注漿加固控制鄰近橋梁樁基側(cè)向變形分析*

張 鵬，趙騰躍，王 月，卞海丁，張 晨，姚偉偉

(1.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045； 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

為節(jié)省土地資源，綜合利用地下空間，地下綜合管廊常下穿橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置。地下綜合管廊基坑開挖將使鄰近既有橋梁樁基發(fā)生變形位移，嚴(yán)重時(shí)將影響上部結(jié)構(gòu)正常使用[1-2]。因此開展鄰近樁基變形受力的控制措施研究，分析注漿加固措施控制共構(gòu)橋梁樁基側(cè)移效果及注漿加固參數(shù)的影響很有必要。

現(xiàn)代注漿技術(shù)無(wú)論在理論研究還是在注漿材料、工藝、施工機(jī)具及其應(yīng)用規(guī)模與范圍等方面都取得了重大進(jìn)展[3-7]，楊米加等[8]就裂隙巖體的注漿工藝、理論、試驗(yàn)研究、效果檢測(cè)等方面研究存在的不足，提出了注漿技術(shù)的發(fā)展方向。張秀山等[9]對(duì)比分析了橋墩在注漿與不注漿兩種情況下的受力變形。張凱[10]通過(guò)試驗(yàn)確定了最優(yōu)注漿參數(shù)，并在地下綜合管廊基坑開挖過(guò)程中對(duì)既有高速橋梁基礎(chǔ)附近土體進(jìn)行注漿加固，效果良好。林森等[11]通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)樁基注漿加固前后的內(nèi)力與位移進(jìn)行了對(duì)比分析。高駿等[12]通過(guò)建立有限元模型，對(duì)頂管施工鄰近橋梁樁基地層的注漿預(yù)加固保護(hù)方案應(yīng)用效果進(jìn)行研究，取得了顯著的效果。

本文依托北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)地下綜合管廊基坑工程，研究注漿加固樁周土體對(duì)控制樁基變形的效果，分析注漿加固參數(shù)對(duì)加固效果的影響，相關(guān)研究結(jié)論可供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 地下綜合管廊及共構(gòu)橋梁現(xiàn)場(chǎng)概述

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊工程位于北京市南部，主要為北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)及北京南部地區(qū)提供能源供給保障。管廊北起南四環(huán)公益東橋，南至新機(jī)場(chǎng)北圍界，全長(zhǎng)約36km。

機(jī)場(chǎng)橋梁與綜合管廊相鄰，橋梁上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。共構(gòu)段橋墩采用雙柱雙層框架體系，中橫梁上鋪設(shè)軌道用作軌道層，上蓋梁為高速公路?；A(chǔ)采用分離式承臺(tái)和鉆孔灌注樁，承臺(tái)及鉆孔樁采用C30混凝土，Q235鋼材。

圖1 高架橋上部結(jié)構(gòu)

1.2 地下綜合管廊與高架橋的空間位置關(guān)系

原設(shè)計(jì)中，地下綜合管廊3艙中的2艙布設(shè)在兩樁基礎(chǔ)之間，另外1艙布設(shè)在承臺(tái)外側(cè)。由于設(shè)計(jì)變更，將承臺(tái)外的1艙移至兩承臺(tái)中間，組成3艙結(jié)構(gòu)，變更后的管廊距離樁基礎(chǔ)更近，兩者位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 地下管廊與共構(gòu)橋梁位置關(guān)系

1.3 樁周土注漿加固方案

由于變更后管廊距離樁基礎(chǔ)更近，開挖時(shí)可能影響鄰近共構(gòu)橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性?？紤]到臨近樁基礎(chǔ)的安全性，采用注漿方式對(duì)樁周土體進(jìn)行加固，具體施工工藝流程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)注漿施工工藝流程

采取先注外側(cè)后注中間的順序，隔排跳孔施工，采用分層注漿，每層注漿厚度為0.5m，初凝后注下一層，注漿壓力為0.4MPa，如圖4所示。

圖4 注漿示意(單位：cm)

1.4 注漿加固共構(gòu)橋梁穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

因現(xiàn)場(chǎng)地下綜合管廊開挖時(shí)共構(gòu)橋梁樁基已建成，無(wú)法直接測(cè)得管廊基坑開挖時(shí)樁基的受力變形。故根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選取5個(gè)典型斷面監(jiān)測(cè)橋墩墩底的豎向水平位移及應(yīng)力，此外通過(guò)全站儀輔助測(cè)量橋墩的水平位移和豎向位移。監(jiān)測(cè)儀器布置如圖5所示。

