注浆加固控制邻近桥梁桩基侧向变形分析*

张 鹏，赵腾跃，王 月，卞海丁，张 晨，姚伟伟

(1.北京市政路桥股份有限公司，北京 100045； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

为节省土地资源，综合利用地下空间，地下综合管廊常下穿桥梁结构设置。地下综合管廊基坑开挖将使邻近既有桥梁桩基发生变形位移，严重时将影响上部结构正常使用[1-2]。因此开展邻近桩基变形受力的控制措施研究，分析注浆加固措施控制共构桥梁桩基侧移效果及注浆加固参数的影响很有必要。

现代注浆技术无论在理论研究还是在注浆材料、工艺、施工机具及其应用规模与范围等方面都取得了重大进展[3-7]，杨米加等[8]就裂隙岩体的注浆工艺、理论、试验研究、效果检测等方面研究存在的不足，提出了注浆技术的发展方向。张秀山等[9]对比分析了桥墩在注浆与不注浆两种情况下的受力变形。张凯[10]通过试验确定了最优注浆参数，并在地下综合管廊基坑开挖过程中对既有高速桥梁基础附近土体进行注浆加固，效果良好。林森等[11]通过数值模拟软件对桩基注浆加固前后的内力与位移进行了对比分析。高骏等[12]通过建立有限元模型，对顶管施工邻近桥梁桩基地层的注浆预加固保护方案应用效果进行研究，取得了显著的效果。

本文依托北京大兴国际机场地下综合管廊基坑工程，研究注浆加固桩周土体对控制桩基变形的效果，分析注浆加固参数对加固效果的影响，相关研究结论可供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 地下综合管廊及共构桥梁现场概述

北京大兴国际机场高速公路地下综合管廊工程位于北京市南部，主要为北京大兴国际机场及北京南部地区提供能源供给保障。管廊北起南四环公益东桥，南至新机场北围界，全长约36km。

机场桥梁与综合管廊相邻，桥梁上部结构如图1所示。共构段桥墩采用双柱双层框架体系，中横梁上铺设轨道用作轨道层，上盖梁为高速公路。基础采用分离式承台和钻孔灌注桩，承台及钻孔桩采用C30混凝土，Q235钢材。

图1 高架桥上部结构

1.2 地下综合管廊与高架桥的空间位置关系

原设计中，地下综合管廊3舱中的2舱布设在两桩基础之间，另外1舱布设在承台外侧。由于设计变更，将承台外的1舱移至两承台中间，组成3舱结构，变更后的管廊距离桩基础更近，两者位置关系如图2所示。

图2 地下管廊与共构桥梁位置关系

1.3 桩周土注浆加固方案

由于变更后管廊距离桩基础更近，开挖时可能影响邻近共构桥梁基础的稳定性。考虑到临近桩基础的安全性，采用注浆方式对桩周土体进行加固，具体施工工艺流程如图3所示。

图3 现场注浆施工工艺流程

采取先注外侧后注中间的顺序，隔排跳孔施工，采用分层注浆，每层注浆厚度为0.5m，初凝后注下一层，注浆压力为0.4MPa，如图4所示。

图4 注浆示意(单位：cm)

1.4 注浆加固共构桥梁稳定性监测

因现场地下综合管廊开挖时共构桥梁桩基已建成，无法直接测得管廊基坑开挖时桩基的受力变形。故根据项目实际情况选取5个典型断面监测桥墩墩底的竖向水平位移及应力，此外通过全站仪辅助测量桥墩的水平位移和竖向位移。监测仪器布置如图5所示。

图5 桥梁变形受力监测点布置(单位：cm)

2 桥梁桩基变形及受力分析

2.1 数值计算

采用Abaqus数值模拟软件，根据实际情况建立数值模型，计算共构桥梁桩基的受力变形特性，并与实际监测数据对比分析，验证模型的可靠性。现场群桩布置形式如图6所示。

图6 群桩布置

现场采用注浆加固桩周土体来控制地下综合管廊基坑开挖对邻近桩基础的影响。数值模拟时根据现场注浆加固范围、强度等参数进行桩周土体注浆加固数值模拟，利用提高土体弹性模量的方法模拟注浆土体，注浆加固土体选用莫尔-库伦本构模型，材料参数如表1所示。现场实际工况采用3×2的群桩基础，基础与承台相连接，承台上部与桥墩相连接，用于承担上部荷载，桥墩的上部由中横梁连接，桥墩顶部附有盖板，其中基坑开挖深度为6m，中横梁和上盖梁采用C50混凝土。

