桩侧注浆提升既有桩基承载特性试验与数值模拟

王伟, 李召峰, 许彬, 王凯, 林春金, 都君琪, 王衍升

(1.山东高速股份有限公司, 济南 250014; 2.山东大学岩土与结构工程研究中心, 济南 250061)

随着交通强国战略的不断推进,中国交通工程快速发展。桩基是交通工程中主要的承重结构,由于地基累积变形过大、地质条件的变化和周围工程的干扰等原因,许多现有桥梁桩基的承载力不足,影响了上部结构的安全[1]。尤其在中国黄河、淮河、海河流域地层软弱松散,造成桩基础承载力严重不足,给交通工程建设和运营安全造成了严重影响。交通工程中多采用注浆手段对粉质黏土地层中桥梁桩基进行加固,但粉质黏土地层既有桥梁桩注浆加固参数设计和机理仍不明晰[2-3]。

目前工程上常采用的既有桩基加固方法有补桩法[4]、锚杆静压法[5]和注浆法[6]等。补桩法是在既有桩基础桩侧增加新桩,多用于解决桩基承载力不足的问题,但该方法施工工期较长、造价高[7];锚杆静压桩法是将锚杆和静力压桩相结合用以提升地基承载力和减小沉降,被广泛应用于建筑物的加固、纠偏等工程中,但施工难度大,风险系数高,施工质量难以把控;注浆法被广泛应用于地基处理和桩基础加固领域,具有高效、经济、便捷、适应复杂环境等优势[8]。

注浆可以改善桩周土体的物理力学性质,同时挤密桩周松散的土体对桩基施加正应力提高桩侧摩阻力,改善桩基承载力。目前,国内外学者研究主要集中在地层加固机理和钻孔灌注桩后压浆技术。万志辉等[9]利用统计学分析了后压浆灌注桩桩侧阻力增强系数和桩端阻力增强系数,并建立了后压浆灌注桩承载力计算方法。张忠苗等[10]得到了桩端后注浆下层流幂律流体浆液上返高度的迭代计算公式。钻孔灌注桩后压浆技术是通过桩内预留的注浆管对桩侧土体进行加固,既有桩基注浆加固需要在桩侧重新开孔后进行桩侧加固,对注浆参数控制提出更高的要求。软弱地层注浆加固结论可以为既有桩基桩侧注浆加固提供理论指导。Bezuijen[11]等描述了砂土中劈裂注浆过程中概化分析模型,通过假定裂隙开始时的压力和最小压力,能计算得到裂隙的宽长比。张连震等[12]通过自主研发的可视化注浆模拟试验系统,得到注浆压力、劈裂通道形态、应力场和位移场随时间变化关系。

目前粉质黏土地层在役桥梁桩基的注浆加固机理尚不清楚,缺乏承载性能提升效果的量化评价方法。现通过模型试验和数值模拟相结合的方法,分析不同加固位置、注浆压力等参数对桩侧摩阻力、荷载-沉降等作用规律,以期为粉质黏土地层在役桩基的承载力提升注浆设计提供科学依据和理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 注浆材料

浆液类型选用水泥基液浆,水泥基液浆基本性能如表1所示。

表1 水泥基浆液基本物理性质

1.1.2 试验对象

取山东高速股份有限公司的京台高速改扩建工程(德齐段)现场的粉质黏土,依据《土工试验方法》(GB/T 50123—2019),采用筛析法获得桩周土体各级粒径质量分数,结果如表2所示,并对粉质黏土的基本物理特性进行测试,得到土体塑限为18.2%,液限为32.3%,塑性指数为14.1,黏聚力为17.8 kPa,内摩擦角为20°。

表2 桩周土体各级粒径质量分数

1.2 模型试验系统

基于课题组研发的注浆模拟试验系统[13],设计了一套能够模拟土体注浆加固的密闭式试验装置,该装置包括注浆装置、填充系统、监测系统,如图1所示。注浆装置采用河南耿力有限公司生产的GL 70-90注浆泵,排浆量4 m3/h,注浆压力 0～8 MPa。填充系统腔体直径×高度为Φ300 mm×500 mm。

