可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂空腔填充試驗(yàn)

楊兆國,周 峰,郭佳迅

(南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 210009)

樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),按照樁土共同理論——地基土參與分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì),能夠有效減少樁基礎(chǔ)的使用數(shù)量,通常地基土承載力越高,所取得的經(jīng)濟(jì)效益也越高。20世紀(jì)80年代開始,國內(nèi)外專家學(xué)者對樁土共同作用理論進(jìn)行了深入研究,取得了重大的進(jìn)展[1-5]。黃紹銘等[6]對軟土中的單樁和群樁沉降量的估算及樁與承臺共同作用等問題進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究工作,并在沉降控制方法上得出了一些有價(jià)值的參考數(shù)據(jù);宰金珉[7]經(jīng)過不斷研究總結(jié),在樁土共同作用方面首次提出了通過單樁的刺入變形來實(shí)現(xiàn)樁土共同變形作用的方法;龔曉南[8-9]針對剛性復(fù)合地基中樁間土參與承擔(dān)荷載問題,提出了設(shè)置褥墊層的方法;鄭剛等[10-11]經(jīng)過大量的理論研究與工程應(yīng)用總結(jié),針對樁土變形協(xié)調(diào)問題提出了樁頂預(yù)留凈空的解決辦法; Liang等[12]提出了長短樁復(fù)合樁基的概念,較好地解決了深厚軟土地基使用復(fù)合樁基的問題。

需要指出的是,上述研究成果中樁土共同作用的主要適用對象是非天然地基和均勻天然地基,在復(fù)雜地質(zhì)條件下,對天然地基的差異沉降的控制問題不能很好地解決,往往造成極大的浪費(fèi)[13-14]?？煽貏偠葮斗せA(chǔ)[15-18]是周峰研究團(tuán)隊(duì)近年來提出的一種新的基礎(chǔ)形式,通過在樁頂設(shè)置專門研制的剛度調(diào)節(jié)裝置來精確控制與優(yōu)化樁土支承體系豎向支承剛度的大小與分布,可有效解決大剛度樁基樁土共同作用、舊樁基礎(chǔ)的再生利用、變剛度調(diào)平、復(fù)雜地質(zhì)條件建造高層建筑等一系列工程難題。

可挖剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂空腔的填充效果以及填充后填充料的強(qiáng)度,對于樁筏基礎(chǔ)乃至整個(gè)建筑物的安全性和耐久性會產(chǎn)生重要影響。由于樁頂空腔的填充料除要求密實(shí)以外還要具備一定的力學(xué)性能,而由于剛度調(diào)節(jié)裝置所放位置的隱蔽性,灌注的填充料無法進(jìn)行振搗,也無法打開空腔觀測填充效果以及檢測填充料的強(qiáng)度,因此對樁頂空腔的填充效果以及相關(guān)影響因素進(jìn)行研究與分析具有重要的工程價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 樁頂空腔模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)際工況中，上部結(jié)構(gòu)荷載施加完畢后(通常在建筑物封頂后),可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂空腔通過注入高強(qiáng)度自密實(shí)填充料來進(jìn)行填充,填充后形成的注漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度對建筑物的結(jié)構(gòu)安全具有重要的影響。為了進(jìn)一步研究可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂空腔注漿工藝在實(shí)際工程應(yīng)用中的力學(xué)性能,根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行樁頂空腔注漿的模擬試驗(yàn),為工程現(xiàn)場的實(shí)際注漿施工提供參考。

本次注漿模型試驗(yàn)擬達(dá)到的目的為:采用不同大小的壓力壓注填充料,分析注漿壓力與空腔填充效果之間的關(guān)系;在注漿管不同位置處對模型進(jìn)行注漿,研究注漿管位置對漿體流動和空腔填充效果的影響;在模型完全填充地下水情況下進(jìn)行注漿試驗(yàn),研究在注漿過程中空腔內(nèi)部充水是否會影響填充效果。

1.2 模型設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)場地限制,也為了方便設(shè)置了剛度調(diào)節(jié)裝置的樁頂空腔模型的加工運(yùn)輸與試驗(yàn),設(shè)計(jì)模型尺寸與實(shí)際尺寸的比例為1∶4。模型的尺寸:外圓柱直徑300 mm、高度150 mm,內(nèi)部模擬剛度調(diào)節(jié)裝置的3個(gè)圓柱呈正三角形分布,直徑均為90 mm,注漿管直徑為20 mm,實(shí)際的可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂構(gòu)造和模型平面示意圖分別如圖1和2所示。為了能在不同條件下的室內(nèi)試驗(yàn)注漿過程中觀察樁頂空腔填充的變化情況,可控剛度樁筏基礎(chǔ)的樁頂空腔模型由透明硬質(zhì)有機(jī)材料制作,模型試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖1 可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagram of pile top cavity of controllable stiffness pile-raft foundation

圖2 模型平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the model plane

1.3 試驗(yàn)布置與測量方式

試驗(yàn)在人工挖掘的圓柱形土坑內(nèi)進(jìn)行,土坑底部直徑為35 cm,高度為17 cm?？煽貏偠葮斗せA(chǔ)樁頂空腔模型放入土坑后,四周用土回填,避免模型在注入自密實(shí)填充料的過程中因發(fā)生位移而產(chǎn)生破壞。在空腔內(nèi)填充地下水的試驗(yàn)中,土坑成型后土體表面需鋪置一層塑料布,鋪設(shè)過程應(yīng)保證塑料布完整無破損。由于填充料的性能對試驗(yàn)的結(jié)果影響較大,選用的填充料需要滿足下列要求:① 在自身重力作用下,填充料密實(shí),且能夠流動;② 內(nèi)部空間被分割時(shí),在不振搗的條件下填充料具有良好的均質(zhì)性。