表1 材料物理力学参数

为对照注浆加固效果，设置1组未采取注浆加固措施的群桩基础进行作为对照组，分析2组桩身位移和受力。

2.2 计算结果与实测结果对比

基坑开挖施工时，注浆加固群桩基础的变形如图7所示。由图7可知，共构桥梁的最大水平位移出现在桩顶及承台下底面，中横梁采用C50混凝土，其弹性模量较高，所以中横梁能够限制桥墩上端水平位移，中横梁上端的桥墩水平位移均小于1mm，可忽略不计。

图7 桥梁桩基横桥向水平位移

计算得出承台最大的水平位移为4.3mm，现场监测的水平位移平均值为3.9mm，数值计算结果稍大于现场监测结果，可能由于土体参数、本构模型等因素不同所造成误差。

综上分析，数值计算结果和现场监测值相差不大，证明本文建立的数值模型与现场实际吻合，参数取值合理。

2.3 共构桥梁桩基变形及受力分析

为研究注浆加固对邻近桩基的控制效果，此节将对注浆加固与不加固邻近桩基受力变形特性进行分析，如图8所示。

图8 注浆加固与未加固时邻近桩基性状

注浆加固和未注浆加固的桩身位移分布如图8a所示，两者桩身分布位移形状基本相同，皆沿深度递减，最大位移出现在桩顶或桩顶附近处，在桩顶处近桩及远桩的位移均相同。未注浆加固的桩身位移在远外桩位移最大，其次是近外桩，最近的是远内桩。注浆加固桩周土体后，其前后邻近桩基的桩身位移与未注浆加固的桩身位移相比有较大幅减小，如图9a所示，从远外桩可以看出，注浆加固后桩身最大位移从9.7mm减小为5.38mm，加固效果达到了44.5%，注浆加固可以很好地控制桩身位移变形。

图9 注浆加固与未加固时邻近桩基最大性状

注浆加固与未注浆加固的时邻近桩基性状中埋深对弯矩的影响如图8b所示，在承台的固定作用下，桩基发生位移使得桩基顶端出现较大的负弯矩，此时桩基的正弯矩较小；注浆加固的桩周土体比未加固的桩周土体桩基正弯矩大，最大正弯矩的位置也得到提高。桩顶处的负弯矩远大于正弯矩，因此在实际工程中应该注意桩身顶端的负弯矩，最大正弯矩次之。注浆加固与未注浆加固邻近桩埋深与桩身剪力的关系如图8c所示，在桩顶处剪力最大，沿着埋深逐渐减小，说明注浆加固可以有效减小桩身剪力，尤其对减小桩顶剪力最有效。

3 注浆加固影响因素分析

通过对注浆加固土体与未注浆加固土体的桩身位移、弯矩、剪力等因素分析，可以得到基坑开挖时注浆加固对邻近桩基受力变形有很好的控制效果，但在实际施工中，一般按照传统经验获取注浆参数，取值过大或过小都会对工程造成不必要的损失。为探究不同加固参数对临近桩基受力变形的影响，本节借助Abaqus有限元软件，对注浆加固宽度、深度、位置及弹性模量等关键参数进行研究，以期为类似工程提供参考。

3.1 注浆加固宽度对桩基变形的影响

紧靠桩身注浆，注浆深度取8m，注浆宽度分别取0(未加固)、5.4，10.6，14.6，20.6，24.6，30.6m。

不同注浆加固宽度的邻近桩身侧移随深度的变化规律如图10所示。从图中可以看出，不同注浆宽度下桩身侧移变化趋势大致相同，随着注浆宽度的增大桩顶处的桩身位移逐渐减小。当注浆宽度取值较小时，桩身侧移较大，最大位移出现在桩顶附近；当注浆宽度>14.6m时，注浆宽度对桩身侧移的影响很小，侧移值基本趋于一致，在桩顶处侧移最大。由上述规律可知，注浆加固效果随着注浆宽度的增加而增强，但当注浆宽度超过某一值时，加固效果基本一致。

