再慢的策略，初始慢速利于渗透排 t ，中期加快以提高效率，接近结束时放缓以便压力传递和判断终止条件。

（三）优化后的注浆工艺流程与控制要点

优化后的工艺流程为“精心准备、分级注浆、实时监控、精准终止”，其核心控制要点包括：首先在准备阶段，需确保预埋的注浆管路系统通畅，并基于地质勘察报告为每根桩制定个性化的注浆方案；注浆启动时机应在桩身混凝土强度达到 75% 以上后进行，以保证桩体自身能承受注浆压力；注浆顺序上普遍遵循“先桩侧后桩端”或“先外围后中心”的原则，以实现由外至内的有效包裹和挤密；在注浆过程中，必须采用自动记录仪对压力、流量与总量进行实时同步监测与关联分析，绘制 P-Q-t曲线，以此科学判断地层吃浆情况、发现异常并及时调整；最终终止注浆应严格满足“压力与稳定时间”双控指标，而非单纯依赖注浆量，注浆结束后立即封闭阀门以防止浆液倒流，确保整个工艺过程的可控、可视与可溯，从而最大化保障注浆加固效果。

三、注浆修复效果综合评价体系与数值模拟分析

（一）注浆修复效果综合评价指标体系构建

为科学、全面地评估高渗透性地层桩基后注浆的修复效果，需构建一个多维度、多层次的综合评价指标体系，该体系应包含施工过程指标、实体质量指标与最终性能指标三大类。施工过程指标是效果预判的基础，主要包括实际注浆压力-流量-时间曲线与设计值的吻合度、总注浆量与预估量的合理性以及有无异常跑浆、压力突变等情况；实体质量指标是效果的直接体现，可通过钻芯取样测定桩身混凝土与浆脉结石体的强度、利用声波透射或跨孔 CT 检测桩身完整性及加固圈的范围与连续性、并通过静载试验前的桩身应力测试反算桩侧摩阻力的增强幅度；最终性能指标是修复成效的终极判据，即通过单桩静载试验获取的极限承载力提升百分比、沉降量及沉降曲线的改善程度（如沉降更趋于线性且缓变）。该综合体系将过程与结果、局部与整体、定量与定性分析相结合，从而实现对注浆修复效果从“过程可控”到“结果可信”的闭环评价。

（二）基于数值模拟的注浆过程与修复效果分析

数值模拟技术作为一种强大的辅助分析工具，能够突破现场试验的成本和时空限制，深入揭示注浆加固的内在机理并预测修复效果。在分析过程中，首先基于地质勘察数据建立包含桩体、缺陷体（如疏松区、沉渣）、高渗透地层及完好土体的精细化有限元或有限差分模型；随后，通过选用合适的本构模型（如摩尔-库仑）并定义浆液材料的流动与固化规律，来模拟注浆过程，再现浆液在地层中的渗透、劈裂路径，直观展示加固区（浆脉与渗透体）的形成与空间形态，并分析注浆压力对周围土体的应力场、位移场的影响；最后，在模型中进行修复后静载试验模拟，通过对比注浆前后桩基的荷载-沉降曲线、桩身轴力分布、侧摩阻力发挥以及塑性区发展，定量化地评估承载力提升效果与沉降控制效果，从而优化注浆参数设计，并为实际工程的效果预测和方案决策提供强有力的理论依据和数据支撑。

四、工程实例应用与效果验证

（一）工程概况与地质条件

本工程实例选取某市新建高层商业综合体项目，其主楼采用框架-核心筒结构，基础形式为钻孔灌注桩基础。项目场地地貌单元属于河流冲积阶地，地质条件复杂，尤其在桩基设计深度范围内广泛分布着厚层砂卵石地层，具有典型的高渗透性、高孔隙率和强透水性特征。根据详细勘察报告，场地地层自上而下依次为：①杂填土，厚度约 2.0-3.5m，结构松散； ② 粉质黏土，厚度约 4.0-6.0m ，可塑，中等压缩性； ③ 卵石层，该层为本次研究的重点地层，厚度大，埋深约 8.0m，层顶起伏较大，卵石含量约占 60%80% ，粒径以 2-10cm 为主，局部含漂石，填充物为中粗砂，级配不良，标准贯入试验锤击数 N 值大于 50 击，渗透系数经现场抽水试验测定高达 1.2×10^-2cm/s ，属于强透水层。在此类地层中进行钻孔灌注桩施工，极易发生孔壁坍塌、泥浆漏失、混凝土离析扩散等质量问题，导致成桩质量不稳定，桩基承载力难以满足设计要求。