图1 注浆模拟系统示意图

1.3 试验方案设计与试验过程

1.3.1 试验方案

注浆加固试验注浆参数如表3所示。

表3 粉质黏土注浆加固试验设计表

1.3.2 试验过程

按照土体含水率、密度,计算所需质量的土体和水,拌和均匀;填充土体时,采用分层填充的方法,分5次完成,保证每层填充土体密度、含水率的均一性;注浆时,当注浆压力达到设计压力且稳定维持稳定30 s时,停止注浆;静置24 h,对注浆加固体进行切割,首先观察浆脉形态,然后整体进行抗压强度测试;另外,在浆脉附近用环刀取样,进行抗剪强度测试。

2 结果与讨论

2.1 浆液扩散模式分析

2.1.1 注浆压力对浆液扩散规律的影响

不同注浆压力浆液扩散形态如图2所示,表4是不同注浆压力下浆脉宽度。从图2中可以看出,当注浆压力为0.5 MPa和1.0 MPa时,土体中含有两条浆脉,当注浆压力1.5 MPa和2.0 MPa时,主浆脉的数量增多至3条。在主浆脉数量相同时,随着注浆压力的增大,浆脉宽度也随之增大。这是因为:水泥浆液在注浆压力驱动下在土体中逐渐形成劈裂通道,注浆压力增大一方面会使浆脉数量增多;另一方面,浆脉数量一定时,浆液作用在通道上的法向作用力增大从而将土体挤密,使浆脉的宽度也随之增大[14]。

图2 不同注浆压力浆液扩散形态

表4 不同注浆压力浆脉宽度

2.1.2 水灰比对浆液扩散规律的影响

不同水灰比浆液扩散形态如图3所示。当水灰比为0.6和0.8时,水泥浆液的浆脉形态呈直线式,当水灰比为1.0时,水泥浆液扩散形态变成放射式。这是因为随着浆液水灰比的增大,浆液的黏度逐渐降低,在浆液流动过程中的压力损耗逐渐变小,劈裂土体所需要的注浆压力减小,故在相同压力下,随着水灰比的增大,浆脉数量逐渐增多,形成多个劈裂通道。

图3 不同水灰比浆液扩散形态

2.2 注浆加固效果分析

2.2.1 加固体抗压特性分析

注浆压力和水灰比对加固体抗压强度的影响如图4所示。可以看出,当水灰比一定时,加固体抗压强度随着注浆压力的升高而增大。由图2和表4可知,当注浆压力升高时,浆脉数量及宽度均呈现增加的趋势。这对土体的挤密作用增强,提高土体强度[13-14]。当注浆压力一定时,加固体抗压强度随着水灰比的增大呈现先增大后减小的趋势。这是因为水灰比增大时,浆脉数量增多而宽度适中,土体被挤密的程度增大,土体的加固效果较好。当水灰比1.0时,浆液中的自由水增多导致粉质黏土中的含水率增多,降低了加固体的强度。

图4 注浆参数对抗压强度影响

2.2.2 加固体抗剪特性分析

不同注浆压力和水灰比作用下,加固体抗剪强度的变化规律如图5所示。可以看出,注浆加固后土体黏聚力与内摩擦角显著增加,黏聚力最大增幅228%,内摩擦角最大增幅20%。当注浆压力一定时,随着水灰比的增加,加固体抗剪强度先升高后降低。这是因为水灰比增至0.8时,浆脉数量增加,土体被挤密程度变大;而水灰比增至1.0时,浆脉数量增多,但宽度减小,从而使抗剪强度呈现出先升高后降低的趋势。由图5可知,当水灰比不变时,加固体内摩擦角、黏聚力随注浆压力升高而增大。

图5 注浆参数对内摩擦角、黏聚力影响

3 数值模拟

3.1 模拟工况和数值模型的建立

3.1.1 既有桩基桩侧钻孔注浆工况模拟

以注浆提升桩基承载力工程为例,分析了桩侧注浆情况下,加固位置、注浆压力对桩基承载力提升效果的影响,桩基长度20 m、桩径0.8 m,具体模拟工况情况如表5所示。

表5 模拟工况

3.1.2 模型的建立过程与参数的选取

利用FLAC3D建立模型,资料和数据选取自京台高速改扩建工程,分别赋予桩、地基土单元。通过更改注浆加固前后土体参数和桩土界面参数来模拟注浆对桩基础的加固效果,注浆前后土体参数如表6所示。桩基础弹性模量为3.6×104N/mm2,FLAC3D中体积模量(K)与剪切模量(G)通过泊松比(v)和弹性模量(E)来确定;法向刚度kn和切向刚度ks通过式(3)进行计算,关系式如下。

