软土地区桥梁桩基注浆加固效果及影响参数研究

作者简介：蓝英福（1973—），工程师，主要从事桥梁工程施工工作。

文章以某软土地区桥梁桩基加固工程为研究背景，对桩基周围土体开展室内试验，研究注浆压力与注浆液水灰比对浆脉宽度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角的影响，结合室内试验数据，基于FLAC3D数值模拟软件，采用桩基侧面注浆方法，分析不同注浆深度、注浆长度、注浆压力等条件下桩基荷载-沉降曲线，研究其对桩基极限承载力的影响。结果表明：（1）浆脉宽度随注浆压力的增大在逐渐增大，且增大速率也在逐渐变大，但当注浆压力从1 MPa增加到2.5 MPa，浆脉宽度增加幅度随水灰比的增加在降低，同时随着水灰比的增加，浆液扩散范围在降低；（2）随着水灰比的增大，加固土体的抗压强度、粘聚力、内摩擦角等出现先增大后减小的现象，说明应存在一个最优水灰比；（3）桩基极限承载力随注浆长度、注浆压力的增加在逐渐增大；（4）随着注浆长度的增大，桩基极限承载力在不断提升。

软土地区；注浆参数；注浆加固；桩基极限承载力；数值模拟

U445.55A391384

0 引言

近年来，许多桥梁建设项目尤其是在浙江、福建等沿海地区，由于线路穿越软土地带易导致桥台前移、桥面铺装起拱、桩基差异沉降等病害发生［1］。沿海软土地区因桩基差异沉降导致的交通事故、工程事故数不胜数［2］。因此，亟待开展软土地区桥梁桩基差异沉降及加固措施的研究。

许多学者分别从不同角度对桩基差异沉降及加固措施进行了研究，赵小由等［3］介绍了某跨线桥施工中出现的工程问题，并提出了桩侧及桩底压浆、增加钻孔灌注浆、增加预制管桩等3种基础加固方案；陈德绍等［4］基于MARC软件，研究了增加不同桩数、桩长、桩径等加固措施对桩基沉降的影响；赵志钢等［5］以改扩建桥梁加宽桩基础工程为研究对象，通过数值模拟分析了注浆加固条件下承载力、桩顶沉降量的变化规律；李秋阳［6］阐述了桥梁加宽工程中常见的病害及其影响，分析了注浆沉降控制技术对桥梁桩基的承载力及沉降量的影响；牛健等［7］基于PLAXIS 3D软件，分析了桥梁改扩建工程中典型拼宽梁桥施工过程中桩基内力和桩基变形，研究了新桥桩基长度对差异沉降的影响，并分析了桩底注浆对桩底土体参数的影响；张荆晶等［8］分析了未注浆、桩侧注浆、桩底注浆、联合注浆等4种工况条件下桩基沉降特性，并研究了桩基荷载-沉降曲线演化规律。

目前，关于桩基差异沉降规律及不同加固措施的效果的研究已经取得一定成果，但大多从注浆加固常见土体地区桩基的角度分析桩基沉降量的演化规律，鲜有学者研究软土地区桥梁桩基的注浆加固措施。本文以某软土地区桥梁桩基加固工程为研究背景，对桩基周围土体开展室内试验，研究注浆压力与注浆液水灰比对浆脉宽度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角的影响，结合室内试验数据，基于FLAC 3D软件，采用桩基侧面注浆方法，分析不同注浆深度、注浆长度、注浆压力等条件下桩基荷载-沉降曲线，研究其对桩基极限承载力的影响。从而为桥梁桩基加固工程中注浆位置、注浆长度、注浆压力的选取提供参考。

1 工程概况

本文以某软土地区桥梁桩基加固工程为研究背景，由于当地工厂的新建，该桥梁交通量突增，桥梁承载力逐渐无法满足地方发展，因此，计划在桥梁桩基进行注浆加固，提升该桩基承载力，该桥梁全线采用分离式断面类型。该地受季风性湿润气候影响，气温适中，1月气温最低，7月气温最高，年平均气温在16 ℃左右。四季分明，光照充足，雨量丰沛，5月、6月降雨频繁，年平均降雨量约为1 500 mm。

