擾動地層加固技術(shù)與效果評價研究*

張傳奎，路 鵬，王 亮，郟建樹，付 濤

(1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟南 250101； 2.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟南 250101； 3.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250021)

0 引言

高壓噴射注漿法加固機理是利用導(dǎo)管噴射出的高壓水泥漿和空氣介質(zhì)，共同沖擊破壞土體結(jié)構(gòu)，并與之充分混合，形成具有一定強度的圓柱狀固體結(jié)構(gòu)，從而加固地基基礎(chǔ)[1-3]。噴射注漿法通過泥漿泵及高壓水泵改變噴射流體介質(zhì)，用作防滲或止水帷幕，由于噴嘴的擺動角度可根據(jù)需要進行調(diào)整，故在地下防滲工程中，使噴射形成的固結(jié)體呈扇形或壁形，扇形或壁形固結(jié)體相互疊合構(gòu)成封閉區(qū)域后，可有效防止地下水的滲透，改善地基土的水流性質(zhì)[4-7]。

在主橋橋址處采砂會影響群樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量、降低群樁基礎(chǔ)的承載力，不利于群樁基礎(chǔ)受力[8]。本文以淮南淮上淮河大橋為背景，針對由于采砂導(dǎo)致河床塌陷深度較大的地質(zhì)問題，采用高壓噴射注漿法加固擾動地層，通過有限元軟件建立加固前后的三維群樁有限元模型，對采用高壓噴射注漿法加固擾動地層條件下橋梁群樁基礎(chǔ)的豎向承載性能進行有限元分析，對比加固前后群樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的樁側(cè)平均摩阻力、樁身平均軸力與樁端沉降變化，確定群樁基礎(chǔ)的豎向承載力。

1 工程概況

淮南淮上淮河大橋施工時，主橋橋位施工區(qū)域河岸坍塌，通過初步測量，發(fā)現(xiàn)河床高程與設(shè)計有顯著偏差，通過分析，因采砂導(dǎo)致橋址周圍河床及河岸塌陷，且采砂層上方土體處于沉降狀態(tài)，使河床土壤松散，形成擾動地層。通過測量發(fā)現(xiàn)主橋橋位處有嚴重采砂現(xiàn)象，導(dǎo)致河床坍塌7～8m，土層影響范圍較深。經(jīng)過地質(zhì)勘察最終確定受擾動地層范圍為-32.8～-18.1m，深度達14.7m。土層受采砂擾動范圍如圖1所示。鑒于河床下降和地層擾動問題，需重新勘測、驗算主橋，經(jīng)過鉆孔取芯勘測、驗算后，原大橋設(shè)計方案發(fā)生變更，采用增大樁徑、樁基間距和樁長的設(shè)計方案，樁徑由原設(shè)計2.0m變更為2.5m，樁基間距由5.0m增大為6.25m。群樁基礎(chǔ)如圖2所示。

圖2 群樁基礎(chǔ)示意(單位：cm)

為控制樁基施工質(zhì)量，需控制泥漿性能指標，不同地層需調(diào)配不同指標的泥漿，尤其是因采砂擾動的地層，應(yīng)增加護壁泥漿的相對密度，以求達到更好的護壁效果。合理控制鉆進速度，不同土質(zhì)地層分別采用不同鉆進速度，當鉆至強風化砂質(zhì)泥巖時，由于該層土質(zhì)黏度較大，多次發(fā)生糊鉆現(xiàn)象，需提鉆清理鉆頭，導(dǎo)致鉆進速度緩慢，鉆進過程中，即使采取保證樁基質(zhì)量的施工措施，仍發(fā)生護筒突然下沉、瞬間沒入水中的現(xiàn)象。由此可見，即使在慢速鉆進、以優(yōu)質(zhì)泥漿護壁的前提下，仍發(fā)生擴孔、護筒掉落現(xiàn)象，同時因地層擾動范圍較深、擴孔范圍較大、鋼護筒下落較深的緣故，嚴重影響樁基施工。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，鉆孔施工時，鋼護筒底端位于擾動地層范圍內(nèi)，底部發(fā)生擴孔后沿護筒外部向上發(fā)展，造成護筒與外側(cè)土體脫離，當外側(cè)土體對護筒的摩阻力不足以和護筒自重平衡時，護筒會掉落，由于受擾動地層較厚且擴孔范圍較大，故護筒下落深度較大。

