高聚物布袋注漿樁成樁規(guī)律試驗(yàn)研究

石明生，李祿祿，夏洋洋，陳永利

(1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 重大基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)修復(fù)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001； 3.鄭州大學(xué) 水利與交通基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001)

1 研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)程的快速發(fā)展，由于勘察、設(shè)計(jì)、施工、原有建筑物使用功能改變、周圍環(huán)境改變等原因，我國(guó)需要進(jìn)行加固處理的既有建筑物地基范圍廣、數(shù)量多、工程量大[1]。而加固處理既有建筑物地基常用的方法是樁式托換技術(shù)。根據(jù)建筑物的工況有灌注樁、錨桿靜壓樁和微型樹(shù)根樁等樁基托換工藝[2-3]，但這些方法存在一定的局限性，如施工難度大、施工工期長(zhǎng)、對(duì)場(chǎng)地要求高、振動(dòng)和噪音對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響等。針對(duì)上述問(wèn)題，一些學(xué)者研發(fā)了一系列新型的軟弱地基加固方法，布袋注漿樁[4]就是其中的一種，它集擠密土體、加速固結(jié)排水、加筋土體等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，已在軟土地基加固工程中廣泛應(yīng)用，如深厚層夾層軟基加固[5-6]、鐵路路基加固[7-8]、沿海軟土復(fù)合地基處理[9-10]、擋土墻[11]和基坑開(kāi)挖[12]等。但是，水泥漿作為現(xiàn)有布袋樁注漿工藝常用的注漿材料，雖然價(jià)格低廉，但在膨脹土、濕陷性黃土以及搶險(xiǎn)等工程中不能很好適用。另外，傳統(tǒng)的化學(xué)漿料還具有毒性、結(jié)石體強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)，適用范圍具有一定的局限性[13]。因此，針對(duì)水泥漿和傳統(tǒng)化學(xué)漿料的缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了一系列新型的化學(xué)注漿材料，其中，非水反應(yīng)類雙組份發(fā)泡聚氨酯高聚物材料具有環(huán)保無(wú)毒、硬化快、體積膨脹率大、耐久性好等優(yōu)良特性[14]，近年來(lái)在道路路基修復(fù)、鐵路軌道抬升、堤壩防滲搶險(xiǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并取得豐碩研究成果[15-18]，然而，上述研究成果中鮮有針對(duì)布袋注漿樁的研究成果報(bào)道。

本文研究的高聚物布袋注漿樁是在鄭州大學(xué)王復(fù)明等[18]提出的膜袋注漿的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。起初，石明生等[19]、劉恒等[20]、王復(fù)明等[21]先后對(duì)高聚物的力學(xué)特性、高聚物錨固體在土體中的錨固性能及高聚物碎石樁進(jìn)行了研究，這在一定程度上為高聚物布袋注漿樁工藝提供了參考。同時(shí)，高聚物布袋注漿樁也是鑒于現(xiàn)有既有建筑地基加固技術(shù)的缺陷所開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新工藝。因此，急需對(duì)其進(jìn)行全面研究，以便推廣應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，形成了一套完整的高聚物布袋樁成樁工藝，并得到了不同性質(zhì)土體中高聚物布袋樁的成樁規(guī)律，以促進(jìn)該創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

2 成樁材料及施工工藝

2.1 成樁原理

高聚物漿液反應(yīng)后具有高膨脹特性，基于圓孔擴(kuò)張理論[22]，將漿液注入埋于軟土中的土工布袋內(nèi)，漿液在布袋內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并快速膨脹，體積不斷增大，在周圍軟土的約束下產(chǎn)生膨脹力。隨著膨脹力的增大，土體被擠密，并發(fā)生擴(kuò)孔變形，從而形成圓柱狀或啞鈴狀的注漿體，對(duì)地基起到擠密加固作用。