2 室内试验研究

向桩基周围土体注浆，浆液填充土体孔隙，膨胀后对周围土体产生压力，进而提升土体的内摩擦角、粘聚力、压缩模量等，最终提高桩基承载力。常见的注浆加固措施有两种：桩侧注浆、桩底注浆。注浆液水灰比、注浆压力、距桩基础距离等均会对注浆加固效果产生影响，因此研究注浆参数对土体加固效果尤为重要。该地土层为不同风化程度的淤泥质土层，在直径40 cm，高度80 cm的钢桶里填充满粉质黏土，在钢桶中心位置预留注浆管道。本文设置3种水灰比：0.6、0.8、1，4种注浆压力：1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa，组合共12种工况，分析浆脉宽度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角的演化规律。

2.1 浆脉宽度演化分析

基于Photoshop和Image Pro Plus图像处理软件，可以识别浆脉宽度。为确保图像像素一致需固定高度和加固后土样位置进行拍摄，将得到的图像在Photoshop软件中转化为灰度图，再进行二值化处理，然后通过Image Pro Plus软件进行降噪处理，去除表面杂质干扰，最后通过浆液像素点与总像素进行计算得到浆脉宽度。注浆参数对浆脉宽度的影响如图1所示。

由图1可知，浆脉宽度随注浆压力的增大在逐渐增大，且增大速率也在逐渐变大。随水灰比的增加，注浆压力从1 MPa增加到2.5 MPa浆脉宽度增加幅度在降低：1.94 cm（水灰比0.6）＞1.79 cm（水灰比0.8）＞1.03 cm（水灰比1），说明随着水灰比的增加，浆液扩散范围在降低。同一注浆压力下，浆脉宽度随水灰比的增加在逐渐减小，如：注浆压力1 MPa时，浆脉宽度大小为：3.6 cm（水灰比0.6）＞1.69 cm（水灰比0.8）＞1.32 cm（水灰比1），且曲线距离也在逐渐减小，水灰比从0.6增大到0.8时，浆脉宽度减小了53%，水灰比从0.8增大到1时，浆脉宽度减小了21.9%，说明水灰比越大，浆液扩散越困难。

2.2 抗压强度演化分析

浆脉宽度只能说明浆液扩散的范围，对桩基的加固不仅需注意影响范围，还需注意其对土体强度的影响程度。故采用HCT306E微机控制油电混合伺服压力试验机测量加固后土体的抗压强度随注浆参数变化，如图2所示。

由图2可知，抗压强度随注浆压力的增加在逐渐增大。当注浆压力从1 MPa增加到2.5 MPa时，水灰比0.6抗压强度曲线增大了0.218 MPa，水灰比0.8抗压强度曲线增大了0.338 MPa，水灰比1抗压强度曲线增大了0.228 MPa，说明注浆压力对抗压强度存在正相关关系。水灰比1的抗压强度曲线位于水灰比0.6和水灰比0.8抗压强度曲线之间，当注浆压力1 MPa，水灰比从0.6增加到0.8时，抗压强度从0.135 MPa增大到0.242 MPa，增大了79.3%；水灰比从0.8增加到1时，抗压强度从0.242 MPa减小到0.212 MPa，减小了12.4%，说明在水灰比增大的过程中，浆液加固土样抗压强度先增大后减小，因此需严格控制浆液水灰比。

2.3 抗剪强度演化分析

桩基周围土体不仅承受竖向压力，还需承受侧向土体剪切，故需研究浆液加固土体剪切强度的变化。因此通过环刀在距注浆管10 cm处取样，后在直剪仪上进行试验，得到加固后土体的粘聚力与内摩擦角随注浆参数变化如图3所示。

