黃土地區(qū)橋梁灌注樁樁端后注漿優(yōu)化室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

熊彩鳳，徐甫，馮泓鳴，周志軍,3

(1.云南交發(fā)公路工程有限公司，云南 昆明 650200；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.西安長(zhǎng)大公路工程檢測(cè)中心，陜西 西安 710064)

鉆孔灌注樁因承載力高，穩(wěn)定性強(qiáng)，在提高承載力，減少基礎(chǔ)沉降等各個(gè)方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。鉆孔過(guò)程中孔底產(chǎn)生沉渣、泥漿護(hù)壁形成泥皮以及挖孔過(guò)程中的地應(yīng)力釋放，均會(huì)影響樁基礎(chǔ)的承載性狀，導(dǎo)致承載力下降[2?4]。樁端后注漿技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一缺陷，1958年委內(nèi)瑞拉在修建Maracaibo大橋工程中第一次采用了該技術(shù)，成功地向鉆埋預(yù)制樁底部注漿提高了大橋樁基礎(chǔ)的承載力[5]。20世紀(jì)70年代國(guó)內(nèi)開始展開樁基后注漿技術(shù)的研究并做了嘗試。1974年，在天津地區(qū)進(jìn)行了后注漿樁基的靜載試驗(yàn)，結(jié)果顯示后注漿技術(shù)的確可以大幅增加樁基礎(chǔ)的承載力，從此后注漿技術(shù)在我國(guó)的工程實(shí)踐中逐步發(fā)展[6]。樁基后注漿技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為一項(xiàng)相當(dāng)成熟的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其對(duì)樁基承載力的提升毋庸置疑[7?10]。單獨(dú)采用樁端或者樁側(cè)注漿時(shí)，對(duì)樁基承載力的提升效果明顯，聯(lián)合注漿效果更為可觀，但由于施工工藝繁瑣，工期較長(zhǎng)，實(shí)際工程中大多僅采用樁端或樁側(cè)注漿。黃土地區(qū)公路橋梁灌注樁樁長(zhǎng)普遍為30～70 m，由于黃土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、地下水位低，通常采用洛陽(yáng)鏟、旋挖鉆成孔，且成孔過(guò)程無(wú)需進(jìn)行泥漿護(hù)壁，樁土分界面明顯有別于采用泥漿護(hù)壁的灌注樁，樁土之間沒(méi)有了明顯的薄弱層，導(dǎo)致后注漿的漿液在樁底的擴(kuò)散出現(xiàn)了不確定性[11]。泥漿護(hù)壁灌注樁在后注漿時(shí)，樁周泥皮相較于樁周土體，其力學(xué)性質(zhì)較差，往往成為漿液擴(kuò)散的“通道”，漿液在壓力作用下沿著樁側(cè)泥皮向上擴(kuò)散，大幅改善樁土接觸面，對(duì)于摩擦樁而言，極大地提高了樁側(cè)摩阻力[12?14]。然而黃土地區(qū)由于地下水位較低，在干鉆成孔時(shí)大多未采用泥漿護(hù)壁，樁土無(wú)明顯薄弱面，如何保障后注漿對(duì)樁基的加固效果是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。針對(duì)黃土地區(qū)實(shí)際工程中使用最為普遍的樁端注漿，本文設(shè)計(jì)了一種新型注漿噴頭，使用該注漿噴頭可以大幅改善漿液在樁端的擴(kuò)散效果，不僅可以保證對(duì)樁端阻力的提升，同時(shí)也可以一定程度上增強(qiáng)樁側(cè)阻力。單純的樁端注漿，對(duì)樁基承載力的提升已經(jīng)被世人所驗(yàn)證，由于該新型注漿噴頭基于傳統(tǒng)注漿噴頭設(shè)計(jì)，所以本文著重對(duì)比使用2種注漿噴頭注漿后的樁基承載特性。本文通過(guò)對(duì)注漿后的2根模型樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對(duì)比分析了采用不同注漿噴頭注漿后的樁基承載特性，同時(shí)開挖模型樁，觀察漿液在樁端的擴(kuò)散情況，從承載特性和漿液擴(kuò)散方面，綜合比較新型注漿噴頭的優(yōu)越性，為黃土地區(qū)的樁端后注漿優(yōu)化工作提供了參考與借鑒。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 注漿噴頭設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種新型注漿噴頭，該注漿噴頭基于傳統(tǒng)注漿噴頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)樁端注漿的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樁側(cè)注漿的效果。為了進(jìn)行模型試驗(yàn)，本次試驗(yàn)基于新型注漿噴頭的原始設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，制作了2種壓漿噴頭用于模型試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)如圖1所示。1號(hào)噴頭為傳統(tǒng)注漿噴頭，僅設(shè)置水平出漿孔，2號(hào)噴頭為新型注漿噴頭，既有水平出漿孔，又增設(shè)了向上的出漿孔。

