桩侧注浆结石体定量表征物理模拟试验

林泽耿, 侯振坤, 2, 张树文, 黎剑华, 徐晓斌, 李祥新, 王晓伟

(1.广州建设工程质量安全检测中心有限公司, 广州 510440； 2.广州市建筑科学研究院有限公司, 广州 510440； 3.南华大学资源环境与安全工程学院, 衡阳 421001；4.广州铁路职业技术学院, 广州 510430)

目前常用的桩基础主要有高强度预应力混凝土(prestressed high-strength concrete,PHC)管桩和钻孔灌注桩[1-2],PHC管桩一般采用锤击法和静压法等施工工法,使用锤击法和静压法进行沉桩时当遇到坚硬地层则沉桩难度较大，容易出现断桩,对于大直径的管桩,由于沉桩阻力较大,采用该方法将无法沉桩[3],现有的施工工艺造成可用的PHC管桩的桩径较小,难以满足大型的工程的需求[4]。虽然钻孔灌注桩的桩径较大[5],但钻孔灌注桩施工过程中通常会产生桩周泥皮和桩底沉渣,施工过程中伴随着塌孔、断层等缺陷,造成成桩质量参差不齐。目前还未能找到能够替代钻孔灌注桩的经济、环保的桩基础,故钻孔灌注桩仍然是中国桩基础的主力军。

统计资料显示,PHC管桩桩身超高强度的优势并没有得到充分的利用[6]。如果能够改变成桩工艺,扩大PHC管桩直径,提高承载力,充分利用预制桩型桩身高强度的优势,从而替代部分钻孔灌注桩,解决其成桩质量问题,具有较为现实的意义。为了扩大PHC管桩的可用直径,唐孟雄等[7-8]、Tang等[9]、杨晓松[10]研发出了随钻跟管桩施工工法。随钻跟管桩独特的施工工艺造成其成孔孔径大于管桩外径约20 mm,即在成孔孔壁与PHC管桩外壁之间形成1个厚度10 mm左右的环形柱状间隙(简称“桩-土间隙”),后期需要通过预埋在管桩管壁中的注浆管进行注浆,以充填该间隙并黏结桩侧土体,桩-土间隙中注浆液流动的效果直接决定了桩侧所形成的注浆结石体的摩阻力的大小。

在注浆液流动特性及注浆结石体表征等研究方面,邹健[11]开展了黏土地层中不同注浆条件下桩端后注浆浆液扩散的物理模型试验,通过开挖获得了不同注浆条件下的结石体形态,定量表征了浆泡、浆脉的性状和大小,表征方式主要依靠尺子测量,手段较为粗糙,表征不够准确；沙飞等[12]研发了1套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置,分析了不同注浆材料在砂土中的流动扩散特性,分析了不同浆液在不同注浆压力条件下的流动扩散距离随时间变化规律；张连震等[13]基于注浆控制模块、动态监测模块等研发了1套砂层中劈裂-压密注浆浆液扩散过程的可视化试验系统,实现了注浆扩散过程中劈裂通道形态的可视化分析；Gao等[14]开展了饱和砂土的可视化浆液扩散试验,分析了饱和砂土中浆液的流动扩散过程,揭示了砂土中的渗透注浆扩散机理；曹兆虎等[15]通过粒子图像测速技术和人工合成的透明土材料,开展了楔形管桩桩端后注浆施工过程的可视化模型试验,分析了桩端后注浆过程中扩大头的形状和直径等变化规律。关于浆脉定量表征的研究大多依靠尺子进行测量,精度低,难以反映浆脉的空间分布特征,难以定量表征三维空间尺寸。由于随钻跟管桩是1种新的桩型,目前针对大直径随钻跟管桩的桩侧注浆液流动特性及注浆结石体表征等方面的研究暂未见报道。

