不同注浆材料作用下后压浆桩桩-土界面力学特性分析

臧诗齐 戴国亮 钱晓楠

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 211189)

(东南大学土木工程学院, 南京 211189)

注浆材料主要可以分为无机系和有机系两大类[1],其中无机系的水泥浆被广泛使用.地质聚合物制备无需高温煅烧,被认为是绿色低碳胶凝材料[2].粉煤灰基地聚合物是粉煤灰的固相颗粒与激发剂溶液发生地聚合反应生成的,其中粉煤灰是燃煤产生的副产物[3].地聚合物通常需采用高浓度NaOH或与水玻璃的混合溶液作为激发材料,形成CSH凝胶、水化铝酸钙及硅铝酸钙等[4].粉煤灰具有火山灰活性,可替代混凝土中的部分水泥,具有后期强度较高的特性[5],同时在较低用水量的条件下提高浆液的流动性,从而降低了水泥的需水量.

众多学者通过直剪实验对桩-土接触面的剪切力学特性展开研究.Hossain等[6]在不同法向应力条件下进行了全风化花岗岩和水泥浆液接触面的直剪实验,结果表明注浆后接触面抗剪强度明显提升;李永辉等[7]开展了混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切实验,研究了灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,并指出在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异;Chen等[8]进行了注浆后的直剪实验,结果表明注浆可以提高剪切强度.目前,针对桩基荷载-位移关系的理论研究方法有剪切位移法、荷载传递法、弹性理论法和有限元法,其中荷载传递法被广泛使用于计算桩基受力变形.戴国亮等[9]基于静载实验结果,选用双曲线荷载传递函数,给出了后压浆桩荷载沉降关系的计算方法.Wan等[10]进行了全尺寸后压浆桩静载实验,分析了超厚细砂土层中后压浆的加固机理,提出了一种考虑了浆液扩散规律的荷载-沉降关系计算方法.

目前,地聚合物和粉煤灰-水泥已广泛应用于岩土工程的各个领域,如软土地基固化、裂隙岩体加固等,但后压浆技术仍采用传统的水泥浆液,有必要开展不同注浆材料对后压浆桩承载特性影响的研究.针对后压浆桩的研究主要集中于砂土和黏土,而对于风化岩层中的后压浆桩研究则相对较少.风化岩广泛分布在我国东南沿海地区,研究风化岩层中后压浆桩的力学特性具有重要意义.鉴于此,本文开展了混凝土与砂土、黏土以及风化岩接触界面剪切实验,研究不同注浆材料作用下桩-土界面力学特性.在剪切实验数据的基础上,得到桩-土相互作用的双曲线剪切模型参数和考虑剪切应力软化的剪切力学模型参数,采用荷载传递法探究了不同注浆材料作用下后压浆灌注桩受力变形规律.

1 剪切实验

1.1 实验设备

为研究桩-土界面剪切力学特性,采用本课题组设计的适用于界面特性实验的大型直剪仪(见图1).该大型直剪仪主要由五大部分组成:底座框架、水平加载装置、垂直加载装置、剪切盒以及量测控制系统.通过垂直加载装置施加不同的上覆压力,以模拟不同土层深度的土压力,水平加载装置可以按指定速率进行剪切.剪切盒尺寸为480 mm×300 mm×100 mm(长×宽×高);法向压力和切向推力上限分别可达300和400 kN.

图1 大型直剪仪实物图

1.2 实验准备

1.2.1 土样制备

本文实验使用了砂土、黏土、风化岩3种土.砂土采用普通河砂,粒径范围为0.075～1.5 mm,对其进行筛分实验后进行统计,颗粒级配曲线见图2.

图2 级配曲线图

剪切实验黏土取自连云港市灌云县滨海沿岸,参照《土工实验方法标准》[11]统一配置含水率为20%的重塑黏性土样.黏性土的基本物理参数如下:重度为16.8 kN/m3;液限为 30.6%;塑限为12.8%;塑性指数为17.8%.风化岩取自深圳市景福花园片区棚户区改造项目工程场地,试样呈褐色或灰褐色,岩石风化剧烈,类似坚硬土状,局部为土夹碎块状或者块状.风化岩物理力学指标为:重度为19.5 kN/m3;地勘报告推荐侧阻标准值为80 kPa;内摩擦角为35°;黏聚力为26.1 kPa.

1.2.2 混凝土板制备

为探究灌注桩与土层之间的剪切力学特性,采用混凝土板模拟灌注桩桩身表面.事先定制与直剪仪下剪切盒尺寸相同的模具,将水泥、砂石料和水按比例搅拌后倒入模具.浇筑混凝土板之前,在模具中放入压浆管道.将混凝土板养护7 d后,进行压浆实验.图3为浇筑完成的混凝土板示意图.