圖1 噴頭設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig.1 Design and physical drawing of nozzle

傳統(tǒng)樁端注漿噴頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，漿液被輸送至樁端位置時(shí)，漿液僅沿著樁底水平擴(kuò)散，部分沿著樁側(cè)泥皮上返，改善樁?土分界面的性狀。注漿噴頭對(duì)漿液的擴(kuò)散有著重要影響，合理設(shè)計(jì)的噴頭可以提高漿液的利用率，使?jié){液擴(kuò)散均勻，避免跑漿、竄漿現(xiàn)象。黃土地區(qū)灌注樁普遍樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，單一樁端注漿對(duì)樁基承載力提高有限，此外由于黃土地區(qū)橋梁樁基普遍屬于干鉆成孔，并未采用泥漿護(hù)壁工藝樁側(cè)不存在泥皮，所以在樁端注漿時(shí)，漿液很難沿樁身上返。該新型注漿噴頭增設(shè)了向上的出漿孔，在注漿時(shí)，不僅可以使?jié){液水平擴(kuò)散，并且可以使?jié){液主動(dòng)地上返，結(jié)合黃土地區(qū)橋梁灌注樁無(wú)泥漿護(hù)壁的特點(diǎn)，該噴頭使?jié){液以樁底為中心可最大程度地沿著樁身上返，加固樁側(cè)土體并提高樁基承載力。

1.2 模型樁設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在模型箱中制作了2根模型灌注樁，模型箱內(nèi)土體分層回填夯實(shí)，并采用直徑110 mm的鋼護(hù)筒埋入土體的方法模擬了現(xiàn)場(chǎng)樁基的成孔，回填結(jié)束后取出鋼護(hù)筒，并將提前制作好的鋼筋籠放入樁孔內(nèi)，最后澆筑混凝土成樁。試驗(yàn)所筑兩根模型樁尺寸及材料完全相同，采用強(qiáng)度為C30的混凝土進(jìn)行澆筑，樁徑均為110 mm，樁長(zhǎng)均為1 100 mm，長(zhǎng)徑比為10:1，模型樁的參數(shù)如表1所示。不同之處在于采用了不同的注漿噴頭。模型箱利用矩形方鋼焊接框架，內(nèi)壁用鉚釘固定鋼化玻璃成型，尺寸及模型樁的樁位布置如圖2所示，應(yīng)變片布置如圖3所示。

圖3 樁身應(yīng)變片布置圖Fig.3 Layout of strain gauge

表1 模型樁參數(shù)Table 1 Parameters of model pile

圖2 模型樁布置圖Fig.2 Layout of model piles

1.3 試驗(yàn)步驟

模型試驗(yàn)場(chǎng)地選在長(zhǎng)安大學(xué)道路實(shí)驗(yàn)室，黃土均取自該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)土槽。試驗(yàn)前將模型箱提前置于土槽內(nèi)，方便取土，回填。本次試驗(yàn)分為以下幾步進(jìn)行：配制試驗(yàn)黃土—埋設(shè)注漿管及成孔鋼護(hù)筒—澆筑混凝土—模型樁后注漿—靜載試驗(yàn)—開挖模型箱。