为探明浆液在随钻跟管桩桩-土间隙中的流动规律,验证桩-土间隙注浆液流动扩散力学模型,定量表征注浆体的三维几何尺寸,自主研发了随钻跟管桩桩-土间隙注浆液流动规律物理模型试验系统,开展了桩侧注浆液流动规律物理模型试验研究,为掌握浆液的动态流动过程提供了技术保障和研究思路。

1 桩侧注浆效果对随钻跟管桩承载性能的影响

图1所示为桩径1 m的随钻跟管桩现场施工Q-S(力-位移)曲线[6,10,16-17],1号桩和2号桩的极限承载力分别为20 571 kN、15 100 kN,二者的极限承载力相差为5 471 kN,主要原因如下:①二者桩-土间隙注浆液的流动效果差距较大,经开挖注浆界面后发现,1号桩的注浆效果(注浆液几乎覆盖桩身全部，浆土咬合紧密)明显好于2号桩(注浆液覆盖面积不足60%，浆土咬合一般)；②通过抽芯取样的室内抗压试验分析,1号桩桩底混凝土沉渣层混合体强度为46.5 MPa,2号桩桩底混凝土沉渣层混合体强度为14.7 MPa,造成2号桩的端承力明显低于1号桩。以上充分说明随钻跟管桩桩侧注浆液流动扩散的好坏以及桩侧注浆加固桩底土体围岩的性能在一定程度上决定了其桩侧摩阻力和极限承载力[18]。

图1 Q-S曲线及注浆界面开挖Fig.1 Q-S curve and its grouting interface excavation

2 物理模拟试验方案及试验系统

理论计算研究往往根据经验对参数进行取值,可以给出浆液扩散的初步轮廓和扩散的范围,可为注浆设计和工程应用提供科学指导,但理论计算结果不是特别准确；数值模拟在研究中往往做了很多假设且土体性质及地下环境较为复杂,难以准确计算；物理模型试验作为重要的科研手段得到了广泛的应用,按照原型以一定的比例缩小,所需空间小，对加载设备要求低,操作简便,且可重复进行试验消除误差,结果可靠,省事，经济可控,针对性强[19-20]。为了能准确研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律,开展精细化的物理模型试验是十分必要的[21-23]。

现场施工中通过预埋在管桩管壁中的注浆管在桩-土间隙中进行注浆,浆液在注浆压力作用下从出浆口流出,沿着桩-土间隙上下流动的同时向土体内部扩散,浆液流动扩散的效果直接决定了形成的注浆结石体产生的摩阻力。为了对注浆效果进行定量评价,搭建了随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律物理模拟试验系统,定量表征了注浆体的三维几何尺寸,试验结果对于指导现场注浆工程具有较为现实的意义。

2.1 试验方案

为了研究注浆压力对随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的影响,开展了单孔静压注浆试验,注浆压力分别为0.1、0.3、0.5、1、1.2 MPa,注浆材料采用水灰比为0.5的水泥浆液。

2.2 试验过程及相关设备

随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律物理模拟试验系统主要由空气压缩机、多功能注浆箱、模型桩、护筒、模型箱组成。其中空气压缩机气压在0～2 MPa可调,可满足不同注浆压力条件下的注浆模拟,多功能注浆箱由4个出浆口,可以满足单孔和多孔同时注浆的需求。

2.2.1 模型桩制作

如图2所示,选择高强度的亚克力管或透明的PVC管作为模型桩,在模型桩的出浆口设计位置切方形口(出浆口的位置可以在模型桩的底部或者中部),其大小、数量和具体位置根据试验方案确定；同样,在注浆管靠近末端2～3 cm处切1个匹配的方形口,并用高强度胶水密封未切口的末端(灌注2～3 cm高度的胶水),然后将注浆管插入模型桩的内腔,达到出浆口位置后,用高强度密封胶水黏结注浆管方形切口和模型桩的方形切口,切口朝向模型桩外侧,以便形成桩侧注浆通道并可有效防止漏浆；模型桩的底部采用混凝土或者水泥浆封底,防止浆液从模型桩内腔倒流导致注浆失败。

