后注漿抗拔樁在復(fù)雜地層下的試驗及模擬研究

杜明芳，王 強(qiáng)

(河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院， 鄭州 450001)

0 引言

隨著城市不斷發(fā)展，地上用地逐漸緊張，地下空間結(jié)構(gòu)的開發(fā)和利用更加廣泛。為了有效地抵抗地下水的浮力，通常在地下結(jié)構(gòu)中設(shè)置抗拔樁。然而，由于部分地區(qū)的土質(zhì)情況較為復(fù)雜、施工工藝不成熟等因素，導(dǎo)致抗拔樁的承載力不滿足要求。近年來，許多專家學(xué)者針對如何提高抗拔樁承載力提出了多種方法。其中，對抗拔樁進(jìn)行后注漿是一個較為常用的方法，且效果明顯，應(yīng)用前景廣闊[1]。

后注漿是指在灌注樁成樁后通過樁身的注漿導(dǎo)管對樁側(cè)或樁端進(jìn)行注漿，改善接觸面的特性，從而提高承載力。本工程通過對復(fù)雜地層下承載力不足的抗拔樁進(jìn)行后注漿，證實了后注漿對于抗拔樁承載力有提高作用。

1 工程概況

鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程施工第三標(biāo)段位于鄭州東站東廣場核心區(qū)域，即七里河南路、商鼎路、莆田路和博學(xué)路之間的圍合區(qū)域。項目為地下三層框架結(jié)構(gòu)，其中地下一層為商業(yè)和下沉廣場，地下二、三層為停車場。擬建區(qū)內(nèi)抗浮水位為地下0.5m。地層結(jié)構(gòu)主要由人工堆填土、壓實填土、全新統(tǒng)沖洪積層以及上更新統(tǒng)沖洪積層組成，全新統(tǒng)地層結(jié)構(gòu)主要為粉土、粉砂以及粉質(zhì)黏土； 上更新統(tǒng)地層結(jié)構(gòu)主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂組成。具體土層參數(shù)見表1。

各土層力學(xué)參數(shù) 表1

在場地地表處，實際地質(zhì)條件為流塑狀的黑色土質(zhì)，含水量較大，深挖后自動塌落，狀如黑色淤泥?，F(xiàn)場土質(zhì)情況圖見圖1。

圖1 現(xiàn)場土質(zhì)情況

場地內(nèi)工程試樁施工工藝為回旋鉆鉆孔灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級為C50。試樁檢測內(nèi)容為單樁抗拔承載力和樁身完整性檢測。試樁中承載力不滿足設(shè)計要求的樁匯總見表2。

由于土層中含有部分較軟的粉質(zhì)黏土和松散的細(xì)砂層，為了防止成孔過程中孔壁坍塌，保持孔壁穩(wěn)定，要進(jìn)行泥漿護(hù)壁。泥漿顆粒吸附于孔壁形成泥皮，由于土層性質(zhì)以及成孔機(jī)械為回旋鉆機(jī)，采用泥漿循環(huán)成孔方式，導(dǎo)致泥皮過厚，樁側(cè)摩阻力顯著降低，樁抗拔承載力降低。

又由表2的樁身完整性檢測結(jié)果可知，承載力不滿足要求的基樁20-D1-1樁底存在明顯缺陷，應(yīng)是由于土層性質(zhì)或成樁過程中清孔工藝不到位造成樁底存在一定厚度的沉渣，導(dǎo)致樁端土對抗拔樁的錨固力極大地降低，樁端阻力很小。

為了改善樁側(cè)泥皮和加固樁底沉渣，本工程采用樁端樁側(cè)復(fù)式后注漿工藝，以降低泥皮和沉渣對樁側(cè)摩阻力和端阻力的影響，提高單樁抗拔承載力。

承載力不滿足設(shè)計要求基樁匯總 表2

2 后注漿試驗

2.1 后注漿加固機(jī)理分析

本試驗后注漿為樁端及樁側(cè)復(fù)合后注漿。樁端后注漿是在鉆孔灌注樁成樁后，通過預(yù)埋在樁身的注漿管，利用壓力作用，經(jīng)樁端的預(yù)留壓力注漿裝置均勻地向樁端土層注入漿液。漿液通過滲透、擠密、充填及固結(jié)作用，使樁端沉渣得到加固，并形成擴(kuò)大頭，提高樁端所受的握裹力，從而提高樁端阻力。同時當(dāng)注漿壓力提高時，注漿量不斷增加，漿液沿樁土接觸面向上“返漿”，在一定程度上減小泥皮帶來的不良效應(yīng)，使樁側(cè)摩阻力得到提高，從而提高了抗拔承載能力。

