張升進(jìn)，丁小軍，王 旭,2，楊強(qiáng)強(qiáng)

( 1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 3. 甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730070)

隨著高層建筑及大型橋梁的建設(shè)，鉆孔樁以其承載力大、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)在建筑物基礎(chǔ)工程中得到廣泛使用，但因其施工過程中會擾動樁側(cè)土及樁底土，在樁側(cè)形成泥皮層，樁底存留未清除的沉渣會對灌注樁承載力的發(fā)揮及沉降控制產(chǎn)生不利影響，從而制約了鉆孔樁的進(jìn)一步發(fā)展。然而樁端后注漿可以很好地改善這些不良特性。張維鑫[1]總結(jié)得出工程中所用漿液的水灰比大都在0.5～0.7之間，水灰比對注漿過程中的滲透擠密、劈裂加筋的效果產(chǎn)生影響，應(yīng)根據(jù)不同地層合理選擇漿液的水灰比。劉李智[2]分析了注漿量對灌注樁承載特性的影響，承載力隨著注漿量的增大而增大；但隨著注漿量的增大承載力并非線性增大，存在最優(yōu)注漿量。張忠苗[3]分析了軟土、黃土地層注漿后樁的承載特性，提出樁端注漿可以提高樁端、樁側(cè)阻力的協(xié)同作用。

前人對卵石地層灌注樁后注漿樁的承載特性探討較少。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析了其承載特性，以期對卵石地層后注漿樁的施工提供參考。

1 理論分析

1.1 劈裂注漿加固范圍

注漿過程中由于注漿壓力較大，整個(gè)注漿過程存在多種注漿方式。當(dāng)注漿壓力大于土層的起劈壓力時(shí)，會產(chǎn)生劈裂注漿。張忠苗[4]依據(jù)平板窄縫間的流動模型給出了漿液劈裂注漿的擴(kuò)散半徑。漿液擴(kuò)散半徑的最遠(yuǎn)距離為

(1)

式中：b為裂隙寬度；q為每秒注漿量；δ為裂隙高度；k為稠度系數(shù)；n為流變參數(shù)；pc為注漿壓力；p0為注漿處的原始地應(yīng)力。

1.2 漿球擴(kuò)展半徑的計(jì)算

漿液上返高度計(jì)公式為[5]

(2)

式中：γ為為漿液上返段的泥皮厚度；q為每秒注漿量；D為樁徑；G為剪切模量；hmax為漿液上返高度的最大值。

在注漿壓力作用下漿液沿著樁身上返，上返過程中當(dāng)壓力達(dá)到土體某一深度的水平土壓力時(shí)漿液不再擴(kuò)散，此時(shí)也達(dá)到漿液上返的最大高度。對漿液上返高度進(jìn)行迭代直到漿液的擴(kuò)散壓力等于某一處的水平土壓力，求得此時(shí)的hmax。

依據(jù)漿液上返高度，考慮注漿壓力及注漿量相互耦合作用提出相應(yīng)的漿液擴(kuò)散半徑修正公式，即

(3)

式中：N為考慮跑漿漏漿及劈裂注漿引起漿液損失的大于1的折減系數(shù)。

此部分對樁底注漿過程中漿液對土層劈裂加固范圍進(jìn)行了分析。并結(jié)合注漿量對漿球擴(kuò)展半徑進(jìn)行了推導(dǎo)。

2 數(shù)值模擬

本文對樁端后注漿樁進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合以上理論分析，使用ABAQUS有限元軟件分別對普通樁、后壓漿灌注樁建立模型，將承載力與沉降結(jié)果及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對照，驗(yàn)證其正確性后，再分析注漿量、地層強(qiáng)度等對灌注樁承載特性的影響。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

灌注樁及注漿后的膠結(jié)體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 樁及注漿加固體的物理力學(xué)參數(shù)

在建模過程中為減少計(jì)算量,選取樁及樁周土的1/4部分作為研究對象，土體網(wǎng)格從靠近樁位置邊緣線性變大，在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算速度。