由图3可知，粘聚力、内摩擦角均随注浆压力的增加在逐渐增大，如：当水灰比为0.8，注浆压力从1 MPa增加到2.5 MPa时，粘聚力从47.7 kPa增大到68.1 kPa，增大了42.8%；当注浆压力从1 MPa增加到2.5 MPa时，内摩擦角从22.84°增大到36.54°，增大了59.98%。当水灰比从0.6增加到0.8时，粘聚力、内摩擦角均有所增大，如：当注浆压力为1 MPa时，粘聚力从44.9 kPa增大到47.7 kPa，增大了6.23%，内摩擦角从22.1°增大到22.84°，增大了3.35%；当水灰比从0.8增加到1时，粘聚力、内摩擦角均大幅度降低，如：当注浆压力1 MPa时，粘聚力从47.7 kPa降低到38.8 kPa，降低了18.7%，内摩擦角从22.84°降低到19.68°，增大了13.84%。

综上所述，注浆参数对浆脉宽度、土体抗压强度、粘聚力、内摩擦角等均有影响。注浆压力与其存在正相关关系，均随注浆压力的增加逐渐增大。注浆液水灰比增加过程中，抗压强度、粘聚力、内摩擦角等先增大后减小，故存在一个最优水灰比，选取的3种水灰比梯度中，水灰比0.8的抗压强度、粘聚力、内摩擦角等均为最大。

3 数值模型的建立

为研究桩侧注浆方式对桥梁桩基承载力的影响，基于FLAC 3D软件，依据某软土地区桥梁桩基加固工程为研究背景，建立桥梁桩基桩侧注浆模型，如下页图4所示。

图4 桥梁桩基桩侧注浆模型图

桥梁桩基高为25 m，桩径为0.8 m。地基土为淤泥质土，初始内摩擦角为15°，粘聚力为70 kPa，弹性模量为10 MPa，泊松比为0.3。为简化计算，将土体设置为同一种土。

根据室内注浆试验，发现注浆下土体物理力学参数会发生变化，从而增强桩基承载力，因此数值模拟中土体注浆加固后物理力学参数如表1所示。

进行桩基注浆时，将注浆加固X范围设置为0～8 m，本文仅研究注浆深度、桩基桩长、桩基对加固效果的影响。

4 结果分析

4.1 注浆深度对加固效果的影响分析

为研究加固深度范围对注浆加固效果的影响，本文设置桩基桩长25 m、桩基0.8 m，注浆压力为1 MPa，注浆加固长度为5 m，加固土体物力力学参数如表1所示。注浆深度加固工况如表2所示。

通过桩基侧注浆后数值模拟，得到荷载-沉降曲线如图5所示。

由图5可知，注浆后桩基承载力显著提升，注浆深度不同对桩基承载力存在一定影响，不同注浆深度承载力如图6所示。

图6 不同注浆深度下桩基极限承载力变化曲线图

由图6可知，6种工况下，桩基极限承载力分别为：1 828 kN（1-0）、2 327 kN（1-1）、2 342 kN（1-2）、2 378 kN（1-3）、2 334 kN（1-4）、2 314 kN（1-5），发现注浆深度对加固效果的影响较小。5种桩基侧注浆较未注浆桩基极限承载力分别提升了：27.3%（1-1）、28.12%（1-2）、30.1%（1-3）、27.7%（1-4）、26.8%（1-5）。

4.2 注浆长度对加固效果的影响分析

为研究注浆长度对注浆加固效果的影响，本文设置桩基桩长25 m，桩基0.8 m，注浆压力设置为1 MPa，加固土体物力力学参数如表1所示。设置如下注浆长度加固工况，如表3所示。

通过数值模拟得到2-1～2-5条件下注浆长度对桩基加固效果的影响，如图7所示。

由图7可知，随着荷载的增加，桩基沉降量在不断增大，且增长速率在不断变大。随着注浆长度的增大，桩基极限承载力在不断变大。

不同注浆长度下桩基极限承载力如图8所示。

由图8可知，5种注浆长度条件下桩基极限承载力分别为：1 828 kN（2-1）、2 806 kN（2-2）、3 113 kN（2-3）、3 455 kN（2-4）、3 675 kN（2-5），说明随着注浆长度的增大，桩基极限承载力在不断提升，且注浆长度对桩基极限承载力的提升效果在逐渐减弱，提升效果大小为：10.7%/m（2-2）、7.03%/m（2-3）、5.9%/m（2-4）、5.05%/m（2-5）。