(a) 混凝土板实物

(b) 混凝土板内部压浆管布置图

1.2.3 注浆材料制备

《公路桥梁灌注桩后压浆技术规程》(T/CECS G: D67-01—2018)[12]规定压浆水泥宜采用普通硅酸盐水泥,水泥强度等级不宜低于42.5级,故本实验采用P.O 42.5硅酸盐水泥作为传统水泥注浆材料.地聚合物的制备需要硅铝原材料和碱激发剂,本实验采用二级粉煤灰作为硅铝原材料,水玻璃作为碱激发剂.水玻璃参数如下:模数为3.25,波美度为41.0° .

粉煤灰基地聚合物的抗压强度随碱激发剂用量的增多呈现先增加后减小的变化趋势[13].当水玻璃体积分数为20%时,碱激发地聚合物材料固结体的抗压强度达到峰值[14].将水玻璃与粉煤灰混合搅拌5 min后制成地聚合物浆液,其中水玻璃的体积分数为20%.李仲辉等[15]进行了水泥-粉煤灰浆液充填加固软岩巷道的研究与实践,取得了较好的效果,并进行了水泥-粉煤浆液配比实验;当粉煤灰质量为水泥与粉煤灰总质量的45%时,结实率较高,流动性较好.本实验制备的水泥-粉煤灰浆液中粉煤灰质量为45%,其中水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥,粉煤灰为二级粉煤灰.万志辉[16]统计了国内不同地区63个工程335根后压浆桩的浆液水灰质量比,其中水灰质量比为0.5～0.7的桩数占总桩数的90.15%.结合相关文献与预压浆实验结果,为保证各工况下浆液可注性,本实验中水泥浆液水灰质量比取为0.7,水泥-粉煤灰浆液、地聚合物浆液水胶质量比取为0.5.为保证压浆实验的稳定性,在压浆实验开始前,进行了多次预实验,以确定合适的压浆压力和压浆量.预实验结果表明,压浆压力为0.6 MPa时,3类浆液均可顺利注出,压浆量在720 mL以上时实验结果区分度较好,故最终压浆压力取为0.6 MPa,压浆量取为 720 mL.

1.2.4 剪切实验

在剪切实验之前需要进行压浆,模拟后压浆灌注桩的压浆过程.由于不能在剪切仪里直接进行注浆,设计了由反力架、千斤顶等组成的压浆系统(见图4).

图4 压浆系统示意图

在压浆过程中,千斤顶提供力的数值由剪切实验方案中的上覆压力决定,不同的上覆压力会影响浆液的扩散.压浆完成后养护27 d,然后进行剪切,剪切速率为0.03 mm/s,剪切终止位移为40 mm.剪切实验共计24组,分为3种不同上覆土层(砂土、黏土、风化岩)、2种不同上覆压力(100、200 kPa)、3种注浆材料(地聚合物、粉煤灰-水泥、水泥)以及未压浆工况.

2 实验结果与分析

2.1 砂土中桩-土界面力学特性

砂土-混凝土板界面的剪切力学特性见图5.由图可见,在不同上覆压力的条件下,剪切应力-剪切位移(τ-s)曲线的变化趋势大致相似.在剪切初始阶段时,剪切应力随剪切位移的增加逐渐增大;达到剪切峰值应力后,剪切应力趋于稳定,不随剪切位移的增加而变化.3种不同材料压浆后对桩-土接触界面力学特性都有较好的改善.在相同的剪切位移情况下,压浆后接触面对应的剪切应力要大于未压浆的接触面.

(a) F=100 kPa

当法向应力F=200 kPa时,3种不同材料压浆前后峰值剪切应力平均增幅为33%,而当法向应力F=100 kPa时,平均增幅为20%.由此可见,当F=200 kPa时,注浆后接触面力学特性改善效果较F=100 kPa时更加显著.究其原因在于:①压浆时上覆压力越大,注浆材料与混凝土板结合越紧密.②高应力条件下浆液中的水会滤过土体,浆液浓度升高,浆液对土体颗粒的胶结性能提升.当F=100 kPa时,采用水泥压浆后接触面所对应的峰值剪切应力略高于其他2种注浆材料;当F=200 kPa时,采用地聚合物压浆后接触面的力学特性要略优于水泥压浆,地聚合物加固后增幅为48.8%.这种情况产生的原因是由于地聚合物的流动性好、可注性强,浆液扩散的范围更大,除了在压浆孔附近形成致密的压浆加固体,浆液在土体内部一定范围内也有着加固效果.地聚合物和粉煤灰-水泥对于砂土的胶结能力不如水泥,但可注性、流动性优于水泥.随着法向压力的增加,土体更加密实,地聚合物和粉煤灰-水泥可注性和流动性更好,注浆的优势逐渐显露.在实际工程中,特别是超长灌注桩,随着桩长的增加,桩身下部桩侧土压力增大,所需的压浆压力也随之提升,过高的压浆压力会对桩身产生损坏,同时产生过大的扰动.地聚合物和粉煤灰-水浆液的颗粒小、流动性好,可以兼顾压密、渗透的加固效果.