現(xiàn)場試驗(yàn)水泥用量為3.5 t，水灰比為0.55，泥皮厚度為12 mm，注漿速率為1.2 L/s，注漿壓力為8.8 MPa，現(xiàn)場注漿管道長為24 m。依據(jù)戴國亮[6]在統(tǒng)計(jì)大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用線性回歸方法得出漿液沿壓漿管道的阻力損失值為0.037 MPa/m，計(jì)算得出漿口的壓力為7.9 MPa。

注漿后樁底地層的改善區(qū)域分為漿球體和加固體，根據(jù)式(1)求得加固體的范圍為6 m。根據(jù)注漿量由式(3)求得滲透注漿下的漿球半徑為2.2 m，考慮劈裂注漿和漿液上返引起的注漿量損失，確定漿球體的半徑為1.5 m，β取45°。樁徑在樁底端尺寸為1.2 m，在樁頂端為0.8 m，樁長為16 m。注漿后土層加固分布見圖1。

圖1 注漿后土層加固分布(單位：mm)

2.1 注漿后荷載沉降曲線

現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)值模擬荷載-沉降曲線如圖2可知，可以看出：數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的沉降-荷載曲線吻合程度較好，沉降過程中未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說明樁端注漿樁的極限承載力值要大于加載值。

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)值模擬荷載-沉降曲線

注漿前后荷載-沉降曲線如圖3所示，可以看出：在第一級荷載作用下，樁端后注漿樁與未壓漿樁沉降值差別不大；但隨著荷載的增大，未注漿樁沉降會顯著增大，且沉降曲線有明顯拐點(diǎn)，達(dá)到了其極限承載力為4 500 kN；樁端后注漿樁的承載力是未注漿樁承載力的4倍以上；未注漿樁承載力達(dá)到極限值時(shí)沉降為27 mm，在同等荷載下注漿樁的沉降僅為4.3 mm，說明灌注樁樁端注漿后可以有效減小沉降。

圖3 注漿前后荷載-沉降曲線

2.2 軸力沿樁身的分布

注漿后樁身軸力分布如圖4所示，可以看出：軸力在樁頂位置處衰減很慢，隨著樁埋深的增大，軸力減小量逐漸增大；樁身軸力在靠近樁底段位置處迅速減小，說明樁側(cè)底部摩擦力較大。試驗(yàn)中的樁端軸力為樁頂軸力的76%，樁端阻力占比大，因此整個(gè)樁身沉降過程中，樁身壓縮占比較大。樁身材料強(qiáng)度可能成為樁土體系承載的控制因素，應(yīng)提高灌注樁樁身的強(qiáng)度。

圖4 注漿后樁身軸力分布

2.3 樁側(cè)摩阻力

2.3.1 樁側(cè)摩阻力分布

樁側(cè)摩阻力分布如圖5所示，可以看出：在0～3.8 m段，樁側(cè)摩阻力隨著埋深的增大而增大；在3.4～5.8 m段，樁的摩擦力相對于上部較小，因?yàn)榇硕蝺?nèi)土層為粉質(zhì)黏土，其承載能力相對較弱，提供的側(cè)阻力也較?。辉?.8～14 m段，樁土接觸屬性一致，故隨著樁側(cè)壁的法相應(yīng)力增大，側(cè)阻力也逐漸增大；在14～16 m段，樁身沉降過程中壓縮樁底土層使得靠近樁底附近的樁側(cè)土形成壓縮區(qū)，進(jìn)而形成拱區(qū)，提高了土體的有效水平應(yīng)力，因此側(cè)摩阻力迅速增大。

圖5 樁側(cè)摩阻力分布

2.3.2 各級荷載下側(cè)摩阻力的分布

各級荷載下的側(cè)摩阻力變化曲線如圖6所示，可以看出：隨著總荷載的增大，側(cè)阻力也在逐漸提升；樁側(cè)摩阻力在加載初期增加量較大，但當(dāng)總荷載增大到10 MN時(shí)側(cè)阻力增大不再明顯。

