深厚卵石地层桩底注浆灌注桩承载特性分析

张升进，丁小军，王 旭,2，杨强强

( 1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程试验室，甘肃 兰州 730070； 3. 甘肃省建筑设计研究院，甘肃 兰州 730070)

随着高层建筑及大型桥梁的建设，钻孔桩以其承载力大、适用性广等优点在建筑物基础工程中得到广泛使用，但因其施工过程中会扰动桩侧土及桩底土，在桩侧形成泥皮层，桩底存留未清除的沉渣会对灌注桩承载力的发挥及沉降控制产生不利影响，从而制约了钻孔桩的进一步发展。然而桩端后注浆可以很好地改善这些不良特性。张维鑫[1]总结得出工程中所用浆液的水灰比大都在0.5～0.7之间，水灰比对注浆过程中的渗透挤密、劈裂加筋的效果产生影响，应根据不同地层合理选择浆液的水灰比。刘李智[2]分析了注浆量对灌注桩承载特性的影响，承载力随着注浆量的增大而增大；但随着注浆量的增大承载力并非线性增大，存在最优注浆量。张忠苗[3]分析了软土、黄土地层注浆后桩的承载特性，提出桩端注浆可以提高桩端、桩侧阻力的协同作用。

前人对卵石地层灌注桩后注浆桩的承载特性探讨较少。因此，本文结合现场试验及数值模拟分析了其承载特性，以期对卵石地层后注浆桩的施工提供参考。

1 理论分析

1.1 劈裂注浆加固范围

注浆过程中由于注浆压力较大，整个注浆过程存在多种注浆方式。当注浆压力大于土层的起劈压力时，会产生劈裂注浆。张忠苗[4]依据平板窄缝间的流动模型给出了浆液劈裂注浆的扩散半径。浆液扩散半径的最远距离为

(1)

式中：b为裂隙宽度；q为每秒注浆量；δ为裂隙高度；k为稠度系数；n为流变参数；pc为注浆压力；p0为注浆处的原始地应力。

1.2 浆球扩展半径的计算

浆液上返高度计公式为[5]

(2)

式中：γ为为浆液上返段的泥皮厚度；q为每秒注浆量；D为桩径；G为剪切模量；hmax为浆液上返高度的最大值。

在注浆压力作用下浆液沿着桩身上返，上返过程中当压力达到土体某一深度的水平土压力时浆液不再扩散，此时也达到浆液上返的最大高度。对浆液上返高度进行迭代直到浆液的扩散压力等于某一处的水平土压力，求得此时的hmax。

依据浆液上返高度，考虑注浆压力及注浆量相互耦合作用提出相应的浆液扩散半径修正公式，即

(3)

式中：N为考虑跑浆漏浆及劈裂注浆引起浆液损失的大于1的折减系数。

此部分对桩底注浆过程中浆液对土层劈裂加固范围进行了分析。并结合注浆量对浆球扩展半径进行了推导。

2 数值模拟

本文对桩端后注浆桩进行数值模拟，结合以上理论分析，使用ABAQUS有限元软件分别对普通桩、后压浆灌注桩建立模型，将承载力与沉降结果及现场试验结果对照，验证其正确性后，再分析注浆量、地层强度等对灌注桩承载特性的影响。地基土物理力学性质指标和计算参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

灌注桩及注浆后的胶结体物理力学参数如表2所示。

表2 桩及注浆加固体的物理力学参数

在建模过程中为减少计算量,选取桩及桩周土的1/4部分作为研究对象，土体网格从靠近桩位置边缘线性变大，在保证计算精度的前提下提高计算速度。

现场试验水泥用量为3.5 t，水灰比为0.55，泥皮厚度为12 mm，注浆速率为1.2 L/s，注浆压力为8.8 MPa，现场注浆管道长为24 m。依据戴国亮[6]在统计大量数据的基础上采用线性回归方法得出浆液沿压浆管道的阻力损失值为0.037 MPa/m，计算得出浆口的压力为7.9 MPa。

注浆后桩底地层的改善区域分为浆球体和加固体，根据式(1)求得加固体的范围为6 m。根据注浆量由式(3)求得渗透注浆下的浆球半径为2.2 m，考虑劈裂注浆和浆液上返引起的注浆量损失，确定浆球体的半径为1.5 m，β取45°。桩径在桩底端尺寸为1.2 m，在桩顶端为0.8 m，桩长为16 m。注浆后土层加固分布见图1。

图1 注浆后土层加固分布(单位：mm)

2.1 注浆后荷载沉降曲线

现场试验数值模拟荷载-沉降曲线如图2可知，可以看出：数值模拟和现场试验的沉降-荷载曲线吻合程度较好，沉降过程中未出现明显的拐点，说明桩端注浆桩的极限承载力值要大于加载值。

图2 现场试验数值模拟荷载-沉降曲线

注浆前后荷载-沉降曲线如图3所示，可以看出：在第一级荷载作用下，桩端后注浆桩与未压浆桩沉降值差别不大；但随着荷载的增大，未注浆桩沉降会显著增大，且沉降曲线有明显拐点，达到了其极限承载力为4 500 kN；桩端后注浆桩的承载力是未注浆桩承载力的4倍以上；未注浆桩承载力达到极限值时沉降为27 mm，在同等荷载下注浆桩的沉降仅为4.3 mm，说明灌注桩桩端注浆后可以有效减小沉降。

