基于室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的圓礫層后注漿灌注樁承載機(jī)理分析

張 鑫,林東明，李少和

(1.華匯工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，浙江 紹興 312000)

鉆孔灌注樁以其深度易于控制、現(xiàn)場制作鋼筋籠以及承載力大、適合各種地層等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到廣泛應(yīng)用,但是任何一種樁型都有其優(yōu)點(diǎn),同時也存在一些缺陷。比如,鉆孔灌注樁由于在施工中使用泥漿護(hù)壁而導(dǎo)致出現(xiàn)泥皮效應(yīng),樁底由于清孔不完全而存在沉渣,這些問題都會引起鉆孔灌注樁承載力達(dá)不到預(yù)期效果,沉降量偏大等問題。因此,工程中在樁端和樁側(cè)注入水泥漿液來克服上述問題[1]。但是,由于該項技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用時間較短,2008年樁基規(guī)范[2]第一次將樁端注漿和樁側(cè)注漿編入規(guī)范,因而在實(shí)際工程中還存在一系列問題,比如注漿段增強(qiáng)系數(shù)的選取,漿液擴(kuò)散半徑以及承載性狀的研究等。在承載力研究方面,龔維明等[3]對試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn),研究樁底壓注漿灌注樁在各種地質(zhì)條件下的工作機(jī)理,并對現(xiàn)場樁基靜載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,確定了壓力注漿樁基的承載力較未壓漿樁基提高的具體區(qū)域范圍。何文安[4]基于實(shí)際工程,采用雙曲線模型荷載傳遞的方法對樁端后壓漿樁基的受力情況進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)樁端后壓漿樁荷載傳遞規(guī)律受多種因素的影響,并對主要因素進(jìn)行了詳細(xì)分析；馮定波[5]詳細(xì)分析了樁端后壓漿對提高樁端承載力和樁側(cè)阻力的影響,發(fā)現(xiàn)樁端后壓注漿能夠改善灌注樁荷載傳遞性能,提高灌注樁的承載力。而這些研究都沒有考慮到樁端土的級配不同,注入水泥漿的多少對漿泡強(qiáng)度的影響以及樁端進(jìn)入透水性較大的圓礫中深度不同而導(dǎo)致的一系列問題。本文將在分析載荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與ANSYS有限元進(jìn)行分析。

1 兩個地區(qū)樁的載荷試驗(yàn)

1.1 工程實(shí)例一

1.1.1 工程地質(zhì)條件

浙江紹興某小區(qū)二期G-31地塊屬杭州灣南岸蕭紹平原地貌,地基土屬蕭紹平原海灣—河流(陸)相沉積物。

1.1.2 試樁參數(shù)的確定及施工情況

該場地試樁1根,采用鉆孔灌注樁加樁端后注漿。樁徑1 000 mm,樁長為48 m,以⑧-3b層作為樁基持力層；樁身混凝土強(qiáng)度為C40；注漿后31 d進(jìn)行破壞性載荷試驗(yàn),試驗(yàn)采用慢速維持荷載法；滿足規(guī)范要求后終止試驗(yàn)。最終確定樁極限承載力為9 600 kN,單樁承載力特征值可達(dá)到4 800 kN。樁所在土層位置見圖1。

圖1 樁體所處土層位置示意

1.2 工程實(shí)例二

1.2.1 工程地質(zhì)條件

紹興市上虞區(qū)濱江新城某地塊,該場地地勢較平坦,屬杭州灣南岸蕭紹濱海平原地貌。

1.2.2 試樁參數(shù)的確定及施工情況

本次載荷試驗(yàn)基樁類型為φ1 000 mm鉆孔灌注樁,樁身混凝土強(qiáng)度為C40；樁長為50 m,進(jìn)行樁端后注漿,樁終止荷載為12 000 kN,對應(yīng)沉降量為28.68 mm,在測試過程中各級沉降穩(wěn)定、連續(xù)、無特變,其單樁承載力特征值不小于6 000 kN。樁所在土層位置見圖1。