樁側(cè)后注漿與樁端后注漿類似，通過樁身預(yù)埋的注漿管將漿液注入，漿液注入樁周一定范圍的土體中，從而對樁周土進(jìn)行加固，減小了泥皮對樁側(cè)摩阻力的影響，提高單樁抗拔承載力[2-3]。

2.2 后注漿施工工藝

后注漿施工工藝流程：灌注樁成孔→鋼筋籠制作→注漿管制作→灌注樁清孔→注漿管綁扎→下鋼筋籠→灌注混凝土→灌注樁后壓漿施工[4]。

注漿采用環(huán)式注漿工藝，將注漿管沿樁周環(huán)向布置，通過不同標(biāo)高多個環(huán)形注漿面實現(xiàn)整個樁身注漿。注漿時，漿液由縱向注漿管經(jīng)環(huán)形管直接注入土層。由于每一個環(huán)形注漿面需對應(yīng)一個注漿管與地面注漿裝置連通，因此注漿面不宜設(shè)置過多，本試驗設(shè)置三個注漿面。應(yīng)通過加大注漿量提高注漿面的影響范圍。

注漿面布置見圖2，樁側(cè)面有6根直徑32mm、壁厚3mm的鋼管環(huán)形對稱布置，注入漿液為水灰比0.55的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。終止注漿壓力：樁端為3MPa，樁側(cè)為2MPa； 注漿流量為75L/min，單樁注漿量為4.3t。

圖2 注漿面布置圖

2.3 后注漿試驗結(jié)果

為了更加直觀地說明后注漿對抗拔樁抗拔承載力的提高作用，在注漿后30d時對注漿樁進(jìn)行了單樁抗拔靜載試驗，將注漿樁與之前的未注漿樁根據(jù)樁所在的區(qū)域不同分為兩組，試驗結(jié)果見表3。從兩組試樁中分別挑出一根未注漿樁和一根注漿樁，將兩根樁的荷載-位移(U-δ)曲線進(jìn)行對比，如圖3、圖4所示。

單樁豎向抗拔靜載荷試驗結(jié)果 表3

圖3 第一組未注漿樁與注漿樁U-δ曲線圖

圖4 第二組未注漿樁與注漿樁U-δ曲線圖

由表3的試驗結(jié)果可知，第一組后注漿樁相比未注漿樁的單樁抗拔極限承載力提高66.7%?？傮w來看，注漿后的各樁的最大沉降相比未注漿樁均有大幅度減小，且抗拔極限承載力均滿足設(shè)計要求。由此可見，樁端樁側(cè)復(fù)式后注漿工藝可以提高抗拔樁抗拔承載力。

3 后注漿結(jié)果分析

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5](簡稱樁基規(guī)范)規(guī)定：單樁注漿量的設(shè)計應(yīng)根據(jù)樁徑、樁長、樁端樁側(cè)土層性質(zhì)、單樁承載力增幅及是否為復(fù)式注漿等因素確定，可按下式估算：

Gc=αpd+αsnd

(1)

式中：Gc為注漿量，以水泥質(zhì)量計，t；αp，αs分別為樁端、樁側(cè)注漿量經(jīng)驗系數(shù)，αp=1.5～1.8，αs=0.5～0.7，對于卵石、礫石、中粗砂取較高值；d為樁設(shè)計直徑，m；n為樁側(cè)注漿面數(shù)。

對獨立單樁、樁距大于6d的群樁和樁距小于6d的群樁中初始注漿的數(shù)根樁的注漿量應(yīng)按上述估算值乘以1.2的系數(shù)[5]。

對于本工程后注漿試驗來說，實際注漿以注漿量為主，但達(dá)到設(shè)計注漿量后，注漿壓力并未達(dá)到3MPa。因此繼續(xù)注漿，終止注漿時的實際注漿水泥量達(dá)到4.25～4.40t。

由于對后注漿抗拔樁所進(jìn)行的單樁抗拔靜載試驗并非破壞性試驗，則后注漿抗拔樁的抗拔極限承載力還有一定的安全儲備。因此，考慮經(jīng)濟(jì)因素，可以在抗拔樁抗拔極限承載力滿足設(shè)計要求的前提下，將單樁實際注漿量在4.25～4.40t的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小。在終止注漿壓力達(dá)不到3MPa的情況下，調(diào)整注漿安全系數(shù)保證注漿量滿足要求。