图2 模型桩、护筒及U型出浆口Fig.2 Model pile, guard tube and U-shaped slurry outlet

2.2.2 填土并制作桩-土间隙(注浆间隙)

如图3所示,用2个半圆形护筒(直径大于模型桩径20 mm)夹住制作好的模型桩,然后放入圆柱形模型箱的中心位置并固定,随后向模型箱与护筒之间的空隙中填土。试验所用土体为砂土,该砂土的颗粒级配良好,属于中细砂。每15 cm填土1次,每1层填土结束后采用小型压实机分层压实,压实机的力度均匀波动较小,可保证每层土体密实度相当。填土总高度为1.8 m,填土的密实度平均值为4.78；填土结束后分别拔出2个半圆形护筒,在模型桩与桩周土体之间形成1个10 mm左右的桩-土间隙。此外,根据需要可在模型桩上部设置止浆板,保证顺利排出空气且不漏浆,从而实施不同压力注浆。

图3 填土及桩-土间隙制作Fig.3 Filling and pile-soil gap production

2.2.3 桩侧注浆及注浆系统

完成上述2个步骤后,开展桩侧注浆试验。注浆系统主要有空气压缩机和自主研发的多功能注浆箱组成。注浆箱包含1个倒浆口、1个进气口、1个出气口、4个出浆口,容量可达80 L,每个出浆口均可自由开关,可以模拟多孔同时注浆、单孔注浆、脉动注浆、分段联合注浆等；空气压缩机可以持续提供0～2 MPa的任意注浆压力,可模拟不同注浆压力对桩基承载性能的影响。

首先将注浆管与多功能注浆箱上的出浆口通过带有开关的球阀进行连接和密封,其次将空气压缩机的出气孔与多功能注浆箱上的进气口通过高压气管进行连接,并关闭除进气口以外的所有开关,随后通过倒浆口将按照配比搅拌均匀的注浆液倒入多功能注浆箱中,打开空气压缩机给注浆箱提供压力P,待压力表读数稳定后,开启出浆口的开关进行桩侧注浆，如图4所示。

3 试验结果分析

3.1 注浆体开挖及浆液分布特征

按照2.2节步骤开展随钻跟管桩桩侧注浆物理模型试验,待浆液凝固后开挖注浆体并用清水冲洗注浆体表面,清理桩侧残留土体以便直接观测随钻跟管桩的桩侧浆液流动性及扩散规律。为了方便,以0.5 MPa下的注浆压力为例进行分析(单孔静压注浆并关闭排气孔),定义出浆口一侧为正面,出浆口对面一侧为背面,如图5所示。

图5 注浆结石体Fig.5 Grouting stones

(1)0.5水灰比的注浆液在0.5 MPa的注浆压力作用下从正面一侧的出浆口流出后,向上流动的同时向注浆口的两侧流动,并在出浆口处形成了端部扩大头,该扩大头的存在提高了端部承载力。

(2)向两侧扩散的注浆液在出浆口的对面一侧(背面)汇合形成回路,从而将桩-土间隙中的空隙密封在背面的桩底处(注浆口对面的桩体预先设计有排气孔,为研究无排气孔的影响,本试验将其关闭),随着浆液流动高度的增加,背面的注浆液在重力和侧向压力的作用下向下流动,造成下部厚度越来越大,上部厚度较小,底部由于空气被密封形成较大的压力,浆液无法流入,造成该侧注浆效果较差,这充分说明了随钻跟管桩桩侧布置出气管的重要性；

(3)整体上看,竖向上,随着高度的增加,浆液的厚度逐渐降低,横向上,随着距离出浆口的水平距离越来越远,浆液的厚度也越来越小。如果模型桩的直径足够大,1个注浆口就很难满足注浆的要求。

(4)上部靠近地面位置,正面一侧浆液填充饱满,背面一侧几乎没有浆液。这是因为浆液流到地面位置,从上部间隙流出,压力迅速降低,导致背面的浆液驱动压力不够,从而无法充填,这充分地说明在桩顶位置布置止浆板从而形成憋压,更有利于背面浆液的流动以及浆液扩散至土体。