1.3.1 試驗(yàn)黃土的配制

模型箱尺寸為200 cm×100 cm×150 cm，因工程現(xiàn)場(chǎng)地層條件復(fù)雜且難以復(fù)制，且本文旨在探討新型注漿噴頭與傳統(tǒng)注漿噴頭的優(yōu)劣性，因此為滿足試驗(yàn)中變量的控制，本文試驗(yàn)中僅設(shè)置一種簡(jiǎn)單的地層條件，試驗(yàn)中選擇配制最佳含水率的土樣，同時(shí)將模型箱內(nèi)土體密度控制在1.8 g/cm3回填至模型箱內(nèi)。挖土前需測(cè)定土槽內(nèi)黃土的天然含水率，經(jīng)過(guò)計(jì)算，試驗(yàn)所需土量約為5 t，需要從土槽內(nèi)挖出大量的干土進(jìn)行配制。

1.3.2 填筑黃土及埋設(shè)注漿管

1) 模型箱內(nèi)黃土的填筑選擇分層回填并逐層壓實(shí)的方法。回填黃土前需要對(duì)模型箱進(jìn)行預(yù)處理，首先將模型箱底部土層整平，保證模型箱處于水平地面。分層回填的厚度控制在10 cm一層，故在透明側(cè)壁上粘貼白色膠帶做出分層標(biāo)記用于控制分層厚度。

2) 回填黃土及埋設(shè)注漿管前，在模型箱底部鋪設(shè)砂墊層用于排水，鋪設(shè)完畢后開始分層回填黃土，分層厚度為10 cm，使用自制擊實(shí)錘人工夯實(shí)，重復(fù)填土，擊實(shí)，直至填至預(yù)設(shè)高度，填筑過(guò)程中控制每一層的夯實(shí)遍數(shù)，并在擊實(shí)完畢后采用環(huán)刀法控制地基土的密實(shí)度。

模型樁在澆筑樁身混凝土?xí)r已經(jīng)將注漿噴頭及注漿管預(yù)先埋設(shè)于試驗(yàn)黃土之中，注漿管采用標(biāo)準(zhǔn)四分管，端部通過(guò)螺紋連接注漿噴頭。根據(jù)試驗(yàn)方案，模擬成孔的鋼護(hù)筒及注漿管在模型箱內(nèi)的布置如圖4所示。土壓力盒安裝鋼護(hù)筒的下方，埋設(shè)前對(duì)土壓力盒進(jìn)行防潮處理。

圖4 鋼護(hù)筒及注漿管布置圖Fig.4 Layout of steel pipe and grouting pipe

1.3.3 澆筑樁身混凝土

由于模型樁尺寸較小及樁孔內(nèi)的空間有限，為了避免混凝土無(wú)法順利澆至孔底導(dǎo)致樁身存在較大空洞，本次試驗(yàn)采用細(xì)骨料配制細(xì)石混凝土進(jìn)行澆筑，澆筑過(guò)程如圖5所示。澆筑樁身混凝土7 d后待樁身強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度后開始后注漿工作。模型樁注漿參數(shù)如表2所示。根據(jù)規(guī)范，承載力檢驗(yàn)應(yīng)在后注漿20 d后進(jìn)行，所以養(yǎng)護(hù)3周后即可對(duì)2根樁開展靜載試驗(yàn)。

圖5 澆筑樁身混凝土Fig.5 Pouring concrete

表2 模型樁后注漿參數(shù)Table 2 Parameters of post-grouting

1.3.4 模型樁靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)前需要安裝反力系統(tǒng)以及調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)儀器和相關(guān)設(shè)備安裝調(diào)試結(jié)束后，便開始加載。本次靜載試驗(yàn)參照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)采用慢速維持荷載法進(jìn)行，加載過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行操作[15]。