根據(jù)式(1)，并結(jié)合樁端、樁側(cè)注漿量經(jīng)驗系數(shù)和本工程實際地質(zhì)情況進(jìn)行如下計算：

由于土層中含細(xì)砂，則式(1)中的樁端、樁側(cè)注漿量經(jīng)驗系數(shù)取上限，即取樁端注漿量經(jīng)驗系數(shù)αp=1.8、樁側(cè)注漿量經(jīng)驗系數(shù)αs=0.7； 根據(jù)圖2的注漿面布置圖可知，取樁側(cè)注漿面數(shù)n=2、樁徑d=0.8m，同時還要考慮充盈率修正系數(shù)1.2?？紤]若按照設(shè)計注漿量來注漿，終止注漿壓力達(dá)不到設(shè)計的3MPa，因此為使注漿量滿足要求，將注漿安全系數(shù)提高至1.2。計算得Gc=(1.8×0.8×1.2+0.7×2×0.8×1.2)×1.2=3.6 864t≈3.7t。

因此，根據(jù)樁基規(guī)范的注漿量經(jīng)驗公(式(1))計算，并結(jié)合實際地質(zhì)條件，當(dāng)終止注漿壓力小于3MPa時，實際注漿量可減少至3.7t。之后對兩根未注漿樁，按照單樁實際注漿量3.7t進(jìn)行注漿，通過單樁抗拔靜載試驗測得該兩根樁的單樁抗拔極限承載力依然滿足4 600kN的設(shè)計要求。

綜上所述，考慮經(jīng)濟(jì)因素，并通過試驗驗證，樁基規(guī)范的注漿量可適當(dāng)減小。

4 對未注漿樁和注漿樁樁側(cè)摩阻力和端阻力的分析

樁周第i層土平均側(cè)摩阻力qsik的測定是根據(jù)樁的荷載傳遞機(jī)理，在樁身的各土層分界面處安裝鋼筋應(yīng)力計，在極限承載力作用下讀取相應(yīng)數(shù)值。

由于鋼筋應(yīng)力計應(yīng)變量與樁身混凝土應(yīng)變量相等，可以根據(jù)實測鋼筋軸力和對應(yīng)的樁身彈性模量等來計算樁身軸力，公式如下：

(2)

式中：Qi為第i層土處樁身軸力，kN；Qs為鋼筋軸力，kN；Ej為j級荷載作用下的樁身彈性模量，kPa；Es為鋼筋的彈性模量，kPa；Ai為第i層土處樁身截面面積，m2；As為鋼筋的截面面積，m2。

根據(jù)各截面的樁身軸力可以計算樁周第i層土平均側(cè)摩阻力qsik，計算公式如下:

qsik=(Qi-Qi+1)/Si

(3)

式中：Qi+1為第i+1層土處樁身軸力，kN；Si為第i層土處樁的側(cè)表面積，m2。

未注漿樁與注漿樁樁周各土層平均極限側(cè)摩阻力計算結(jié)果及地勘報告測得的各土層平均側(cè)摩阻力匯總見表4。

未注漿樁與注漿樁各土層平均極限側(cè)摩阻力對比 表4

單樁承載力特征值計算公式為[5]：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(4)

式中：Quk為單樁承載力特征值，kN；Qsk為單樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qpk為單樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u為樁身周長，m；li為樁穿越第i層土的厚度，m；qpk為樁端單位面積阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；Ap為樁截面面積，m2。

第一組試驗樁中，未注漿樁實測單樁抗拔極限承載力為2 760kN，注漿樁為4 600kN。由式(3),(4)可算出樁端單位面積阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk(位于粉質(zhì)黏土層)：未注漿樁128kPa，注漿樁342kPa； 地勘報告給出的為300kPa。

由表4數(shù)據(jù)可知，在樁側(cè)泥皮存在的情況下，未注漿樁樁側(cè)摩阻力計算值相比地勘報告測得的樁側(cè)摩阻力減小，但經(jīng)過后注漿后樁側(cè)摩阻力實測值得到提高，具體減小及增強(qiáng)系數(shù)見表5。且未注漿樁樁端阻力為128kPa，注漿后樁端阻力提高至342kPa，樁端阻力大大提高。

此外，由于注漿后抗拔樁的承載力并未到達(dá)極限，即注漿后抗拔樁的側(cè)摩阻力并未到達(dá)極限，所以注漿后側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)尚有提高潛力。