從圖2和圖3樁端注漿后的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果看,工程實(shí)例一樁的承載力小于工程實(shí)例二。成樁環(huán)境相似,樁的直徑相同,但兩者樁端圓礫的級配不同,工程實(shí)例一的級配良好,工程實(shí)例二的級配不良；其次是樁進(jìn)入持力層的深度不同,工程實(shí)例一進(jìn)入持力層深度為2 m,而工程實(shí)例二進(jìn)入持力層的深度為10 m；最終導(dǎo)致樁端注漿后承載力有很大差異,出現(xiàn)承載差異是由漿泡模量及漿泡形成的形式?jīng)Q定的。

圖2 工程一靜載荷試驗(yàn)N-S曲線

圖3 工程二靜載荷試驗(yàn)N-S曲線

2 樁端水泥土的室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

靜載荷試驗(yàn)的兩個地區(qū),樁端土持力層均為圓礫,而土的顆粒級配不同。因此,分別取兩個地區(qū)的圓礫,制作成水泥土,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析不同級配條件下水泥土的強(qiáng)度變化。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別在兩個場地取圓礫,水泥摻入量分別為10%、20%、25%、30%,齡期達(dá)到28 d后的試樣進(jìn)行無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用建材實(shí)驗(yàn)室的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。土的級配曲線見圖4。

圖4 土的顆粒級配曲線圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是：相同摻入量條件下,工程實(shí)例一 的土級配良好,但抗壓強(qiáng)度卻低于工程實(shí)例二級配相對不良的土?？箟航Y(jié)果見表1。由此可知,土的級配對水泥土的強(qiáng)度有一定的影響,主要是級配不良的土,孔隙較大,而水泥漿能夠進(jìn)入孔隙,將顆粒牢固粘接在一起；而級配良好的土,本身孔隙較小,需要的漿量不是很多。表1還說明,在水泥摻入量較小的情況下,兩種土的強(qiáng)度沒有太大變化,但是當(dāng)水泥漿摻入量增加時,強(qiáng)度發(fā)生明顯變化,這與分析中土的孔隙大小有很大關(guān)系。

表1 級配不同的水泥土抗壓強(qiáng)度

3 樁的有限元分析

3.1 ANSYS有限元模型的建立

模型的計算參數(shù),對于單樁,樁、土、漿泡均采用節(jié)點(diǎn) SOLID42 單元；模型大小取40.8 m×80.1 m。樁徑為1 000 mm,樁長按與實(shí)際工程的載荷試驗(yàn)樁長一致,取48.2 m。邊界條件為: 兩側(cè)邊均無水平位移,底邊完全固定。土的本構(gòu)模型采用 Drucker-Prager 模型。計算采用的各材料的力學(xué)參數(shù)見表2[6-7]。對某些參數(shù)進(jìn)行影響作用分析時,它的取值有所變化。有限元分析時的選定方案：1)為樁端持力層漿泡模量不變,而樁體進(jìn)入持力層深度與承載力的關(guān)系；2)樁的深度不變,樁端持力層漿泡模量變化對樁承載力的影響。

表2 有限元模型參數(shù)

3.2 ANSYS有限元結(jié)果的分析

本方案首先分析樁端持力層深度不同和土的級配不同情況下有限元的分析。根據(jù)前述不同級配的土和水泥配合后水泥土抗壓強(qiáng)度得出結(jié)論是,級配良好的土由于土體孔隙較小,土顆粒與土顆粒接觸的面積較大,水泥漿液進(jìn)入的較少,抗壓強(qiáng)度相對較??；而級配不良的土孔隙較大,漿液進(jìn)入土中時水泥漿液進(jìn)入的量較大,抗壓強(qiáng)度相對較大。以此室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論設(shè)置漿泡的模量,一個是較小的模量，代表級配良好的土層,一個是較大的模量,代表級配不良的土層,通過有限元分析得出荷載和變形關(guān)系曲線圖見圖5；圖6是分析樁端進(jìn)入持力層不同深度下的有限元分析后的變形云圖。工程一進(jìn)入持力層深度為2 m,工程二進(jìn)入持力層深度為10 m。