表6 土体数值模拟参数设置

(1)

(2)

(3)

式中:ΔZmin为接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸。

模拟过程中将桩侧土体按照深度平均分成5段,将加固深度分别定义为层1、层2、层3、层4、层5,层6为桩底地层,以研究桩侧不同深度注浆对桩基础承载力影响,该组模拟桩长为20 m。桩单元通过柱体网络,桩单元沿n1、n2、n3方向网格个数分别为3、20、6,比率均为1。桩基土为粉质黏土层,采用柱形隧道外围渐变放射网格单元以桩端所在平面为分界面将地基土分上下两部:上部土体根据桩长平均分为5段,如图6所示,上部沿n1、n2、n3、n4方向网格个数分别为3、20、6、15,比率分别为1、1、1、1.15,如图6所示。为方便土体参数变更,将上层土体划分为5个组。下部沿n1、n2、n3、n4方向网格个数分别为3、6、6、15,比率分别为1、1、1、1.15。

图6 桩侧钻孔注浆数值模拟建模

3.2 数值模拟计算结果分析

3.2.1 既有桩基础桩侧注浆加固对桩侧摩阻力影响

不同加载等级条件下(表7)桩基础侧摩阻力的计算结果如图7所示,B～L为加载等级。如图7(a)所示,未被加固的桩基础在桩顶荷载作用下,桩侧摩阻力曲线沿桩长方向呈抛物线型,桩埋深18 m处存在极值34 kPa。注浆加固后,土体抗剪强度及抗压强度提高,桩侧摩阻力提升明显。图7(b)～图7(f)分别对0～4、4～8、8～12、12～16、16～20 m进行注浆加固没加固段长均为4 m。桩侧注浆对加固处桩侧摩阻力提升明显,对未加固处桩侧摩阻力提升幅度较小。图7(b)～图7(f)的侧摩阻力极值分别存在于桩深2、6、10、14、18 m处,对应的极值分别为49.7、50.5、54.8、59.6、63.6 kPa,因此注浆加固桩基深部效果最佳。由图7(f)可知,桩基底部加固时,桩侧摩阻力的极值最大,但是摩侧阻力的峰值区域变得狭窄,这可能会引起桩基承载力下降。由图7(h)、图7(j)、图7(k)还可知,加固长度为12 m时,不同加固深度对桩侧摩阻力分布规律和加固段长为4 m时具有相似规律。

图7 不同加固深度下桩侧摩阻力分布

表7 桩基础加载等级

图7(j)、图7(h)、图7(i)、图7(l)分别为加固深度8、12、16、20 m时既有桩基础侧摩阻力的分布曲线。加固位置处和未加固位置处桩侧摩阻力都得到提升,这是因为桩基加固范围增大,桩承载力提升幅度增大,较深层土侧摩阻力完全发挥出来。加固深度为16～20 m时,既有桩侧摩阻力分布相近,表明注浆靠近桩端土体加固时,其侧摩阻力提升幅度较小。

3.2.2 不同注浆压力对桩侧注浆加固影响

注浆压力对桩基承载力作用规律的数值模拟结果如图8所示。当注浆压力由0.5 MPa升至1.5 MPa时,桩基承载力显著提高,当注浆压力由1.5 MPa升至2.0MPa时,桩基础承载力相对注浆压力1.5 MPa时,增长幅度变缓。桩基础未注浆加固时承载力为1 356 kN,注浆压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时,桩基础承载力分别提升89.3%、113%、157%、166%。此外,随着注浆压力增大,桩基础承受相同荷载,沉降值减小,有效地提升了桩基承载力。

图8 注浆压力对桩侧注浆加固效果的影响

4 结论

(1)水泥单液浆在粉质黏土地层中以挤密劈裂的加固方式为主,浆液扩散模式呈直线式、放射式,注浆加固效果随注浆压力的增大而提升,随水灰比的增大先提升后减弱。

(2)桩基桩侧注浆加固可以有效减少载荷作用下的桩基沉降和提升桩基承载力,桩基础承载力最大提升166%。

(3)通过数值模拟获得了注浆加固对桩侧摩阻力分布的作用规律,桩基桩侧加固可以有效地提高加固范围内的侧摩阻力,同时加固段越长对于未加固段的影响越大。