泥皮土側(cè)摩阻力減小系數(shù)β1及后注漿側(cè)摩阻力增強(qiáng)系數(shù)β2 表5

5 后注漿抗拔樁有限元數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗證后注漿對抗拔樁承載力的提高作用，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立原樁土相互作用的有限元模型以及注漿后的樁土模型進(jìn)行模擬分析。

5.1 模型參數(shù)選取

土體選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，各土層力學(xué)參數(shù)選取見表6。樁體和注漿加固體選用線彈性模型，樁體和注漿加固體的材料參數(shù)見表7。樁土、樁與加固區(qū)、加固區(qū)與土體之間的接觸面均為面面接觸，接觸面參數(shù)見表8[6-7]。

各土層力學(xué)參數(shù) 表6

樁體和注漿加固體的材料參數(shù) 表7

接觸面參數(shù) 表8

5.2 模型建立

通過建立二維有限元樁土模型進(jìn)行分析。設(shè)置樁側(cè)注漿加固區(qū)厚度為10cm，樁端注漿加固區(qū)厚度為30cm。運(yùn)用位移控制法對抗拔樁施加上拔荷載，控制樁頂最大位移為40mm，分15步施加上拔位移，以此模擬樁身上拔的過程。

網(wǎng)格劃分過程中，土體采用CPE4R單元劃分，樁體采用CPS4R單元劃分，注漿加固區(qū)采用CPS3單元劃分。在模擬過程中，土體采用二維平面應(yīng)變四節(jié)點實體單元進(jìn)行模擬，樁體采用二維平面應(yīng)力四節(jié)點實體單元進(jìn)行模擬，注漿加固區(qū)采用二維平面應(yīng)力三節(jié)點實體單元進(jìn)行模擬。

5.3 模擬結(jié)果及分析

原樁土模型的位移和應(yīng)力云圖及注漿后的樁土模型位移和應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 原樁土模型與注漿后樁土模型位移及應(yīng)力云圖

在后處理過程中，將模擬的樁頂荷載及位移數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并繪制未注漿樁及注漿樁的荷載-位移(Q-S)曲線，見圖6[8]。

圖6 未注漿樁與注漿樁Q-S曲線模擬

由圖6的模擬結(jié)果可知，未注漿樁的抗拔極限承載力為2 500kN，后注漿樁的抗拔極限承載力為4 300kN，注漿樁比未注漿樁的抗拔極限承載力提高72%。模擬結(jié)果與試驗情況基本相符，說明模型設(shè)置參數(shù)及所建立模型合理，計算結(jié)果可靠[9-10]。

5.4 樁端注漿量對抗拔樁承載力的影響

控制樁側(cè)注漿區(qū)厚度10cm不變，通過改變樁端注漿區(qū)厚度來觀察抗拔樁承載力的變化。將樁端注漿加固區(qū)的厚度由30cm分別改為50cm和70cm，并分別建立模型進(jìn)行計算，繪制不同樁端加固區(qū)厚度的樁的荷載-位移曲線，見圖7。

圖7 不同樁端注漿區(qū)厚度的樁Q-S曲線模擬

由圖7的模擬結(jié)果可知，通過增大樁端注漿區(qū)厚度，抗拔樁承載力進(jìn)一步提高。模擬結(jié)果與試驗情況基本相符，說明模型及模擬結(jié)果合理。

6 結(jié)論

通過對本工程承載力不足的抗拔樁進(jìn)行后注漿，并對后注漿試驗結(jié)果進(jìn)行分析及對后注漿抗拔樁的有限元數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)對承載力不足的抗拔樁進(jìn)行樁端樁側(cè)復(fù)式后注漿，可以使抗拔樁單樁抗拔極限承載力提高66.7%。注漿后抗拔樁的承載力均滿足設(shè)計要求，且各樁的最大沉降均大幅度減小。

(2)由對后注漿試驗結(jié)果進(jìn)行的分析可知，考慮經(jīng)濟(jì)因素，將注漿樁單樁實際注漿量由4.3t左右減少至3.7t后，注漿樁的抗拔承載力依然滿足設(shè)計要求，說明通過試驗驗證，由樁基規(guī)范計算的注漿量可適當(dāng)減小。

(3)通過有限元模擬證實了后注漿對抗拔樁抗拔承載力的提高作用，且通過研究樁端注漿量對抗拔樁承載力的影響，說明增大樁端注漿區(qū)厚度、加強(qiáng)樁端注漿，抗拔樁的承載力將進(jìn)一步提高。