王志遠 WANG Zhi-yuan；李海濤 LI Hai-tao

（①山東省路橋集團有限公司，濟南 250014；②山東大學土建與水利學院，濟南 250061）

0 引言

鉆孔灌注樁因其承載力高、沉降小、適用性好等優(yōu)點，被廣泛應用至高層建筑、橋梁和高速鐵路的基礎中。然而，鉆孔灌注樁在施工中存在的樁側泥皮和樁底沉渣等問題將會削弱單樁的承載力。為提高鉆孔灌注樁的承載力，降低鉆孔灌注樁的沉降，開發(fā)了樁基后注漿技術。樁底后注漿技術可通過固化樁側泥皮和樁底沉渣達到提高樁側摩阻力和樁端阻力的目的，大大提高樁的極限承載能力。目前，后注漿技術提高承載能力多體現(xiàn)在極限承載能力的估算方面，未能體現(xiàn)精確的計算，且數(shù)值計算方面不能體現(xiàn)上述相關特點。巖溶區(qū)后注漿樁的承載特性分析是后注漿樁設計計算中的重要部分。

目前對后注漿樁基承載特性的分析并未深入，大部分還是通過現(xiàn)場靜載試驗以及室內(nèi)模型試驗等方法進行研究。樁側和樁端后注漿技術的相互作用機理非常復雜，樁側和樁端相互作用機理尚不明確，增強作用未明確，其對樁的極限承載能力的貢獻還未弄明白。因此，工程上對巖溶區(qū)鐵路橋梁樁端和樁側聯(lián)合注漿樁承載特性研究還處于摸索階段，沒有明確的設計思路和明確的計算方法。亟待明確巖溶區(qū)鐵路橋梁樁端和樁側聯(lián)合注漿樁承載機理，獲得相關計算或分析方法。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元分析逐漸成為樁基設計計算中的常用方法，眾多學者[1-5]利用數(shù)值模擬技術數(shù)值軟件中分析后注漿抗拔樁的承載性能，并得到較滿意的結論。

1 有限元分析過程

1.1 模型的建立及模擬方案設計

為簡化計算，對模型做出如下假定：

①模型簡化為軸對稱問題，取軸對稱平面的一半進行分析；

②樁周土以及注漿形成的注漿加固體為理想的彈塑性體，樁為理想彈性體；

③后注漿不考慮漿液的劈裂作用，只考慮漿液對土體的滲透。

樁定義為彈性材料，土體與注漿體定義為理想彈塑性材料，本構模型采用摩爾-庫倫模型。對于注漿加固體的參數(shù)選擇，根據(jù)張忠苗等[6，7]的研究表明，注漿加固體的變形模量E50=（25～140）fcu，本章取其彈性模量為150MPa，粘聚力為45kPa，內(nèi)摩擦角為35°。土層材料為細砂。模型材料參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

計算模型中，樁長L為20m，樁徑D為1m。土體計算范圍水平方向取10D，豎直方向取2L。注漿加固體在假定條件下可作簡化：樁側注漿加固體位于樁中段，所建模型見圖1。

圖1 模型示意圖

1.2 接觸及網(wǎng)格劃分

接觸面即為不同材料的分界面，不同材料的接觸定義是否準確直接決定模擬結果收斂與否。后注漿樁的有限元模擬涉及到樁-土、樁-注漿加固體以及土-注漿加固體之間的接觸。采用主-從接觸算法，在樁-土界面、樁-注漿加固體界面中選擇樁為主面，在土-注漿加固體界面中選擇注漿加固體為主面。

通過在相互作用模塊執(zhí)行【相互作用】/【屬性】/【創(chuàng)建】命令，在創(chuàng)建相互作用屬性對話框的類型區(qū)域選擇接觸選項，建立接觸名稱或接受默認，單擊【繼續(xù)】。在彈出的編輯接觸屬性對話框執(zhí)行對話框的【力學】/【切向行為】命令，在編輯接觸屬性對話框下的切向行為區(qū)域中的【摩擦公式】列表里選擇用戶自定義，即用戶自定義接觸模型。

模型采用CAX4四結點雙線性軸對稱四邊形單元，為保證計算的收斂性，對樁-土、樁-注漿體以及土-注漿體接觸部分周圍的單元需要進行布種加密處理，組合后注漿樁模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 組合后注漿樁模型網(wǎng)格劃分

1.3 荷載和邊界條件

本次計算主要設置位移邊界條件，對于二維軸對稱模型，在其側面限制水平位移，底部限制其兩個方向的位移，頂部自由無任何約束。設置一系列的分級加載值，以獲得不同荷載水平條件下后注漿樁的沉降情況。第一級荷載為等效1000kN集中荷載，換算為樁頂截面與之對應的均布荷載施加在樁頂，此后每級增加1000kN，分10級加載。