(5)浆液的厚度表现出了下部厚上部薄、远离出浆口位置薄、靠近注浆口位置厚的变化规律,与浆液的黏度造成的压力损失和浆液的自重等密切相关。

3.2 基于室内手动测量的注浆体定量表征

3.1节对浆液的流动扩散的效果进行了定性的描述,得出了宏观的结论,但是无法表征浆液沿着纵向和横向的分布规律,为此,定量表征浆液的厚度是十分必要的。如图6所示，沿着横向切割注浆结石体,以出浆口所在轴线为基准线,以图中的蓝色原点为坐标原点,向左右两侧每隔2 cm(采用卷尺记录)采用数显式游标卡尺测量一次浆液的厚度,并做好记录。

图6 手动测量注浆结石体Fig.6 Manual measurement of grouting stones

沿着距离桩底出浆口50、80、95、125 cm高程位置,如图5(c)所示，对浆液的厚度进行测量,测量结果如图7所示。以高程50 cm和95 cm为例对采用游标卡尺进行的手动测试结果进行分析。

(1)手动测量可以定量表征注浆结石体沿着桩身的厚度分布特征。以高程50 cm为例,浆液的厚度随着距离坐标原点(注浆口所在轴线位置)的距离的增加逐渐下降。

(2)高程50 cm的下降速度明显小于高程95 cm的下降速度,这说明底部(高程50 cm)注浆液在自重及高注浆压力下的纵向和横向流动更加均匀和充分,上部(高程95 cm)注浆液的自重小、注浆压力小,浆液横向流动不充分,导致注浆口的对面(背面)浆液的流动效果较差。

(3)由于浆液和土体的非均质性,以注浆口轴线为对称轴,两侧浆液的厚度并不是严格的对称关系,从图7可以看出,右侧浆液的厚度大于左侧浆液的厚度,在进行简化计算时,可近似将其看成轴对称。

“Shou,50 cm”“Shou,80 cm”“Shou,95 cm”“Shou,125 cm”分别表示采用手动测试方式高程50、80、95、125 cm处浆液的厚度分布规律图7 注浆体厚度沿着桩身的分布规律Fig.7 Distribution law of grouting stone thickness along pile body

(4)在出浆口所在位置的轴线上,随着距离出浆口的距离的增加,浆液的厚度逐渐减小,这主要与浆液流动过程中需要克服浆液的黏滞力及摩阻力造成底部浆液的注浆压力大于上部浆液、底部浆液累计的自重较大等有关。

(5)底部浆液的厚度明显大于上部浆液,在与该轴线平行的位置上,也表现出了类似的变化规律,且随着距离注浆口距离越大的轴线上浆液的厚度差也越大。

图6中注浆结石体形态展现了浆液的厚度变化特征,从侧面印证了本文结论的准确性。

4 结论

(1)现场原位试验表明,随钻跟管桩是1种以发挥桩侧摩阻力为主的端承摩擦型PHC管桩,桩侧注浆效果较差时可大幅降低桩侧摩阻力,从而导致极限承载力的大幅下降。

(2)竖向上,随着高度的增加,浆液的厚度逐渐降低,横向上,随着距离出浆口的水平距离越来越远,浆液的厚度也越来越小,高程50 cm的浆液厚度下降速度明显小于高程95 cm的下降速度；如果模型桩的直径足够大,1个注浆口就很难满足注浆的要求。

(3)底部浆液的厚度明显大于上部浆液,随着距离注浆口距离越大的轴线上浆液的厚度差也越大；以注浆口轴线为对称轴,两侧浆液的厚度并不是严格的对称关系,右侧浆液的厚度大于左侧浆液的厚度,这与浆液和土体的非均质性有关。

(4)单孔静压注浆时,如果未设置排气孔,则在出浆口对面的一侧空气容易被浆液密封从而导致出浆口对面一侧注浆效果较差,这充分说明了随钻跟管桩桩侧布置出气管的重要性。