2.2 风化岩中桩-土界面力学特性

风化岩-混凝土界面的剪切力学特性见图6.风化岩呈块状且大小不一,浆液沿间隙扩散,浆液加固范围存在一定离散性,总体上压浆后界面剪切力学特性均得到了改善.当法向应力F=100 kPa时,粉煤灰-水泥作为注浆材料所对应的接触面剪切力学特性最优,压浆前后峰值剪切应力增幅为67%.当法向应力F=200 kPa时,地聚合物注浆材料与水泥加固接触面对应的峰值剪切应力比较接近,压浆后峰值剪切应力增幅在45%左右,采用粉煤灰-水泥注浆材料增幅为27%.从加固增幅效果来看,地聚合物和粉煤灰-水泥并没有表现出优势,但有利于节约工程造价,3种注浆浆液成本比较见表1.水泥、水玻璃、粉煤灰的价格分别取为478、1 000、200元/t.

(a) F=100 kPa

(b) F=200 kPa

表1 水泥、水泥-粉煤灰、地聚合物浆液成本比较

当法向应力F=100 kPa时,采用地聚合物、粉煤灰-水泥压浆前后峰值剪切应力增幅分别为21%和67%;法向应力F=200 kPa时,采用地聚合物、粉煤灰-水泥压浆前后峰值剪切应力增幅分别为45%和27%.由此可见,地聚合物注浆材料和粉煤灰-水泥注浆材料前后2次加固效果浮动较大,究其原因在于浆液加固体被破坏.直剪仪法向加载速率较快且没有足够厚度的土体覆盖缓冲,瞬间加载导致浆液加固体开裂,风化岩也会因为突然的外力产生巨大形变,破坏了浆液与混凝土板表面的胶结作用.地聚合物、粉煤灰-水泥形成的浆液加固体早期强度较低,其中地聚合物和地聚合物凝胶的产生是一个随时间变化的过程[16-17],致使地聚合物浆液加固体的早期强度较低,而水泥中掺入粉煤灰会进一步降低早期强度[18].受时间限制,仅进行了短期固化条件下的界面剪切实验,对于长期固化条件下的加固性能还需要进一步研究.

2.3 黏土中桩-土界面力学特性

图7给出了黏土-混凝土界面剪切应力-剪切位移曲线.可以看出,当压浆后的界面剪切应力达到峰值,随着剪切位移的继续增加,剪切应力逐渐减小,最后保持为一个稳定的残余强度,呈现出与未压浆接触面不同的软化现象.采用不同注浆材料后界面的剪切力学特性均较未压浆时有所改善,改善程度较为接近,法向应力为100和200 kPa时峰值剪切应力分别提升50%和100%.

(a) F=100 kPa

(b) F=200 kPa

水泥土界面初始黏聚力主要受2种黏聚力影响,即水泥胶结作用形成的固化黏聚力和土颗粒分子引力提供的原始黏聚力[19].水泥胶结作用使得界面破坏模式接近脆性破坏,达到峰值剪切应力后迅速降低至残余剪切应力值,出现软化现象.其他2种注浆材料也具有与水泥类似的胶结作用,剪切实验曲线变化趋势大致相似.

3 基于剪切力学模型的后压浆桩受力变形分析

3.1 桩-土界面剪切力学模型

文献[20]指出,采用双曲线模型能较好地拟合压浆前后的试桩桩侧摩阻力-桩土相对位移.因此,本文采用双曲线模型对剪切应力-剪切位移数据进行拟合.双曲线函数表达式为

(1)

式中,τ和s分别为剪切应力和剪切位移;k0为初始剪切刚度;τmax为峰值剪切应力;a、b均有明确物理意义的参数,且a=1/k0,b=1/τmax.

对剪切实验数据进行拟合,结果见图5和图6.由图可知,拟合曲线的拟合精度均高于0.9,拟合参数见表2.通过剪切实验数据发现,在黏土中桩土界面的剪切应力随着剪切位移的增加出现峰值,随后迅速下降,至残余剪切应力后趋于稳定,出现软化现象.单一的双曲线模型并不能准确反映界面剪切应力的软化现象,需采用分段函数对其进行描述,即峰值剪切应力前后分别采用双曲线函数和双曲正割函数进行表达.考虑剪切应力软化的剪切力学模型为

(2)

式中,sf为桩侧摩阻力极值对应的桩-土相对位移;α为软化拟合参数;c为残余剪切应力与峰值剪切应力比值的拟合参数.由图7可见,采用分段函数描述黏土剪切力学特性比较准确,2段函数的拟合精度见表2.