2.2 成樁材料

2.2.1 高聚物注漿材料及其膨脹力

高聚物布袋樁所用的注漿材料屬于化學(xué)灌漿材料，以非水反應(yīng)類雙組份聚氨酯作為主要材料。如圖1所示，藍(lán)料為多元醇，紅料為多異氰酸酯，按照1∶1比例混合后能在10 s內(nèi)體積膨脹20～30倍，反應(yīng)生成泡沫狀固化物(圖1反應(yīng)物)。

圖1 高聚物漿液及其反應(yīng)物

石明生[14]對(duì)高聚物注漿材料的物理、化學(xué)及力學(xué)特性進(jìn)行了研究，其中，高聚物密度與最大膨脹力的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系為

y=7.885 8x2.157。

(1)

式中：x為高聚物密度(g/cm3)；y為對(duì)應(yīng)的最大膨脹力(MPa)。當(dāng)高聚物密度在0.15～0.3 g/cm3之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大膨脹力在0.5～2 MPa之間，可見(jiàn)，自身反應(yīng)的膨脹力可以很好地?cái)D密加固土體。

2.2.2 土工布袋的力學(xué)性能

土工布袋應(yīng)具有良好的力學(xué)性能,如耐化學(xué)腐蝕、耐持久、強(qiáng)度高等。另外，樁土間還應(yīng)具有較大的摩擦系數(shù)，以增大樁土體間的摩擦力，提高布袋樁的承載力。本試驗(yàn)選用型號(hào)為ZXF340的有紡長(zhǎng)絲機(jī)織土工布，其力學(xué)性能為單位面積(每平方米)質(zhì)量為340 g，抗拉強(qiáng)度為4 300 N/(5 cm)，伸長(zhǎng)率為30%。經(jīng)驗(yàn)算，該型號(hào)土工布能夠滿足此次試驗(yàn)要求。

2.3 高聚物布袋樁施工工藝

參考傳統(tǒng)布袋注漿樁[4]的施工工藝，結(jié)合高聚物注漿材料本身的特點(diǎn)，給出圖2所示的高聚物布袋注漿樁的施工工藝，詳細(xì)工藝流程為：①勘探。了解土體情況，確定布袋直徑及注漿量等。②制備。土工布袋的制備，主要包括注漿管的制備和布袋的綁扎。采用內(nèi)徑1 cm左右的PVC管或銅管作為注漿管，每隔10 cm在注漿管上面鉆孔，以利于漿液流出，注漿管的頂端安裝注漿頭。在布袋里內(nèi)襯PE塑料袋，將制備好的注漿管插入PE塑料袋內(nèi)，用管箍把布袋兩端扎緊，綁扎示意圖及效果圖如圖3所示。③鉆孔。采用螺旋鉆或洛陽(yáng)鏟人工成孔，孔徑一般在6～10 cm范圍內(nèi)。④布袋放置。將綁扎好的布袋植入成樁孔，并保證布袋平順進(jìn)入，不折疊，不扭轉(zhuǎn)。⑤注漿。將高聚物漿液通過(guò)注漿頭注入布袋內(nèi)。

圖2 高聚物布袋樁施工工藝示意圖

圖3 布袋綁扎示意圖及效果圖

3 模型試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合高聚物布袋樁常在既有建筑物軟土地基加固中作為柔性短樁使用的特點(diǎn)，并考慮模型試驗(yàn)相似理論的相似關(guān)系，取樁徑在10～20 cm之間，樁長(zhǎng)100 cm，尺寸比例約為1∶6。試驗(yàn)土坑尺寸為300 cm×100 cm×120 cm(長(zhǎng)×寬×高)。