1.3.5 開挖模型箱

靜載試驗(yàn)結(jié)束后，為了觀察不同注漿噴頭下漿液在樁端的擴(kuò)散情況，需要對(duì)模型箱進(jìn)行開挖。開挖過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意保護(hù)傳感器，當(dāng)開挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)劈裂漿脈時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)謹(jǐn)慎開挖，力求完整地開挖出模型樁和樁端的注漿結(jié)石體及土體中的漿脈。開挖過(guò)程如圖6所示。

圖6 開挖模型箱Fig.6 Pouring concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載-沉降特性分析

通過(guò)樁身沉降數(shù)據(jù)繪制出2根模型樁的Q-S曲線如圖7所示。采用傳統(tǒng)注漿噴頭注漿后的S1樁共加載10級(jí)，最大加載量為33 kN，對(duì)應(yīng)最大沉降量為6.16 mm。根據(jù)規(guī)范，取Q-S曲線上發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)作為豎向抗壓極限承載力，所以S1樁的極限承載力確定為30 kN。S2樁比S1樁明顯承載能力更強(qiáng)，S2樁總共加載12級(jí)荷載，最大加載量達(dá)到了39 kN，極限承載力為36 kN。

圖7 模型樁Q-S曲線Fig.7 Q-S curves of model pile

靜載試驗(yàn)匯總結(jié)果如表3所示，2根樁的樁長(zhǎng)、樁徑、設(shè)計(jì)強(qiáng)度以及后注漿參數(shù)完全相同，試樁所處模型箱內(nèi)的土層條件也一致，靜載試驗(yàn)結(jié)果卻產(chǎn)生了20%的差值，該數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新型注漿噴頭的可行性和對(duì)比傳統(tǒng)注漿噴頭的優(yōu)越性。

表3 靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 Results of static load test

2.2 樁身軸力分析

在單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)過(guò)程中，樁身軸力根據(jù)材料力學(xué)中應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算[16]。2根模型樁的樁身軸力曲線如圖8和圖9所示。

圖8 S1樁身軸力Fig.8 Axial force of S1 pile

圖9 S2樁身軸力Fig.9 Axial force of S2 pile

由圖8和圖9所示，2根樁的樁身軸力總體變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)從樁頂至樁端沿深度方向逐漸遞減的趨勢(shì)，并且隨著樁頂外加荷載的增大，軸力也在不斷地增大。其中S1樁，由于采用了樁端注漿，增強(qiáng)了樁端阻力，使得樁底一定范圍內(nèi)的軸力衰減速率有變緩的趨勢(shì)，曲線底部變得分散。加載前期外荷載不大時(shí)，2根樁的軸力曲線變化趨勢(shì)相近，隨著樁頂荷載的不斷增大，S2樁從樁深55 cm處向下，軸力的衰減速率明顯增大，由此判斷采用新型注漿噴頭的模型樁其樁側(cè)摩阻力得到了更好地發(fā)揮。試驗(yàn)結(jié)束后開挖模型樁發(fā)現(xiàn)，采用新型注漿噴頭的S2樁，在無(wú)泥漿護(hù)壁即樁側(cè)不存在軟弱層的情況下，注漿后漿液仍然大幅上返，從樁底向上50 cm內(nèi)樁側(cè)分布著漿液結(jié)石體，樁身表面異常粗糙，這與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，漿液上返改善了樁土分界面，增強(qiáng)了樁側(cè)摩阻力，使得樁身軸力在該范圍內(nèi)衰減變快。

2.3 樁端阻力分析

樁端阻力通過(guò)DH3818Y靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)得埋設(shè)于樁底的土壓力盒數(shù)據(jù)，將獲得的樁端阻力繪制成其隨樁頂荷載變化的曲線，如圖10所示。