通過分析鉆孔灌注樁鉆進過程中遇到的問題可知，主橋橋位處因采砂引起的復(fù)雜地質(zhì)條件，如果不預(yù)先加固擾動地層，將無法進行橋梁群樁基礎(chǔ)施工。

2 采砂擾動地層加固技術(shù)

2.1 加固方案

主橋處采用高壓噴射注漿法加固擾動地層，在每個單樁周圍設(shè)置一定數(shù)量的高壓旋噴樁。開挖灌注樁鉆孔前，在每個樁位鉆孔處施打高壓旋噴樁，每個樁基周圍設(shè)置13根樁徑1m的高壓旋噴樁，旋噴樁間距為76.57cm，旋噴樁間重合23.34cm。每個樁基內(nèi)設(shè)置3根樁徑0.8m的高壓旋噴樁，樁心距為121.24cm。方案設(shè)計如圖3所示。每個樁基樁位處施打16根高壓旋噴樁，每個主墩下共20根樁基，則每個主墩下各320根高壓旋噴樁。

圖3 高壓旋噴樁實施方案(單位：cm)

該加固方案施工機具較小，施工方便，可與鉆孔同時施工，在保證樁基施工工期的同時，有效防止鉆進成孔時在采砂擾動層和砂層中擴孔，對擾動層加固效果好。

2.2 高壓旋噴樁施工關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1技術(shù)參數(shù)

高壓旋噴樁注漿時，選取32.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在0.8～1.1，漿液溫度宜控制在5～40℃。 注漿壓力控制在20～25MPa，注漿量控制在55～65L/min，噴桿提升速度控制在13～18cm/min，噴桿旋噴速度控制在18～22r/min。

2.2.2打設(shè)順序

高壓旋噴樁采用雙重管法施打，施工過程中為防止串孔，各機組采取跳打法，當穿越高壓縮土層時適當減小噴漿壓力、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等。

高壓旋噴樁施工分3輪進行，第1輪先間隔施工外圍樁，待符合要求后對外圍剩余樁進行第2輪施工，最后施工孔內(nèi)樁，如圖4所示。

圖4 高壓旋噴樁施工順序

高壓旋噴樁打新孔時，先前施打的孔強度應(yīng)符合規(guī)定，即待高壓旋噴樁達到2d齡期后，方可施工下輪高壓旋噴樁。

2.2.3施工控制

高壓旋噴樁施工過程中嚴格按照設(shè)計放樣打設(shè)水中套管，并作為定位孔，套管采用直徑20cm、壁厚8mm的鋼管，入土深度≥2m，孔口平面誤差≤2cm，套管傾斜度≤1%，準確定位后將孔口固定于施工平臺上。鉆進過程中應(yīng)保證鉆孔垂直度≤1%，采用膨潤土造漿護壁。

3 橋梁群樁基礎(chǔ)承載性能分析

3.1 數(shù)值分析模型與方法

利用ABAQUS進行數(shù)值模擬計算分析，選取高壓噴射注漿法加固前后的群樁基礎(chǔ)作為研究對象，主墩承臺截面尺寸為29.1m×22.85m，厚6m，承臺下設(shè)置20根摩擦型鉆孔灌注樁，單樁直徑為2.5m、長度為103m，持力層為中風化泥質(zhì)砂巖。本文共建立2個含有群樁基礎(chǔ)和土層的三維有限元模型：①模型Ⅰ 未采用旋噴注漿法加固的三維群樁基礎(chǔ)樁土有限元模型；②模型Ⅱ 采用旋噴注漿法加固擾動地層后的三維群樁基礎(chǔ)樁土有限元模型。分析模型Ⅰ，Ⅱ的受力特性。

3.1.1模型計算區(qū)域

利用ABAQUS軟件建立的模型都是有限大的空間體，為保證計算結(jié)果的準確性和計算效率，假設(shè)土體為空間半無限體。土體計算區(qū)域大小與計算時間和計算精度成正比，但與計算效率成反比[9-10]。確定模型計算區(qū)域時，為兼顧計算效率和精度，土體水平方向取承臺尺寸的4倍，豎直方向取承臺厚度與2倍樁長之和作為計算范圍，建立半無限空間體模型，由此確定有、無旋噴樁的計算模型在土體水平方向尺寸分別為116.4，91.4m，豎直方向尺寸均為212m。邊界條件均為固定樁土模型兩側(cè)的水平自由度，同時固定土體底部水平和豎直方向的自由度，由此建立的三維有限元模型如圖5所示。