試驗(yàn)主要研究以下兩方面內(nèi)容：①研究不同密度土體中高聚物布袋樁的成樁規(guī)律(工況1至工況4，如表1所示)；②研究在含軟弱和硬質(zhì)夾層土體中高聚物布袋樁的成樁規(guī)律(工況5和工況6，如表2所示)。試驗(yàn)所用土樣為粉土，物理力學(xué)特性如下：彈性模量20 MPa，黏聚力40.3 kPa，內(nèi)摩擦角15°，泊松比0.3。采用人工夯實(shí)重塑土的方法來(lái)制備不同密度的土體，以達(dá)到模擬不同土體情況的目的。填土深120 cm，填土完成后， 采用洛陽(yáng)鏟人工鉆出直徑6 cm，深110 cm的鉆孔。每種工況下分別將不同量的高聚物漿液注入預(yù)鉆的4個(gè)孔內(nèi)。具體布置方案如圖4所示。

表1 試驗(yàn)①工況

表2 試驗(yàn)②工況

圖4 試驗(yàn)布置方案示意圖

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，注射高聚物漿液的注漿槍一槍注出2種漿液的總質(zhì)量約為125 g，高聚物雙組份漿液反應(yīng)前的密度均為1.2 g/cm3。因此，這里定義注漿率為注入漿液的體積占預(yù)鉆孔體積的百分比，用字母P表示，即

(2)

式中：V1為注入漿液的體積(cm3)；V2為預(yù)鉆孔體積(cm3)；N為注漿槍數(shù)；D為預(yù)鉆孔直徑(cm)；H為預(yù)鉆孔高度(cm)。

3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

各工況試驗(yàn)結(jié)束后，將樁體挖出，以樁底為起點(diǎn)，將樁體每隔10 cm鋸斷(如圖4所示)，得到多段圓柱體，分別對(duì)其樁徑和密度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量得到各段圓柱體不同方向處樁徑，并對(duì)其求平均值，將該值作為各段樁體直徑；在各段圓柱體上表面取3組正方體試樣(邊長(zhǎng)約為2 cm)，采用量積法測(cè)量其密度求平均值，將該值作為各段樁體密度。

圖5 試驗(yàn)①不同工況下樁徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 高聚物布袋樁在不同密度土體中的成樁規(guī)律

4.1.1 高聚物布袋樁的成樁過(guò)程

試驗(yàn)①在各工況下土體中分別注入不同量的漿液，來(lái)模擬成樁過(guò)程，通過(guò)分析不同注漿率下形成樁體的樁徑和樁長(zhǎng)的規(guī)律，來(lái)研究高聚物布袋樁的成樁規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5所示。在相同密度土體中，當(dāng)注漿率P=0.44時(shí)漿液即充滿整個(gè)鉆孔，但樁體不同位置處樁徑有差異，形成樁端直徑小、樁底直徑大的錐形樁體。樁體直徑隨著注漿率的增大整體不斷變大，且樁底直徑和樁端直徑的差異逐漸縮小，呈現(xiàn)一個(gè)自下向上的循環(huán)擠土擴(kuò)孔過(guò)程。當(dāng)注漿率P=1.10時(shí)，注漿量接近最大值，布袋發(fā)生少量漏漿現(xiàn)象，此時(shí)樁身不同位置處樁徑趨于一致，形成一個(gè)規(guī)則的圓柱形樁體?？梢?jiàn)，高聚物布袋樁的最終樁徑是通過(guò)一個(gè)自下向上的多次循環(huán)擠土擴(kuò)孔過(guò)程才形成的。這是由于漿液在重力作用下，注入布袋后先落到布袋底部，在底部反應(yīng)膨脹并向上填充上部空間，直至充滿鉆孔，這一點(diǎn)區(qū)別于傳統(tǒng)水泥布袋注漿樁的成樁機(jī)理。隨著底部漿液的繼續(xù)反應(yīng)，漿液擠土擴(kuò)孔，并且不斷向上延伸；當(dāng)注漿量到達(dá)最大值時(shí)，擴(kuò)孔過(guò)程達(dá)到樁頂，此時(shí)不同位置處樁徑大致相同，形成一根完整的圓柱形樁體。

