粉質(zhì)黏土地層樁側(cè)注漿對(duì)既有樁基承載力提升研究

房雷　羅金波　張永安　郝志斌

摘要：針對(duì)粉質(zhì)黏土地層樁側(cè)注漿技術(shù)受樁周和樁基服役環(huán)境復(fù)雜性造成的注漿效果與樁基承載性能間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制不明確的問(wèn)題，通過(guò)模型設(shè)計(jì)提出樁側(cè)注漿提升樁基承載力的理論計(jì)算方法。首先對(duì)注漿模型裝置進(jìn)行研發(fā)，并通過(guò)該裝置對(duì)粉質(zhì)黏土注漿加固作用規(guī)律進(jìn)行分析。然后以樁基礎(chǔ)樁側(cè)注漿模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)不用注漿條件影響承載特性作用規(guī)律進(jìn)行分析，修正了樁基礎(chǔ)樁側(cè)注漿承載力的計(jì)算方法，為工程施工提供一些數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ);粉質(zhì)黏土;承載力;樁側(cè)注漿

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）06-0124-05

Study on the mechanism of pile side grouting in silty clay layer to improve the bearing capacity of existing pile foundation

FANG Lei LUO Jinbo ZHANG Yong’an HAO Zhibin

（Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Investigation Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China

）

Abstract： For silty clay stratum lateral pile grouting technique of pile and pile foundation service environment complexity caused by grouting effect and the inner relation between the pile foundation bearing capacity mechanism is not clear， a theoretical calculation method of pile side grouting to improve the bearing capacity of pile foundation is proposed through model design. Firstly， the grouting model device is developed， and the grouting reinforcement law of silty clay is analyzed through the device. Then， based on the pile side grouting simulation experiment of pile foundation， the action law of bearing characteristics without grouting conditions is analyzed， and the calculation method of pile side grouting bearing capacity of pile foundation is modified to provide some data references for engineering construction.

Key words：pile foundation; silty clay; bearing capacity; pile side grouting

樁基作為橋梁承載的主要結(jié)構(gòu)，在橋梁建設(shè)中起重要作用。我國(guó)國(guó)土遼闊，土質(zhì)情況較為復(fù)雜。處于粉土和粉質(zhì)黏土等軟弱地層的橋梁樁基普遍存在有承載力不足，無(wú)法滿足當(dāng)前承載要求。目前對(duì)

樁基承載力的研究還存在很多局限性，難以實(shí)現(xiàn)量化分析，使得工程設(shè)計(jì)和施工存在很大的盲目性。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究，如以初始靜載和循環(huán)加載后靜載兩個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)，對(duì)析樁基承載力的循環(huán)弱化規(guī)律進(jìn)行分析[1];采用樁基靜載試驗(yàn)、孔徑測(cè)試與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究黃土地基擠密預(yù)處理后灌注樁承載特性，對(duì)單樁極限承載力變化規(guī)律變小[2]。以上學(xué)者的研究為樁基承載力的提升提供了一些方法，基于此，本文通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型，對(duì)既有樁基承載力提升機(jī)理進(jìn)行研究，為以后工程施工提供一些參考。

1既有樁基礎(chǔ)注漿模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1樁基礎(chǔ)模擬實(shí)驗(yàn)裝置

此次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置總體劃分為多個(gè)部分，包括樁基礎(chǔ)模型箱、監(jiān)測(cè)以及加載系統(tǒng)。其中模型箱屬于基礎(chǔ)的部分，其高度和直徑均為120 cm，具體是通過(guò)螺栓將4節(jié)高度為30 cm的鋼筒進(jìn)行拼接，并設(shè)置注漿孔等。該裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將邊界效應(yīng)的影響考慮在內(nèi)[3-5]，實(shí)驗(yàn)采用的模擬系統(tǒng)直徑為120 cm;模擬樁采用鋁管，直徑為2.8 cm，樁長(zhǎng)為72 cm。

1.2試驗(yàn)過(guò)程信息均監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

注漿時(shí)的力學(xué)特性等的監(jiān)測(cè)包括承載力以及軸力等樁基礎(chǔ)參數(shù)，土抗剪強(qiáng)度等物理場(chǎng)信息等[6-8]。結(jié)合監(jiān)測(cè)信息的類型設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中劃分為多個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同信息的有效監(jiān)測(cè)，其中百分表主要對(duì)樁頂沉降位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精度為0.01 mm;土壓力盒用于對(duì)樁端阻力的監(jiān)測(cè)，選擇的具體型號(hào)是YBJT型，量程、直徑分別是2 MPa、28 mm，精度是0.1%;除了上述部分之外，還需要采用應(yīng)變片采集樁側(cè)摩阻力信息，選擇的型號(hào)是bx120-3AA型，基底長(zhǎng)、寬分別是4.5、2.4 mm，敏感柵長(zhǎng)、寬分別是2、1 mm，靈敏系數(shù)2.08，電阻120 Ω。在系統(tǒng)中需要根據(jù)監(jiān)測(cè)要求將各個(gè)部件設(shè)置在合適的位置。