2.4 注漿量對承載力的影響

不同注漿量樁的荷載位移曲線如圖7所示，可以看出：樁端注漿對樁的承載力提高明顯，樁端漿球直徑為樁徑2倍時(shí)樁的承載力與未注漿樁相比承載力得到顯著的提高；但隨著注漿量的增大，漿球直徑達(dá)到樁徑的3～4倍時(shí)，相同荷載下樁的沉降量與注漿量為2倍樁徑時(shí)沉降值差別不大，說明其對承載力提高的幅度也很小。

圖6 各級荷載下的側(cè)摩阻力變化曲線

圖7 不同注漿量樁的荷載位移曲線

2.5 注漿體強(qiáng)度對承載的影響

由于樁端后注漿樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮只需要很小的樁土相對位移[7]。對樁頂施加3 mm豎向位移，確保在相同的樁土位移下，分析樁底強(qiáng)度對樁承載力的影響。

2.5.1 注漿體強(qiáng)度對總承載力的影響

樁底地層強(qiáng)度對總承載力的影響曲線如圖8所示，可以看出：樁底地層強(qiáng)度越大，在產(chǎn)生相同的樁土位移時(shí)總承載力也越大；當(dāng)樁底強(qiáng)度達(dá)到樁側(cè)強(qiáng)度的40倍時(shí)，樁底強(qiáng)度對樁總承載力的提高幅度不再明顯。

圖8 樁底地層強(qiáng)度對總承載力的影響曲線

2.5.2 注漿體強(qiáng)度對側(cè)摩阻力的影響

樁底地層強(qiáng)度對側(cè)摩阻力的影響曲線見圖9，可以看出：側(cè)阻力隨著樁底強(qiáng)度的提高也迅速提高；但樁底強(qiáng)度達(dá)到5倍樁側(cè)土強(qiáng)度時(shí)樁底強(qiáng)度對側(cè)阻力的提升不再明顯。

圖9 樁底地層強(qiáng)度對側(cè)摩阻力的影響

2.5.3 不同樁底強(qiáng)度對樁側(cè)阻力分布的影響

不同地層強(qiáng)度下樁身側(cè)摩阻分布如圖10所示，可以看出：在樁側(cè)為卵石地層的情況下，隨著樁底地層強(qiáng)度的增大，樁底強(qiáng)度對樁側(cè)承載力的提高集中體現(xiàn)在樁端附近的3倍樁徑范圍內(nèi)；當(dāng)樁底地層強(qiáng)度很低時(shí)會限制側(cè)摩阻力的發(fā)揮。

圖10 不同地層強(qiáng)度下樁身側(cè)摩阻分布

2.6 樁徑樁長的影響

灌注樁樁頂受到荷載時(shí)的樁身彈性壓縮量為

(4)

式中：σ0為樁頂荷載；σz為樁底荷載；Es為樁身彈性模量；h為樁長。

由式(4)可見：當(dāng)樁頂荷載較大且端阻力占比很大時(shí)，樁頂沉降量以樁身彈性壓縮為主，通過增大樁長來控制沉降效果不明顯。顯然此時(shí)樁底注漿和增大樁徑對樁的承載力和沉降起到很大的作用。

3 結(jié)論

1) 根據(jù)注漿量結(jié)合球形擴(kuò)張理論，給出注漿漿球半徑的計(jì)算公式。

2) 卵石地層樁端后注漿能有效提高灌注樁的承載力。未注漿樁的極限承載力為4 500 kN，樁端后注漿樁的承載力是未注漿樁承載力的4倍以上。

3) 樁底強(qiáng)度達(dá)到樁側(cè)強(qiáng)度40倍之后其對總承載力的提高不再明顯。樁底強(qiáng)度達(dá)到5倍樁側(cè)強(qiáng)度時(shí)對樁側(cè)承載力的提高不再明顯，樁側(cè)承載力隨著荷載及樁土相對位移的增大先增大后趨于穩(wěn)定值。

4) 樁端注漿對樁側(cè)承載力的提高集中體現(xiàn)在樁端附近的3倍樁徑范圍內(nèi)，當(dāng)樁底強(qiáng)度太弱時(shí)反而會限制樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。