圖10 樁端阻力隨荷載變化曲線Fig.10 Curves of pile end resistance changing with load

從圖10可以看出2根樁的樁端阻力變化趨勢(shì)相近，均隨著樁頂荷載的增大而增大。S1樁的端阻力曲線斜率較大，相同荷載下均大于S2樁的樁端阻力。加載前期外荷載較小時(shí)，相同樁頂荷載下，樁端阻力差值不大，僅為0.5 kN左右，加載后期，阻力差值越來(lái)越大，最大達(dá)到了4 kN。這說(shuō)明隨著荷載的增大，采用新型注漿噴頭的S2樁注漿后的優(yōu)勢(shì)得到了體現(xiàn)，漿液沿樁身的上返使得樁側(cè)摩阻力提高，延緩了樁端阻力的發(fā)揮。不同注漿噴頭注漿后的模型樁其端阻力表現(xiàn)出不同的特性，因?yàn)椴煌{噴頭下漿液的擴(kuò)散形態(tài)不同，對(duì)樁身作用的方式不同，導(dǎo)致荷載作用下其樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮特性不同，進(jìn)而導(dǎo)致樁端阻力的不同。

2.4 樁側(cè)摩阻力分析

樁側(cè)摩阻力通過(guò)樁身軸力換算得到[17]。圖11為S1樁的側(cè)摩阻力變化，由圖可知樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出自上而下逐步發(fā)揮的特性，加載前期荷載較小，樁頂荷載主要被樁身上部側(cè)摩阻力抵消，隨著外荷載的不斷增大，增強(qiáng)了樁土的相互作用，樁側(cè)摩阻力逐漸增大，當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，樁身向下發(fā)生了較大的位移量并擠壓樁周土體，樁身下部的摩阻力開始發(fā)揮作用。由于采用了樁端注漿，樁端阻力得到了增強(qiáng)，增強(qiáng)的部分樁端阻力抵消了原先樁側(cè)摩阻力所承擔(dān)的部分外荷載，因此可以看到側(cè)摩阻力在樁身下部有減小的趨勢(shì)。S2樁的側(cè)摩阻力變化趨勢(shì)由S1樁的先增大后減小變成了整體增大的趨勢(shì)。從圖11可以看出，從樁深55 cm截面處向下持續(xù)增大。分析其原因是由于S2樁采用了新型注漿噴頭，由于新型注漿噴頭設(shè)置了向上的出漿孔，使得漿液在注漿過(guò)程中沿著樁身大幅上返。開挖模型箱發(fā)現(xiàn)，從樁底向上50 cm以內(nèi)樁側(cè)分布著漿液結(jié)石體，樁身表面異常粗糙。由于漿液的上返改善了樁土分界面，增加了樁身與地基土的摩擦，這便很好地解釋了樁身下部側(cè)摩阻力增大的原因。

圖11 S1樁側(cè)摩阻力Fig.11 Pile side friction of S1

3 注漿加固效果對(duì)比分析

3.1 樁基承載特性對(duì)比

通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果從試樁的Q-S曲線、樁身軸力、樁端及樁側(cè)阻力對(duì)2根樁進(jìn)行了對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果表明使用傳統(tǒng)注漿噴頭的S1樁極限承載力為30 kN，采用新型注漿噴頭的S2樁極限承載力為36 kN，新型注漿噴頭下的S2樁較S1樁承載力提高了20%。傳統(tǒng)注漿噴頭下的S1樁在注漿后，對(duì)樁端阻力的發(fā)揮起到了促進(jìn)作用，增強(qiáng)樁端阻力的同時(shí)抵消了原先樁身下部側(cè)摩阻力所承擔(dān)的部分外荷載，使得樁側(cè)摩阻力在樁身下部有減小的趨勢(shì)。而使用新型注漿噴頭注漿后的S2樁，樁端漿液的上返改善了樁側(cè)的樁土分界面，增強(qiáng)了樁端阻力的同時(shí)也大幅增加了樁側(cè)摩阻力，使得樁側(cè)摩阻力較S1樁更早地發(fā)揮，且數(shù)值顯著增大。試驗(yàn)結(jié)果表明了該新型注漿噴頭的可行性及有效性。不僅可以實(shí)現(xiàn)樁端注漿的效果，增加樁端阻力，而且可以大幅提高樁側(cè)摩阻力。