圖5 三維有限元模型

3.1.2樁土本構(gòu)模型和接觸模型

建立樁土分析模型時，均采用三維結(jié)構(gòu)實體單元，共有8個節(jié)點。樁基礎(chǔ)簡化為純混凝土結(jié)構(gòu)，不考慮鋼筋影響。鑒于混凝土彈性模量比樁基四周土體的彈性模量大很多，樁基在外荷載作用下發(fā)生彈性形變，所以選用彈性模型。高壓旋噴樁是由土體和混凝土組成的混合體，不僅具有混凝土彈性特征，還有土體塑性特點，所以高壓旋噴樁本構(gòu)模型采用彈塑性模型，土體材料采用莫爾-庫侖模型，可方便定義不同土體的材料參數(shù)。

使用有限元軟件ABAQUS模擬群樁基礎(chǔ)樁土模型時，采用罰函數(shù)求解群樁與土的接觸問題。在樁土接觸問題的模擬中，首先要選擇接觸面與本構(gòu)模型[11-13]。本文采用硬接觸方式確定接觸面法向作用，用庫侖摩擦力模型確定面與面間的切向作用，通過定義接觸面間的摩擦系數(shù)模擬接觸界面間的摩擦特性，當?shù)刃Σ亮Σ淮笥谂R界應(yīng)力時，就不會產(chǎn)生滑移[14-15]。

群樁采用考慮樁土接觸作用的有限元模型，分別建立樁基與土層和旋噴樁的接觸模型、承臺底及承臺四周與土層的接觸模型，均為面-面接觸；樁周與土層接觸法向行為為硬接觸，切向行為為庫侖摩擦，摩擦系數(shù)由tanφ取值；樁端與基底土層采用Tie綁定約束，使兩接觸面有相同自由度。

群樁有限元分析模型選用面-面接觸，在指定樁基表面與土層和高壓旋噴樁表面發(fā)生接觸，對2個接觸面采用主-從接觸模型，定義主控面時，選取表面尺寸較大的面；如果2個面大小相近，則主控面選擇較高剛度；若2個接觸面大小和剛度都非常相似，主控面應(yīng)基于網(wǎng)格規(guī)格選取，基于以上原則，將樁基礎(chǔ)表面、承臺底面及側(cè)面定義為主控面，從屬面為高壓旋噴樁表面和土體表面。

3.1.3模型計算參數(shù)選取

群樁基礎(chǔ)中樁基和承臺均選用C30混凝土，彈性模量為30 000MPa，泊松比取0.2。高壓旋噴樁長18.7m、直徑1.0 m，選用普通硅酸鹽水泥，強度等級32.5級，彈性模量10 000MPa，黏聚力0.4kPa，內(nèi)摩擦角30°，摩擦系數(shù)0.58，泊松比0.2。土體各項參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報告取值，如表1所示。

表1 土層計算參數(shù)

3.1.4模型單元劃分

利用掃掠(sweep)網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格時，對群樁的每個樁基部分進行網(wǎng)格細分，在樁徑方向劃分3個種子，豎向布置全局種子，密度為0.5；承臺處水平方向布置全局種子，密度為1。旋噴樁因形狀特殊，故在劃分時徑向劃分5個種子，豎向布置全局種子，按大小劃分單元，單元尺寸設(shè)為1。土體水平方向按距離1/2劃分(距軸線越遠，網(wǎng)格越稀疏)，豎向樁基范圍內(nèi)布置全局種子，密度為2，而樁底以下范圍土體所受影響小，故網(wǎng)格劃分較稀疏，種子密度為5，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分示意

3.1.5初始地應(yīng)力場平衡

任何工程施工前，地表雖未發(fā)生位移，但土層已存在應(yīng)力，有應(yīng)力存在但未發(fā)生位移的狀態(tài)稱為地應(yīng)力平衡[16-17]。首先建立地應(yīng)力平衡荷載分析步，即按工程實際情況對有限元模型施加邊界條件，考慮土體自重作用，計算得到土體單元在重力荷載下的應(yīng)力分布，然后定義平衡荷載步施加自重，提取出計算得到的單元內(nèi)力，反向施加于有限元模型，根據(jù)平衡原理施加重力荷載，使內(nèi)力和外力平衡，地表豎向位移及土體變形趨于零。