表2 桩-土界面剪切应力-剪切位移拟合参数

3.2 计算模型

现有的桩基承载变形理论计算方法包括荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法和有限单元法.1957年Seed等[21]提出了荷载传递法,该方法概念明确且简单实用,能较好地分析单桩的荷载传递规律以及计算荷载作用下单桩的变形位移.在室内剪切实验数据的基础上采用本文提出的简化计算模型,对使用不同注浆材料的后压浆桩进行受力变形分析.荷载传递法是将桩分段,每一段与土体之间的联系用弹簧来模拟(见图8).图中,Q0为竖向荷载;s0为桩顶竖向位移;Pi为桩身第i段底面的轴力;si桩身第i个节点处的桩土相对位移;τ(z)为桩侧摩阻力;Q(z)为桩身轴力;L为桩长.

图8 荷载传递法计算模型

由微元桩段dz平衡条件得

dQ(z)=-uτ(z)dz

(3)

式中,u为截面周长.

微元体弹性变形等于其顶部和底部位移量之差ds.根据胡克定律有

(4)

式中,A为桩身截面面积;E为桩身弹性模量.

对式(3)求导,代入式(4)可得

(5)

式中,D为桩径.桩侧摩阻力τ(z)函数的选取是荷载传递法的关键,选用3.1节中的剪切力学模型来表示桩侧摩阻力和桩土相对位移之间的关系,即

(6)

荷载传递的微分方程无法直接求解.本文采用数值方法,将方程转化成差分格式,引入虚拟点0,将桩端沉降简化成第n+1段的压缩量,不同深度处土层中桩-土界面剪切力学模型采用不同法向应力下的拟合参数,黏土需采用考虑剪切应力软化的剪切力学模型,差分格式为

(7)

(8)

(9)

式中,pb为桩端阻力;Eb为桩端土的弹性模量;h=L/n.将差分格式化成如下的矩阵向量格式:

(10)

(11)

(12)

式中,ki为si对应的系数;ai、bi为第i个节点处的桩侧摩阻力和桩土相对位移拟合参数.

3.3 计算分析

计算中的相关参数如下:桩长L=40 m,桩径D=2 m,桩侧土层分别为黏土(层厚10 m)、砂土(层厚20 m)、风化岩(层厚10 m),桩身弹性模量E=30 GPa,桩端土的变形模量和桩端参数按照文献[22]选取,桩侧摩阻力传递函数参数取自表2.利用Matlab软件对式(10)进行计算,结果见图9.

图9 采用不同注浆材料后的压浆桩荷载-沉降曲线

由图9可见,压浆前极限承载力为7.936 MN,地聚合物、粉煤灰-水泥、水泥压浆后的极限承载力分别为13.492、13.647、13.926MN,提升幅度分别为42.2%、41.8%、43.0%.不同工况条件下3种注浆材料对桩-土界面的改善效果各有优劣,综合而言对桩基极限承载力的整体提升效果较为接近.

4 结论

1)不同材料压浆后桩-土界面剪切峰值应力均有所增大.上覆土体为砂土、风化岩时,剪切应力达到峰值后逐渐趋于稳定,不随剪切位移的增加而变化.上覆土体为黏土时,压浆后桩-土界面剪切应力出现软化现象.

2)上覆土体为砂土,法向应力增加至200 kPa时,地聚合物加固增幅为48.8%,加固效果在3种材料中表现最优.上覆土体为风化岩时,压浆后剪切应力最大增幅为67%,最小增幅为21%,法向应力为100 kPa时粉煤灰-水泥加固效果最佳,法向应力为200 kPa时地聚合物加固效果最佳,新型注浆材料更加经济.

3) 对于砂土和风化岩的剪切应力-剪切位移曲线,采用双曲线进行拟合;黏土的剪切应力-剪切位移曲线则采用分段函数进行拟合.双曲线函数和双曲正割函数拟合精度较好,均能准确地表征不同工况下桩-土界面的剪切力学特性.

4) 由室内实验得到荷载传递函数,结合荷载传递法得到未压浆及不同材料压浆后的后压浆灌注桩荷载-沉降曲线.通过计算,压浆后桩基极限承载力均得到明显提升,地聚合物、粉煤灰-水泥以及水泥浆液压浆后增幅分别为42.2%、41.8%、43.0%.本文验证了新型注浆材料的加固效果,为后压浆灌注桩工程中新型注浆材料的选择提供了参考.