图3 注浆前后荷载-沉降曲线

2.2 轴力沿桩身的分布

注浆后桩身轴力分布如图4所示，可以看出：轴力在桩顶位置处衰减很慢，随着桩埋深的增大，轴力减小量逐渐增大；桩身轴力在靠近桩底段位置处迅速减小，说明桩侧底部摩擦力较大。试验中的桩端轴力为桩顶轴力的76%，桩端阻力占比大，因此整个桩身沉降过程中，桩身压缩占比较大。桩身材料强度可能成为桩土体系承载的控制因素，应提高灌注桩桩身的强度。

图4 注浆后桩身轴力分布

2.3 桩侧摩阻力

2.3.1 桩侧摩阻力分布

桩侧摩阻力分布如图5所示，可以看出：在0～3.8 m段，桩侧摩阻力随着埋深的增大而增大；在3.4～5.8 m段，桩的摩擦力相对于上部较小，因为此段内土层为粉质黏土，其承载能力相对较弱，提供的侧阻力也较小；在5.8～14 m段，桩土接触属性一致，故随着桩侧壁的法相应力增大，侧阻力也逐渐增大；在14～16 m段，桩身沉降过程中压缩桩底土层使得靠近桩底附近的桩侧土形成压缩区，进而形成拱区，提高了土体的有效水平应力，因此侧摩阻力迅速增大。

图5 桩侧摩阻力分布

2.3.2 各级荷载下侧摩阻力的分布

各级荷载下的侧摩阻力变化曲线如图6所示，可以看出：随着总荷载的增大，侧阻力也在逐渐提升；桩侧摩阻力在加载初期增加量较大，但当总荷载增大到10 MN时侧阻力增大不再明显。

2.4 注浆量对承载力的影响

不同注浆量桩的荷载位移曲线如图7所示，可以看出：桩端注浆对桩的承载力提高明显，桩端浆球直径为桩径2倍时桩的承载力与未注浆桩相比承载力得到显著的提高；但随着注浆量的增大，浆球直径达到桩径的3～4倍时，相同荷载下桩的沉降量与注浆量为2倍桩径时沉降值差别不大，说明其对承载力提高的幅度也很小。

图6 各级荷载下的侧摩阻力变化曲线

图7 不同注浆量桩的荷载位移曲线

2.5 注浆体强度对承载的影响

由于桩端后注浆桩侧摩阻力的发挥只需要很小的桩土相对位移[7]。对桩顶施加3 mm竖向位移，确保在相同的桩土位移下，分析桩底强度对桩承载力的影响。

2.5.1 注浆体强度对总承载力的影响

桩底地层强度对总承载力的影响曲线如图8所示，可以看出：桩底地层强度越大，在产生相同的桩土位移时总承载力也越大；当桩底强度达到桩侧强度的40倍时，桩底强度对桩总承载力的提高幅度不再明显。

图8 桩底地层强度对总承载力的影响曲线

2.5.2 注浆体强度对侧摩阻力的影响

桩底地层强度对侧摩阻力的影响曲线见图9，可以看出：侧阻力随着桩底强度的提高也迅速提高；但桩底强度达到5倍桩侧土强度时桩底强度对侧阻力的提升不再明显。

图9 桩底地层强度对侧摩阻力的影响

2.5.3 不同桩底强度对桩侧阻力分布的影响

不同地层强度下桩身侧摩阻分布如图10所示，可以看出：在桩侧为卵石地层的情况下，随着桩底地层强度的增大，桩底强度对桩侧承载力的提高集中体现在桩端附近的3倍桩径范围内；当桩底地层强度很低时会限制侧摩阻力的发挥。

图10 不同地层强度下桩身侧摩阻分布

2.6 桩径桩长的影响

灌注桩桩顶受到荷载时的桩身弹性压缩量为

(4)

式中：σ0为桩顶荷载；σz为桩底荷载；Es为桩身弹性模量；h为桩长。

由式(4)可见：当桩顶荷载较大且端阻力占比很大时，桩顶沉降量以桩身弹性压缩为主，通过增大桩长来控制沉降效果不明显。显然此时桩底注浆和增大桩径对桩的承载力和沉降起到很大的作用。

3 结论

1) 根据注浆量结合球形扩张理论，给出注浆浆球半径的计算公式。

2) 卵石地层桩端后注浆能有效提高灌注桩的承载力。未注浆桩的极限承载力为4 500 kN，桩端后注浆桩的承载力是未注浆桩承载力的4倍以上。

3) 桩底强度达到桩侧强度40倍之后其对总承载力的提高不再明显。桩底强度达到5倍桩侧强度时对桩侧承载力的提高不再明显，桩侧承载力随着荷载及桩土相对位移的增大先增大后趋于稳定值。

4) 桩端注浆对桩侧承载力的提高集中体现在桩端附近的3倍桩径范围内，当桩底强度太弱时反而会限制桩侧摩阻力的发挥。