通過在初始分析步中輸入不同材料的最高和最低點自重應(yīng)力及相應(yīng)坐標，定義初始應(yīng)力場。平衡后的土層豎向位移云圖如圖7所示，地層位移最大值的數(shù)量級為10-4m，平衡結(jié)果滿足要求，不會對后續(xù)數(shù)值分析結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖7 初始地應(yīng)力平衡后位移云圖(單位：m)

3.2 數(shù)值分析結(jié)果

3.2.1樁側(cè)平均摩阻力

當樁與樁四周的土相互作用時產(chǎn)生摩擦阻力，樁頂豎向荷載通過摩擦阻力傳遞給樁側(cè)土體[18-19]。通過有限元分析得出樁土間側(cè)摩阻力的分布特性，如圖8所示。當采用高壓旋噴樁加固擾動地層后，由于高壓旋噴樁相比原狀土層具有較大壓縮模量，且與土層間的摩擦系數(shù)較大，樁與旋噴樁共同產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致旋噴樁范圍內(nèi)，樁與旋噴樁間的相對位移減小，使基樁側(cè)摩阻力變化特征明顯。分析數(shù)據(jù)顯示，受擾動地層在采用高壓旋噴樁加固后，其樁側(cè)平均摩阻力較加固前增大。

圖8 樁側(cè)平均摩阻力分布

3.2.2樁身平均軸力

通過有限元數(shù)值分析得到全部施加荷載后，群樁基礎(chǔ)的樁身平均軸力自樁頂至樁端逐漸減小，如圖9所示。在高壓旋噴樁加固地層范圍內(nèi)，樁身平均軸力變化特征明顯，由于樁側(cè)摩阻力增大，導(dǎo)致高壓旋噴樁頂部樁身軸力迅速減小，而后趨于平緩。

圖9 樁身平均軸力分布

3.2.3群樁豎向承載力

通過對橋梁群樁基礎(chǔ)承臺頂部施加強制位移得到荷載-沉降曲線，在確定樁基承載力時，根據(jù)荷載-沉降曲線特征值判斷群樁基礎(chǔ)豎向承載力。如果曲線中有陡降點，則該陡降點的承載力作為樁基極限承載力。如果曲線變化緩慢，沒有明顯陡降點，則根據(jù)樁頂沉降≤0.04m的原則，取承臺頂沉降為某一值時對應(yīng)的承載力為樁基極限承載力[20-21]。通過數(shù)值分析得到群樁基礎(chǔ)荷載-沉降曲線，如圖10所示，群樁基礎(chǔ)的荷載-沉降曲線說明群樁基礎(chǔ)承載性能良好，根據(jù)承臺頂部沉降值s≤0.04m的原則，取沉降值s為0.04m時對應(yīng)的承載力為極限承載力。分析數(shù)據(jù)顯示，群樁基礎(chǔ)承載力在高壓旋噴樁加固擾動地層前為5.19×105kN，在高壓旋噴樁加固擾動地層后為6.05×105kN，承載力性能提升約16.57%。由于受擾動地層采用高壓旋噴樁加固后，樁側(cè)平均摩阻力較加固前有所增大，因此可提高群樁基礎(chǔ)豎向承載力。

圖10 群樁基礎(chǔ)荷載-沉降曲線

3.2.4樁端沉降

通過數(shù)值分析得到高壓旋噴樁加固擾動地層前的樁端沉降最大值為84.69mm，高壓旋噴樁加固擾動地層后的樁端沉降最大值為75.26mm，樁端沉降值減小11.13%，群樁基礎(chǔ)樁端沉降如圖11所示。通過分析可得，因高壓旋噴樁相比原狀土層具有不易壓縮性，且由于高壓旋噴樁的作用使傳遞到樁端的力降低，樁端土壓縮量減小，故采用高壓旋噴注漿法加固擾動地層后的樁端沉降值比加固前減小。

圖11 樁端沉降(單位：m)

4 結(jié)語

1)高壓噴射注漿法加固擾動地層有效解決鉆進過程中出現(xiàn)的擴孔和護筒掉落現(xiàn)象，在保證施工進度的前提下，有效提升群樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量，增強橋梁上部結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性。

2)采用高壓噴射注漿法加固擾動地層后，樁側(cè)平均摩阻力增大，樁身平均軸力由樁頂向樁底逐漸變小，樁端沉降減小。

3)高壓噴射注漿法加固擾動地層有效提高群樁基礎(chǔ)豎向承載力，對比群樁基礎(chǔ)荷載-沉降曲線可知，豎向承載力增加約16.57%，群樁基礎(chǔ)承載性能得到提升，加固效果良好。