2樁周注漿模擬實(shí)驗(yàn)

2.1樁周土體的充填

樁周土體均為粉質(zhì)黏土，同時(shí)采用土工試驗(yàn)獲取含水率等信息[9]。在充填過(guò)程中夯實(shí)法進(jìn)行壓實(shí)，每次達(dá)到10 cm的填充高度。根據(jù)結(jié)果可知，樁周土體的密度、含水率分別是1.8 g/cm、20%。充填過(guò)程中，需添加適量的水分，其質(zhì)量m：

式中：m、ω分別代表土體的質(zhì)量、含水率。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要將位移計(jì)置于樁頂合適的位置，繼而實(shí)時(shí)獲取到樁基礎(chǔ)沉降信息。另外將應(yīng)變片置于模擬樁內(nèi)部位置，布設(shè)間隔為10 cm。具體布設(shè)方式以及參數(shù)如圖4所示。

2.2注漿試驗(yàn)方法

在本次研究中需要分析樁側(cè)土體力學(xué)特性的影響因素，重點(diǎn)探討了注漿量的影響。結(jié)合樁周土體的注漿壓力上限來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，注漿結(jié)束的控制標(biāo)準(zhǔn)主要是注漿量[10]。在此次試驗(yàn)中劃分為不同注漿組和對(duì)照組，注漿量依次是25、35 kg，注漿壓力是1.0 MPa。試驗(yàn)中采用的是水泥單液漿，基本的參數(shù)信息如表1所示。

2.3模擬樁埋設(shè)與注漿效果監(jiān)測(cè)

在本次研究中選擇了埋入式試驗(yàn)樁，將模擬箱和方木進(jìn)行連接，以此實(shí)現(xiàn)固定的功能。充填結(jié)束之后需要取出整個(gè)裝置，否則會(huì)對(duì)其他的操作產(chǎn)生不利影響。樁基礎(chǔ)承載力預(yù)測(cè)中，靜載試驗(yàn)定期采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，周期為5 min，根據(jù)沉降量大小確定是否繼續(xù)施加下級(jí)荷載，如低于0.1 mm/h則開始施加，荷載具體劃分為9級(jí)，分別是120、180、240 N…，即級(jí)差為60 N。在試驗(yàn)中需要根據(jù)荷載沉降曲線來(lái)判斷是否已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài)，具體的判斷標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，首先是累計(jì)沉降達(dá)到樁徑的1/10，其次是曲線中存在陡降。

3樁側(cè)注漿對(duì)樁基承載力的強(qiáng)化作用機(jī)理

3.1注漿對(duì)樁基礎(chǔ)荷載沉降影響

樁基礎(chǔ)破壞之前的加載過(guò)程認(rèn)為是彈性變形，所以根據(jù)彈性模量即可對(duì)其壓縮量S進(jìn)行計(jì)算，具體公式：

結(jié)合之前的分析可知，基于荷載-沉降曲線即可得到樁基礎(chǔ)極限承載力，主要根據(jù)曲線的陡降情況以及累計(jì)沉降判斷是否達(dá)到了極限狀態(tài)。試驗(yàn)中在荷載為300 kN之后降低施加間隔，即設(shè)置為10 kN，繼而提升承載力的精度。注漿前后的荷載-沉降曲線如下圖所示。

由圖3中所示的信息可以明顯地看到，相對(duì)于注漿之前，在注漿之后明顯提高了極限承載力。另外，從沉降量上來(lái)看，在施加一致的荷載時(shí)，注漿之后的沉降明顯更低。在試驗(yàn)中設(shè)置了兩種注漿量，發(fā)現(xiàn)注漿量更大的情況下可以達(dá)到更高的承載力，即二者之間存在一定的正相關(guān)性，如果注漿量較大，則漿液會(huì)產(chǎn)生更顯著的擠密作用。

在注漿量分別為25、35 kg的情況下，注漿影響系數(shù)分別是15.7%、11.2%，漿液體積分別是14.3、20 L。除了上述信息之外，根據(jù)之前的信息，在1.0 MPa注漿壓力、0.6水灰比的條件下，土體內(nèi)摩擦角、粘聚力分別是22.1°、45.4 kPa。