4.1.2 樁體不同部位的密度分布規(guī)律

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，這里僅選取工況1至工況4，注漿率P=1.10條件下距樁底每隔10 cm位置處的樁體密度分布規(guī)律進(jìn)行分析，如圖6所示。從圖6可以看出，樁身的密度分布規(guī)律表現(xiàn)為隨距樁底距離的增大而減小，但樁身不同位置密度差異隨著土體密度的增大而不斷縮小，當(dāng)注漿率較大時(shí)可近似認(rèn)為樁身密度一致。分析原因主要為如下2個(gè)方面：①高聚物漿液反應(yīng)初期泡沫狀反應(yīng)物即充滿鉆孔，隨著底部漿液不斷向上膨脹，底部反應(yīng)物最先受到擠壓。②隨著土體埋深的增加，其側(cè)向靜止土壓力也不斷增大，為達(dá)到相同的擴(kuò)徑效果，需要更大的樁體密度來(lái)提供擠土壓力。因此樁底密度最大，樁頂密度較小。

圖6 P=1.10時(shí)不同工況下樁身密度分布

4.1.3 土體密度對(duì)樁徑、樁體密度的影響

選取試驗(yàn)①注漿率P=1.10條件下的樁體，將土體密度與樁徑、樁體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，高聚物布袋樁的擠土效果明顯，當(dāng)土體較松散時(shí)(工況1)，最大樁徑可以達(dá)到3倍預(yù)鉆孔直徑；當(dāng)土體較密實(shí)時(shí)，最大樁徑仍可達(dá)到1.5～2倍預(yù)鉆孔直徑。在注漿率等其他因素不變的情況下，樁徑隨著土體密度的增大而逐漸減??；相反，樁體密度隨著土體密度的增大而逐漸增大，其密度集中在0.15～0.3 g/cm3之間。根據(jù)石明生[14]的研究成果可知，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度在2～5 MPa之間。

圖7 土體密度與樁徑、樁體密度的關(guān)系

將各工況下不同注漿率對(duì)應(yīng)的樁體直徑和密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同密度土體中成樁后樁徑與樁體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖8所示。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如式(3)。

圖8 不同工況下樁徑與樁體密度的關(guān)系

(3)

由式(3)可見(jiàn)，在同一密度土體中成樁時(shí)，樁體的密度與樁徑具有一定的線性關(guān)系，樁徑隨著樁體密度的增大而增大。在不同密度土體中成樁時(shí)，直線的斜率與土體密度具有一定關(guān)聯(lián)，即斜率隨著土體的密度的減小而增大，證明了土體密度越小，越容易被擠壓變形。該擬合公式可預(yù)測(cè)注漿成樁時(shí)某注漿量和土體密度條件下成樁后的樁徑和密度，對(duì)工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

4.2 高聚物布袋樁在軟弱、硬質(zhì)夾層中的成樁規(guī)律

4.2.1 軟弱夾層中的成樁規(guī)律

圖9 軟弱夾層中成樁效果

為研究高聚物布袋樁在軟弱夾層中的成樁規(guī)律，工況5在100 cm厚的土體中部，設(shè)置30 cm厚的軟弱夾層。試驗(yàn)結(jié)束后樁體開(kāi)挖效果如圖9所示，統(tǒng)計(jì)樁體直徑與密度分布如圖10所示。從圖10(a)可知，樁徑在軟弱夾層處明顯增大，形成紡錘形樁體。當(dāng)注漿率P=0.88時(shí)，樁徑可達(dá)2.5倍預(yù)鉆孔直徑，比樁體其他位置大1倍預(yù)鉆孔直徑左右，這說(shuō)明漿液對(duì)軟弱夾層有明顯的擠密及置換作用。另外，由圖10(b)可知，樁體密度在樁徑明顯擴(kuò)大處顯著減小，這與上述土體密度與樁體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系相同。