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 注漿前后樁土位移場分析

以豎向荷載為5000kN時為例，未注漿樁與樁端樁側組合后注漿樁的樁土位移場，可得以下結論：

①后注漿樁的樁土位移云圖都呈漏斗狀，由于樁的加固作用集中在樁側附近，且越遠離樁側其加固作用越不明顯，所以越靠近樁，土體的沉降越大；

②同一荷載水平作用下，由于漿液對樁側土層或樁側泥皮的固化或膠結作用，未注漿樁的沉降要明顯大于注漿樁的沉降，即樁側和樁端水泥漿對土體的固化作用顯著，聯(lián)合注漿可以通過固化樁側泥皮或樁端沉渣等作用顯著提高樁的承載能力，減低樁端的沉降；

③后注漿樁的樁土位移云圖在注漿部位有明顯的凸起，并向外延伸，說明注漿可以帶動更大范圍的土體共同承擔上部荷載，抵抗變形。注漿可以發(fā)揮周圍更大范圍內(nèi)的土體承載荷載，顯著增大樁周承擔荷載的土體，且最大限度提高樁的承載能力；

④樁側后注漿技術可以固化樁側泥皮或樁端沉渣，達到提高樁側承載能力或樁端承載能力的目的，最終達到提高總體樁端承載能力、減少樁端和樁頂沉降的目的，最大限度的提高單樁的極限承載能力。總的來說，樁端和樁側聯(lián)合后注漿技術可以通過漿液固化樁側泥皮和樁底沉渣等作用提高樁側和樁端承載能力，同時聯(lián)合注漿技術可以封填樁側和樁孔間的孔隙，減少混凝土的干縮作用提高樁側承載能力，最大限度的提高樁側極限承載能力[8]。

2.2 注漿前后單樁荷載-沉降關系分析

未注漿樁與組合后注漿樁的荷載-沉降曲線見圖3～圖5。

圖3 未注漿樁荷載-沉降曲線

圖5 不同樁型的荷載-沉降曲線

圖4 組合后注漿樁荷載-沉降曲線

由圖3～圖5可知，相同荷載作用下，后注漿樁的沉降量均小于未注漿樁。未注漿樁p-s曲線斜率更大，當加載量為3000kN～4000kN時，未注漿樁的p-s曲線出現(xiàn)明顯拐點，可取4000kN為其極限承載力。后注漿樁在各級荷載作用下的沉降變化較緩，其極限承載力可取8000kN，樁端樁側組合后注漿技術對樁基極限承載能力的提升幅度可達100%。

2.3 不同注漿參數(shù)后注漿樁荷載-沉降關系分析

用不同注漿體尺寸模擬不同注漿參數(shù)，得到不同注漿參數(shù)條件下后注漿樁的荷載-沉降關系曲線見圖6。

圖6 不同注漿參數(shù)下組合后注漿樁p-s曲線

當注漿加固體尺寸增大時，相同荷載作用下的樁頂沉降明顯減小。同時，樁端樁側組合后注漿樁極限承載力與注漿加固體的尺寸正相關，在初始注漿參數(shù)條件下，組合后注漿樁的極限承載力在8000kN左右，增大注漿參數(shù)后，其極限承載力可達10000kN以上。增大注漿參數(shù)（注漿體尺寸或注漿用量等），注漿效果越明顯，其注漿帶來的樁側和樁端承載能力的增強作用將會越明顯，且單樁的承載能力提升幅度將會越顯著。

3 結論

通過上述數(shù)值模擬研究，本文對樁側樁端后注漿樁的承載特性進行了分析，得到以下結論：

①樁側樁端組合后注漿樁通過漿液對土體的擠密壓實作用，改變土體位移趨勢，有效降低樁土位移。后注漿樁的樁土位移云圖都呈漏斗狀，由于樁的加固作用集中在樁側附近，且越遠離樁側其加固作用越不明顯，所以越靠近樁，土體的沉降越大。②樁端和樁側聯(lián)合后注漿技術可以通過漿液固化樁側泥皮和樁底沉渣等作用提高樁側和樁端承載能力，同時聯(lián)合注漿技術可以封填樁側和樁孔間的孔隙，減少混凝土的干縮作用提高樁側承載能力，最大限度的提高樁側極限承載能力。組合后注漿樁在各級荷載作用下沉降變化較緩，其極限承載力可達未注漿樁的兩倍。③后注漿樁的極限承載力隨著注漿體尺寸的增大而增大，二者呈正相關關系。