由表2可以看出，在注漿試驗(yàn)中，注漿量分別在25、35 kg的情況下，均提高了樁基礎(chǔ)承載力，相對(duì)于未注漿下的承載力值300 kN，二者相對(duì)增幅分別為13.3%、16.7%;而對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果分別是17.7%、22.6%，即在上述兩種情況中得到的試驗(yàn)和理論結(jié)果基本一致。由此可以證明試驗(yàn)方法和理論計(jì)算方法的有效性。

3.2注漿對(duì)樁基礎(chǔ)軸力影響

基于應(yīng)變片對(duì)樁基礎(chǔ)兩側(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，然后對(duì)軸力進(jìn)行計(jì)算。

由圖4可知，在注漿之前荷載逐步增大的過(guò)程中，上部、下部軸力曲線斜率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，前者變化速率較小，后者變化較大。此外，二者的摩阻力變化情況明顯不同，分別表現(xiàn)為較小、較大的趨勢(shì)。在注漿之后出現(xiàn)了顯著的變化，軸力曲線斜率顯著降低，而且注漿加固作用與注漿量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。另外，在注漿前后樁端阻力并未出現(xiàn)顯著的變化，所以對(duì)于承載力的影響相對(duì)較小。

根據(jù)上述結(jié)果可知，在樁基深部的軸力較小，針對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)荷載在樁身傳遞過(guò)程中導(dǎo)致樁土形成一定的位移，而樁身側(cè)摩阻力將部分樁頂荷載抵消，需要通過(guò)樁端來(lái)負(fù)載其他的荷載，以此降低了深部的軸力。另外，根據(jù)先前的分析，在注漿之后會(huì)增大土體粘聚力，使得樁基礎(chǔ)摩阻力顯著提高，最終導(dǎo)致軸力斜率逐步降低。

3.3樁側(cè)土體加固效果分析

在本次研究中，針對(duì)樁側(cè)土體加固效果，在完成對(duì)軸力分布等參數(shù)的測(cè)試之后，采集部分樁周土體樣品;然后測(cè)試抗剪強(qiáng)度等參數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5展示了注漿之后樁側(cè)土體加固效果，具體包括抗壓強(qiáng)度、粘聚力參數(shù)。由圖5可知，在注漿之后上述參數(shù)均有顯著的提升。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在注漿之后使得樁周土體密實(shí)度提高，所以會(huì)增大粘聚力等參數(shù)。另外，結(jié)合本次研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，漿脈距離是一個(gè)重要的影響因素，對(duì)于加固效果會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，即在漿脈距離逐步提高時(shí)粘聚力等力學(xué)參數(shù)的增幅減小，而這主要與漿脈產(chǎn)生的弱化效應(yīng)直接相關(guān)。針對(duì)圖5（a）進(jìn)行分析，漿脈產(chǎn)生的加固效果根據(jù)與漿脈的距離劃分為強(qiáng)、弱作用區(qū)兩部分，二者分界點(diǎn)即距離為35 cm，如果超過(guò)此距離，則加固效果大幅度降低;如果低于該距離，則加固效果雖然降低，但是降幅相對(duì)較小。因此為了提升樁基承載力，一般需要將樁基礎(chǔ)置于強(qiáng)作用區(qū)內(nèi)。除了上述因素之外，漿脈數(shù)目以及寬度等均會(huì)影響到加固效果。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)樁基礎(chǔ)側(cè)注漿加固機(jī)理和注漿后承載力的計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)研究，得到了注漿加固深度對(duì)樁基礎(chǔ)承載力提升規(guī)律。

（1）通過(guò)模型架、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)樁側(cè)恒壓注漿、模型樁承載特性和注漿中樁側(cè)土體物料場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

（2）模型試驗(yàn)結(jié)果表明，注漿量為25 kg進(jìn)而35 kg時(shí)，樁基礎(chǔ)承載力提升程度分別為13.3%和16.7%，實(shí)測(cè)承載力提升為17.7%和22.6%。誤差產(chǎn)生主要原因?yàn)槟Ｐ图艹叽缬绊懀`差均低于5%;

（3）開挖取樣對(duì)漿脈不同距離樁側(cè)物理力學(xué)性能，并根據(jù)距離遠(yuǎn)近對(duì)作用區(qū)進(jìn)行劃分，當(dāng)距離小于35 cm，注漿加固效果明顯下降;距離大于35 cm時(shí)，樁側(cè)土體加固效果降低程度較大。既有樁基礎(chǔ)注漿的注漿口最佳距離為0.4 m。

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