（二）试验桩设计与注浆方案实施

为系统验证优化注浆工艺的有效性，本项目在场地内选取了 3 根地质条件代表性强的钻孔灌注桩作为试验桩，编号 S1、S2、 53 。试验桩设计桩径均为 800mm，设计桩长 25.0m，桩端进入持力层（密实卵石层）不小于 2.0m_⨀ 。在成桩过程中，预埋了注浆管路系统，每根桩沿桩周对称布设 2 根桩侧注浆管和 2 根桩端注浆管，采用“桩端+桩侧”联合注浆方案。注浆方案严格遵循前述优化设计原则：在材料选择上，采用普通硅酸盐水泥（P.O42.5）为主要胶凝材料，并掺加 2%的膨润土和 0.8% 的高效减水剂，水灰比控制在 0.5-0.6，以制备出流动性好、稳定性高、早期强度适中的浆液。在工艺参数优化上，设定桩端注浆起始压力为 1.5MPa，终止压力为 3.0MPa ；桩侧注浆起始压力为 1.0MPa，终止压力为 2.5MPa_⨀ 。注浆流量控制在 15-25L/min ，采用间歇式注浆方式，每注浆 30 分钟，间歇 30 分钟，待浆液初步固化后再进行下一轮注浆，以控制浆液扩散半径。实施过程中，通过自动化监控系统实时记录注浆压力、流量和时间，绘制 P-Q-t 曲线，并根据曲线变化动态调整注浆节奏，确保浆液有效填充桩身缺陷并挤密桩周土体，最终单桩水泥注入量约为 2.5 吨。

（三）现场检测与效果评价

为客观评价注浆修复效果，在注浆施工完成 28 天后，对 3 根试验桩进行了全面的现场检测与效果评价。首先，采用低应变反射波法和高应变动力检测法对桩身完整性进行复测。检测结果显示，与注浆前的检测结果相比，S1、S2、S3 桩在原缺陷位置（约在桩身 15-18m 处）的异常反射信号基本消失或显著减弱，桩底反射清晰，桩身完整性类别均由注浆前的 II 类或 III 类提升至 I 类，表明桩身内部的离析、夹泥等缺陷得到了有效填充和固结。其次，对其中 1 根试验桩（S2）和 1 根未注浆的对比桩进行了单桩竖向抗压静载荷试验。试验结果表明，注浆后的 S2 桩在最大试验荷载（设计要求的两倍）作用下，桩顶总沉降量仅为 12.5mm ，远小于规范允许值，且 Q-s 曲线平缓，无明显陡降段，其极限承载力较未注浆桩提升了约 45% ，沉降量减少了近 60‰ 。高应变测试分析也显示，注浆后桩侧摩阻力和桩端阻力均得到显著提高，尤其是桩端阻力提升更为明显，证明了“桩端+桩侧”联合注浆的优越性。

结论

高渗透性地层因其强渗透性和高孔隙率，易导致桩基施工中出现桩身离析、沉渣过厚、承载力不足等质量缺陷，传统注浆工艺难以适应其工程特性；通过采用以超细水泥-水玻璃双液浆为主的注浆材料、优化注浆压力与流量参数、实施间歇式分段注浆等综合工艺措施，可显著提高浆液的可控性和胶结强度，有效解决浆液流失和加固不均的问题；构建的包含桩身完整性、承载力提升、沉降控制及经济性等多维指标的综合评价体系，结合数值模拟手段，能够科学、系统地评估注浆修复效果，为工程决策提供理论支持；工程实例应用表明，优化后的注浆工艺不仅成功修复了桩身内部缺陷，使桩身完整性等级显著提升，还大幅提高了桩基极限承载力（约 45% ）并有效控制了沉降，验证了该技术在高渗透性地层中的适用性和优越性。

参考文献

[1]黄欢.高渗透性地层泥浆渗透成膜规律及质量评价试验研究[J].福建建设科技，2025，（02）：49 -52+

64.

[2]汤泽华，莫艺翔.不同渗透性地层中预制管桩连续贯入饱和土的响应分析[J].路基工程，2025，（02）：178-182.

[3]刘坤涛.渗透性地层盾构同步注浆地面渗漏风险预控[J].中国市政工程，2022，（03）：120-125+130+145-146.