灌漿結(jié)束后,需要對樁頂空腔模型內(nèi)的填充料體積進(jìn)行測量,以驗(yàn)證在各工況下注漿是否密實(shí)。由于模型內(nèi)部填充料形狀不規(guī)則,采用排水測體積法將整個(gè)模型浸沒在水箱中,充分靜置后測量增加的水的體積,從而換算得到模型內(nèi)部空隙的體積,其中水箱尺寸為35 cm×35 cm×40 cm。

1.4 試驗(yàn)方案

工況1:樁頂空腔模型未與地下水接觸,注漿管分布在模型兩側(cè),注漿壓力分別設(shè)置為0.3、0.5、0.8 和1.0 MPa。

工況2:樁頂空腔模型未與地下水接觸,注漿壓力為1.0 MPa,注漿管設(shè)置在樁頂空腔模型的兩側(cè)和同側(cè)。

工況3:樁頂空腔模型完全填充地下水,注漿壓力為1.0 MPa,注漿管設(shè)置在樁頂空腔模型的兩側(cè)和同側(cè)。

分別對3種工況下的可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂空腔模型注漿,待出漿管有填充料流出時(shí)停止注漿。填充料自密實(shí)后,將剛度調(diào)節(jié)裝置放入水箱中,利用排水法測量并算出樁頂空腔模型的填充體積。

2 結(jié)果和分析

2.1 注漿壓力

在注漿壓力0.3 MPa下，將樁頂空腔模型放入玻璃水箱,玻璃水箱中水位前后高度差為8.3 cm。通過換算得出剛度調(diào)節(jié)裝置空腔內(nèi)混凝土體積為6 789.83 cm3,而理論體積為7 341.95 cm3,因此空腔密實(shí)度(注漿占空腔體積分?jǐn)?shù))為0.92。同理,分別可得0.5、0.8和1.0 MPa下剛度調(diào)節(jié)裝置空腔密實(shí)度為0.95、0.97和0.99,如圖4所示。由圖4可知：注漿壓力和空腔密實(shí)度之間近似呈線性關(guān)系,隨著注漿壓力的增大,空腔密實(shí)度逐漸增大。當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa時(shí),密實(shí)度已經(jīng)達(dá)到0.95，滿足大部分設(shè)計(jì)要求;當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí),密實(shí)度達(dá)到0.99,空腔模型基本注滿,實(shí)際注漿時(shí)設(shè)置更大的注漿壓力已無必要。

2.2 注漿管位置

將注漿管設(shè)置在兩側(cè)的樁頂空腔模型放入玻璃水箱,玻璃水箱中水位前后高度差為8.7 cm。通過換算得出剛度調(diào)節(jié)裝置空腔內(nèi)混凝土體積是7 268.53 cm3,因此空腔密實(shí)度為0.99。同理，注漿管設(shè)置在模型同側(cè)時(shí),密實(shí)度為0.97。因此，注漿管位置不同時(shí)，注漿填充效果不同,當(dāng)注漿管位于兩側(cè)時(shí)的注漿填充效果優(yōu)于注漿管位于同側(cè)時(shí)的注漿填充效果。

圖3 模型試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of model tests

圖4 不同注漿壓力下的空腔密實(shí)度Fig.4 Compactness of cavity under different grouting pressures

實(shí)際上,當(dāng)注漿管位于同側(cè)時(shí),注漿中心距離空腔模型另一側(cè)壁的距離變長;又由于兩個(gè)注漿管之間距離過短,注漿范圍重疊,注漿管整體的注漿范圍減少,因此同側(cè)注漿填充效果沒有兩側(cè)的填充效果好。

2.3 填充地下水

將注漿管設(shè)置在兩側(cè)、填充地下水的樁頂空腔模型放入玻璃水箱,玻璃水箱中水位前后高度差為8.7 cm。通過換算得出剛度調(diào)節(jié)裝置空腔內(nèi)混凝土體積是7 268.53 cm3,因此空腔密實(shí)度為0.99。同理，可得注漿管設(shè)置在同側(cè)的空腔密實(shí)度為0.97。與相同條件下的無地下水工況進(jìn)行對比,可以看出地下水對填充效果沒有影響。

3 結(jié)論

1)注漿壓力為0.3～1.0 MPa時(shí),剛度調(diào)節(jié)裝置空腔模型密實(shí)度隨著注漿壓力增大而增大;當(dāng)注漿壓力大于0.5 MPa時(shí),密實(shí)度均大于0.95。因此,實(shí)際注漿作業(yè)時(shí)應(yīng)控制注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

2)對比注漿管設(shè)置在不同位置時(shí)模型的填充效果,結(jié)果表明注漿管位于兩側(cè)時(shí)密實(shí)度略高于注漿管位于同側(cè)時(shí)密實(shí)度。因此,實(shí)際注漿作業(yè)時(shí)應(yīng)選擇兩側(cè)注漿。

3)可控剛度樁筏基礎(chǔ)樁頂空腔模型是否填充地下水,不影響最終的填充效果。實(shí)際注漿作業(yè)時(shí),可在有地下水的工況下對樁頂空腔進(jìn)行灌漿。