圖10 工況5條件下樁徑和樁體密度分布

從試驗(yàn)結(jié)果可知，高聚物布袋樁可以很好地?cái)D密軟弱夾層，其加固機(jī)理主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①擠密土體，提高樁的側(cè)阻力；②擠壓并置換部分軟土，改善軟土排水條件，提高軟土本身的物理力學(xué)性能。通過(guò)上述2方面的加固使得樁間土與布袋樁能夠有效地協(xié)同工作，從而能夠提高地基的承載力和抗變形能力。

4.2.2 硬質(zhì)夾層中的成樁規(guī)律

為研究高聚物布袋樁在硬質(zhì)夾層中的成樁規(guī)律，工況6在100 cm厚的土體中部，設(shè)置30 cm厚的硬質(zhì)夾層。試驗(yàn)結(jié)束后樁體開(kāi)挖效果如圖11所示，統(tǒng)計(jì)樁徑與樁體密度分布如圖12所示。從圖12可知，對(duì)應(yīng)的成樁規(guī)律與在軟弱夾層中相似，樁徑在硬質(zhì)夾層處明顯減小，而樁體密度明顯增大，形成啞鈴狀樁體。由此可見(jiàn)高聚物布袋樁具有穿過(guò)硬質(zhì)夾層的能力，對(duì)下部軟土地基繼續(xù)進(jìn)行加固處理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水泥布袋樁在這方面的缺陷。

圖11 硬質(zhì)夾層中成樁效果

圖12 工況6條件下樁徑和樁體密度分布

4.3 加固效果

在進(jìn)行工況3試驗(yàn)時(shí)，人工分層填土并夯實(shí)，填土完成后用錘質(zhì)量為10 kg的輕型觸探儀，依據(jù)《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[23]進(jìn)行輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，記錄注漿加固前孔1和孔2中間，即距離兩樁體中心各30 cm處探桿每擊入10 cm的錘擊數(shù)。為避免上次錘擊對(duì)加固效果的影響，注漿完成后，在孔3和孔4中間再次進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)，記錄每擊入10 cm的錘擊數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。從圖13可以看出，注漿加固后各層錘擊數(shù)較注漿加固前增量在2～3次，提高30%～50%，說(shuō)明土體被擠密，地基承載力明顯提高，可見(jiàn)高聚物布袋樁對(duì)土體具有很好的擠密加固效果。

圖13 注漿前后錘擊數(shù)

5 結(jié) 論

為探討高聚物布袋注漿樁技術(shù)對(duì)既有建筑物地基加固工程的加固效果，本文基于不同密度及在有軟弱或硬質(zhì)夾層地基土體中的成樁試驗(yàn)，研究了高聚物布袋注漿樁的施工工藝、成樁規(guī)律和加固效果等內(nèi)容，并得到如下結(jié)論：

(1)高聚物布袋注漿樁的施工工藝主要包括勘察、布袋的制備、鉆孔、布袋的放置和注漿等過(guò)程。

(2)高聚物布袋注漿樁的成樁過(guò)程是一個(gè)由下向上的循環(huán)擠土擴(kuò)孔過(guò)程；其他條件相同的情況下，隨著土體密度的增大，高聚物布袋樁的樁徑減小，對(duì)應(yīng)的樁體密度增大。

(3)高聚物布袋注漿樁對(duì)土體的擠密加固效果明顯，擴(kuò)孔后樁徑可達(dá)到2～3倍預(yù)鉆孔直徑；樁體密度可達(dá)到0.15～0.3 g/cm3。

(4)高聚物布袋注漿樁能夠很好地穿過(guò)硬質(zhì)夾層，對(duì)下部軟弱地基繼續(xù)進(jìn)行擠密置換加固，形成啞鈴形樁體；在軟弱土層中樁徑明顯擴(kuò)大，形成紡錘形樁體，增加地基承載力。

(5)高聚物布袋注漿樁對(duì)地基具有很好的擠密加固效果，經(jīng)注漿加固后土體輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)的錘擊數(shù)增加2～3次，提高了30%～50%。