圖12 S2樁側(cè)摩阻力Fig.12 Pile side friction of S2

3.2 漿液擴(kuò)散對(duì)比

為了觀察不同注漿噴頭下漿液在樁端的擴(kuò)散情況，對(duì)模型箱進(jìn)行了開挖。完全開挖出的模型樁及樁端漿液結(jié)石體如圖13和圖14所示。對(duì)比開挖結(jié)果，發(fā)現(xiàn)S1樁在注漿后漿液主要在樁底大范圍擴(kuò)散，樁端以上小范圍內(nèi)有漿脈向上劈裂的痕跡。由于S1樁的傳統(tǒng)注漿噴頭僅有水平出漿孔，漿脈水平擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，漿脈呈片狀；相比S1樁，S2樁的樁身下半部樁徑有明顯擴(kuò)大的趨勢(shì)，S2樁樁端水平擴(kuò)散距離較近，樁身側(cè)面異常粗糙，樁身存在肉眼可見的漿液劈裂上返痕跡，開挖出的S2樁徑最大達(dá)到了15 cm。通過(guò)對(duì)比開挖出的模型樁及注漿結(jié)石體，發(fā)現(xiàn)采用新型注漿噴頭的S2樁注漿后漿液的擴(kuò)散更為理想，不僅使?jié){液在樁端形成擴(kuò)大頭，增強(qiáng)了樁端阻力，而且在沒(méi)有泥漿護(hù)壁，即樁側(cè)不存在“軟弱層”的情況下，使得漿液從樁端沿著樁身大幅度上返，改善了樁土分界面的性狀，增強(qiáng)了樁側(cè)摩阻力。

圖13 S1樁Fig.13 S1 pile

圖14 S2樁Fig.14 S2 pile

4 結(jié)論

1)S1和S2模型樁的樁長(zhǎng)、樁徑、設(shè)計(jì)強(qiáng)度及后注漿參數(shù)完全相同，試樁所處模型箱內(nèi)的土層條件也一致，靜載試驗(yàn)表明新型注漿噴頭的S2樁較傳統(tǒng)注漿噴頭的S1樁承載力高20%，該數(shù)據(jù)直接證明了新型注漿噴頭的可行性和對(duì)比傳統(tǒng)注漿噴頭的優(yōu)越性。

2)新型注漿噴頭下的S2樁，漿液不僅在樁端向樁身四周劈裂擴(kuò)散，而且在無(wú)泥漿護(hù)壁的情況下沿著樁側(cè)向上擴(kuò)散了50 cm，顯著改變了樁身下半部分樁-土界面的性狀，改善了樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性。

3)黃土地區(qū)無(wú)泥漿護(hù)壁的灌注樁在使用樁端注漿時(shí)，僅靠漿液自身的擴(kuò)散很難使得漿液有效擴(kuò)散，往往只會(huì)對(duì)樁端起到作用，即便上返，范圍也非常有限，該新型注漿噴頭有效地解決了這一問(wèn)題，通過(guò)模型樁靜載試驗(yàn)以及對(duì)模型樁進(jìn)行開挖觀測(cè)漿液在樁端的擴(kuò)散情況，綜合對(duì)比分析了該新型注漿噴頭的注漿加固效果，驗(yàn)證了其可行性及有效性，值得進(jìn)一步的研究與推廣。