圖5 漿泡不同模量下變形分析云圖

圖6 樁端進(jìn)入持力層深度不同變形分析云圖

4 樁的承載力結(jié)果分析

上述分析的兩個工程地質(zhì)條件相似,樁長和樁徑基本一樣,持力層同處于圓礫中,不同之處在于兩個工程實(shí)例的持力層的圓礫級配不同,以及樁端進(jìn)入持力層的深度不同,工程實(shí)例一樁端進(jìn)入持力層深度為2 m,工程實(shí)例二樁端進(jìn)入持力層深度為10 m,最后結(jié)果是載荷試驗(yàn)相差很大。筆者認(rèn)為,承載力的差異主要是與漿液和樁體周圍土體形成的漿泡大小,或者說注漿效果以及樁端水泥土的模量是有很大關(guān)系的。通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：樁端水泥土的模量與土的級配關(guān)系密切。

如圖7所示的是漿泡模量不同(土的級配不同,形成模量不同的漿泡)的情況在受到相同荷載作用下N-S曲線圖。通過該圖可知,樁端形成漿泡模量不同,則樁的承載力是模量大的高,模量小的低,但變化不是特別明顯。通過以往文獻(xiàn)可知[8]：如果漿泡模量一定,漿泡所在范圍越大,那么承載力越高。對于級配不良的圓礫,由于其孔隙比較大,在一定壓力下漿液滲入土中相對比較容易,擴(kuò)散的范圍也相對較大。因此,承載力比級配良好的土大。

圖7 樁端兩種級配土形成的漿泡N-S曲線

圖8中是樁端進(jìn)入持力層圓礫中不同深度形成的N-S曲線,一根樁進(jìn)入持力層深度是2 m,一根樁進(jìn)入持力層深度為10 m,獲得圖中N-S曲線。通過曲線可知,樁體進(jìn)入持力層深度越深,樁的承載能力越大,主要的原因是樁端土層是圓礫,漿液很容易灌入土層,相應(yīng)的在一定壓力下漿液擴(kuò)散的距離也較遠(yuǎn)。而分析前述工程實(shí)例一和工程實(shí)例二中,兩者持力層上部都是黏性土,而漿液在黏性土中擴(kuò)散比較困難。因此,從注漿效果上來說,工程實(shí)例二的注漿效果比工程實(shí)例一的要好很多,因此也印證了兩個工程的靜載荷試驗(yàn),同樣的工程地質(zhì)條件下,工程實(shí)例二的承載力高于工程實(shí)例一的承載力。導(dǎo)致這個結(jié)果的原因還有：按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》中規(guī)定,樁端注漿過程中,一部分漿液會沿著樁的側(cè)壁向上爬升,一般對于鉆孔灌注樁而言,攀升的高度是6 m,但兩個工程的特點(diǎn)都是持力層上部有黏土層,而黏土具有滲透性差的特點(diǎn),漿液很難注入,在一定壓力情況下,漿液很難沿側(cè)壁向上爬升,更多的漿液將向持力層圓礫中滲透。由于樁端進(jìn)入持力層深度不同,工程實(shí)例二有很長一段圓礫層,在一定注漿壓力作用下會向圓礫層中擴(kuò)散,沿樁體側(cè)壁爬升的高度也較高,而且形成漿泡的范圍從滲透的角度分析也會很大。因此,工程實(shí)例二的注漿效果好于工程實(shí)例一,相應(yīng)的承載力也很高。

圖8 樁端進(jìn)入持力層深度不同N-S曲線

5 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析,得到以下結(jié)論：

1)在室內(nèi)進(jìn)行摻入不同含量的水泥漿液試驗(yàn)并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試,實(shí)驗(yàn)得出兩種不同級配的圓礫模量是不同的,級配良好的圓礫模量較小,級配不良的圓礫模量較大。

2)由于兩個工程地質(zhì)條件相似,但樁端土的級配不同,并且工程實(shí)例一的樁端進(jìn)入持力層深度為2 m,工程實(shí)例二樁端進(jìn)入持力層深度為10 m,兩個工程持力層上部為黏性土。結(jié)果是：漿液在工程實(shí)例二級配不良的土中注漿效果比工程實(shí)例一的要好很多,樁的承載力也較大。

3)樁端注漿是一個復(fù)雜的過程,影響注漿樁的承載力因素有很多,有土質(zhì)原因，也有樁端進(jìn)入持力層深度土位置不同而承載力不同。