图10 不同加固宽度对应的桩身位移

桩身最大侧移与加固宽度之间的关系如图11所示。由图可知，当注浆加固宽度<14.6m时，直线以较大的斜率逐渐减小，当加固宽度>14.6m时，衰减斜率明显减小。由此得出结论，当注浆加固宽度取14.6m时，加固效果与经济效益最佳。

图11 桩身最大侧移-加固宽度的关系

3.2 注浆加固深度对桩基的影响

注浆加固宽度取14.6m，注浆深度取0(未注浆)，2，4，6，8，12m。注浆加固深度与桩身侧移的关系如图12所示。整体来看，桩身侧向位移随着注浆加固深度的增加逐渐减小。当注浆加固深度<4m时，随着加固深度的增加桩身侧移逐渐减小。当加固深度超过4m时，桩身侧移随注浆加固宽度的增加基本不变。

图12 桩身最大侧移-加固深度的关系

桩身最大侧移与加固深度的关系以二次函数的形式拟合，如图13所示。随着加固深度的增加，曲线割线的斜率以较大值逐渐减小，当加固深度>4m时，曲线割线的斜率以较小值减小。由此可知，加固深度>4m时，加固效果显著降低。

图13 最大桩身侧移-加固深度的关系

加固深度、不同加固宽度与桩身最大侧移减小量之间的关系如图14所示。由图可知，在相同的桩身最大侧移减小量下，加固宽度的值要大于加固深度的值。当加固后桩基侧向位移减小4mm时，注浆加固宽度需达到10.2m，注浆加固深度需要达到3.17m，此时的加固横截面积分别为46.3m2与81.6m2。

图14 最大桩身侧移减小量-加固范围的关系

因此实际工程中，在机械、场地满足要求的情况下，增大注浆加固深度较增大注浆加固宽度经济效益更为显著。

3.3 注浆加固体弹性模量的影响

注浆加固深度取8m，注浆加固宽度取10.5m，上部荷载取14 200kN，注浆加固体弹性模量分别取50，100，150，200，250MPa。

注浆加固土体的弹性模量与桩身侧移的关系如图15所示。由图可知，随着注浆加固体弹性模量的增加，桩身侧移逐渐减小，但减幅也同样减小。因此，当注浆加固体弹性模量达到一定数值后，继续提升其弹性模量对桩身侧移的限制效果并不显著。

图15 加固体不同弹性模量对应的桩身位移

在本工程中，当加固体的弹性模量大于350MPa时，曲线趋于平缓，对桩身侧向位移的控制效果并不明显，桩身最大侧移趋于稳定，如图16所示。

图16 加固体弹性模量对最大位移的影响

3.4 注浆加固位置对桩基的影响

被动加固和主动加固如图17所示。主动加固和被动加固时邻近桩基侧向位移分别沿不同深度的分布如图18所示。注浆加固深度皆取8m，注浆加固宽度皆取14.6m，加固体积也相同。

图17 注浆加固示意

图18 主动加固与被动加固桩身位移分布

由图可知，采用被动注浆加固桩基变形要小于采用主动注浆加固，采用被动加固与主动加固的桩身最大侧移值分别为7.5mm与9.2mm，对比发现在相同条件下，被动注浆加固桩基比主动注浆加固桩基控制变形更为有效。

4 结语

以北京大兴国际机场地下综合管廊基坑工程为项目依托，讨论了注浆加固的相关因素对邻近桩基侧向变形的影响，得出以下结论。

1)对桩周土体进行注浆加固可以起到控制邻近桩基变形和位移的作用，桩身的侧向位移、桩身剪力和弯矩都相对减小。本项目中，注浆后土体周围桩基的侧向位移值减小了44.5%。

2)本项目中，最优注浆加固宽度为14.6m。当加固宽度不大于最优加固宽度时，加固宽度的增加对邻近桩基的侧向位移控制效果明显；当大于最优加固宽度时，提升加固宽度对邻近桩基控制效果不太明显。

3)本项目中，最佳加固深度为4m，当超过4m的加固深度后，控制桩基侧向变形的效果逐渐减弱。

4)加固深度控制桩基侧向变形比加固宽度效果更好。因此在机械设备场地满足条件的情况下，提升加固深度比加固宽度经济效益更为显著。

5)当注浆土体的弹性模量超过350MPa时，继续增大注浆土体弹性模量对控制桩基侧移的效果不显著。

6)在实际工程中，相同加固条件下，采取被动加固控制桩基侧向位移的效果比主动加固更为明显。