4.3 注浆压力对加固效果的影响分析

为研究注浆压力对注浆加固效果的影响，本文设置桩基桩长25 m，桩基0.8 m，注浆长度为25 m，加固土体物力力学参数如表1所示。设置注浆压力加固工况如表4所示。

通过数值模拟得到3-1～3-4条件下注浆压力对桩基加固效果的影响，如图9所示。

由图9可知，随着注浆压力的增大，桩基极限承载力在不断变大，3-1、3-2、3-3、3-4的桩基极限承载力分别为：3 675 kPa、3 992 kPa、4 559 kPa、4 619 kPa。较3-1极限承载力分别增大了：8.63%（3-2）、24.1%（3-3）、25.7%（3-4）。说明注浆压力越大，桩基极限承载力越大。

5 结语

本文以某软土地区桥梁桩基加固工程为研究背景，对桩基周围土体开展室内试验，研究注浆压力与注浆液水灰比对浆脉宽度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角的影响，结合室内试验数据，基于FLAC 3D数值模拟软件，采用桩基侧面注浆方法，分析不同注浆深度、注浆长度、注浆压力等条件下桩基荷载-沉降曲线，研究其对桩基极限承载力的影响，得到以下结论：

（1）浆脉宽度随注浆压力的增大在逐渐增大，且增大速率也在逐渐变大；注浆压力从1 MPa增加到2.5 MPa，浆脉宽度增加幅度随水灰比的增加在降低：1.94 cm（水灰比0.6）＞1.79 cm（水灰比0.8）＞1.03 cm（水灰比1），说明随着水灰比的增加，浆液扩散范围在降低。

（2）随着水灰比的增大，加固土体的抗压强度、粘聚力、内摩擦角等出现先增大后减小的现象，说明应存在一个最优水灰比。

（3）桩基极限承载力随注浆长度、注浆压力的增加在逐渐增大。

（4）桩基侧面注入深度不同的5 m浆液的桩基极限承载力较未注浆桩基极限承载力分别提升了：27.3%（深度0～5 m）、28.12%（深度5～10 m）、30.1%（深度10～15 m）、27.7%（深度15～20 m）、26.8%（深度20～25 m）。

（5）随着注浆长度的增大，桩基极限承载力在不断提升，5种注浆长度条件下桩基极限承载力分别为：1 828 kN（深度0～5 m）、2 806 kN（深度0～10 m）、3 113 kN（深度0～15 m）、3 455 kN（深度0～20 m）、3 675 kN（深度0～25 m）。

参考文献

［1］林爱军.深厚软土地区台后填土对桥台桩基的影响分析［J］.西部交通科技，2022（1）：162-165.

［2］陈庆林.基于软土地基的公路桥梁施工关键技术研究［J］.西部交通科技，2020（1）：24-26.

［3］赵小由，饶 中，晋枫春.桥梁桩基沉降处理［J］.公路，2008（7）：206-209.

［4］陈德绍，朱 勇.大型桥梁改扩建工程桩基沉降控制技术方案探讨［J］.西部交通科技，2022（12）：101-104.

［5］赵志钢.旧桥加宽桩基础沉降施工控制技术［J］.交通世界，2022（35）：173-175.

［6］李秋阳.梁桥加宽桩基础沉降差控制技术分析［J］.工程技术研究，2021，6（17）：185-187.

［7］牛 健，苏建明，徐飞萍，等.高速公路梁桥加宽桩基差异沉降分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2018，14（5）：41-43.

［8］张荆晶，夏张琦.基于不同后注浆方法的桥梁桩基沉降分析［J］.建筑技术，2017，48（3）：233-235.