圖5 橋梁變形受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

2 橋梁樁基變形及受力分析

2.1 數(shù)值計(jì)算

采用Abaqus數(shù)值模擬軟件，根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)值模型，計(jì)算共構(gòu)橋梁樁基的受力變形特性，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的可靠性。現(xiàn)場(chǎng)群樁布置形式如圖6所示。

圖6 群樁布置

現(xiàn)場(chǎng)采用注漿加固樁周土體來(lái)控制地下綜合管廊基坑開挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)的影響。數(shù)值模擬時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿加固范圍、強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行樁周土體注漿加固數(shù)值模擬，利用提高土體彈性模量的方法模擬注漿土體，注漿加固土體選用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況采用3×2的群樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與承臺(tái)相連接，承臺(tái)上部與橋墩相連接，用于承擔(dān)上部荷載，橋墩的上部由中橫梁連接，橋墩頂部附有蓋板，其中基坑開挖深度為6m，中橫梁和上蓋梁采用C50混凝土。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

為對(duì)照注漿加固效果，設(shè)置1組未采取注漿加固措施的群樁基礎(chǔ)進(jìn)行作為對(duì)照組，分析2組樁身位移和受力。

2.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

基坑開挖施工時(shí)，注漿加固群樁基礎(chǔ)的變形如圖7所示。由圖7可知，共構(gòu)橋梁的最大水平位移出現(xiàn)在樁頂及承臺(tái)下底面，中橫梁采用C50混凝土，其彈性模量較高，所以中橫梁能夠限制橋墩上端水平位移，中橫梁上端的橋墩水平位移均小于1mm，可忽略不計(jì)。

圖7 橋梁樁基橫橋向水平位移

計(jì)算得出承臺(tái)最大的水平位移為4.3mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的水平位移平均值為3.9mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果稍大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可能由于土體參數(shù)、本構(gòu)模型等因素不同所造成誤差。

綜上分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值相差不大，證明本文建立的數(shù)值模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合，參數(shù)取值合理。

2.3 共構(gòu)橋梁樁基變形及受力分析

為研究注漿加固對(duì)鄰近樁基的控制效果，此節(jié)將對(duì)注漿加固與不加固鄰近樁基受力變形特性進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 注漿加固與未加固時(shí)鄰近樁基性狀

注漿加固和未注漿加固的樁身位移分布如圖8a所示，兩者樁身分布位移形狀基本相同，皆沿深度遞減，最大位移出現(xiàn)在樁頂或樁頂附近處，在樁頂處近樁及遠(yuǎn)樁的位移均相同。未注漿加固的樁身位移在遠(yuǎn)外樁位移最大，其次是近外樁，最近的是遠(yuǎn)內(nèi)樁。注漿加固樁周土體后，其前后鄰近樁基的樁身位移與未注漿加固的樁身位移相比有較大幅減小，如圖9a所示，從遠(yuǎn)外樁可以看出，注漿加固后樁身最大位移從9.7mm減小為5.38mm，加固效果達(dá)到了44.5%，注漿加固可以很好地控制樁身位移變形。

圖9 注漿加固與未加固時(shí)鄰近樁基最大性狀

注漿加固與未注漿加固的時(shí)鄰近樁基性狀中埋深對(duì)彎矩的影響如圖8b所示，在承臺(tái)的固定作用下，樁基發(fā)生位移使得樁基頂端出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩，此時(shí)樁基的正彎矩較??；注漿加固的樁周土體比未加固的樁周土體樁基正彎矩大，最大正彎矩的位置也得到提高。樁頂處的負(fù)彎矩遠(yuǎn)大于正彎矩，因此在實(shí)際工程中應(yīng)該注意樁身頂端的負(fù)彎矩，最大正彎矩次之。注漿加固與未注漿加固鄰近樁埋深與樁身剪力的關(guān)系如圖8c所示，在樁頂處剪力最大，沿著埋深逐漸減小，說(shuō)明注漿加固可以有效減小樁身剪力，尤其對(duì)減小樁頂剪力最有效。

3 注漿加固影響因素分析

通過(guò)對(duì)注漿加固土體與未注漿加固土體的樁身位移、彎矩、剪力等因素分析，可以得到基坑開挖時(shí)注漿加固對(duì)鄰近樁基受力變形有很好的控制效果，但在實(shí)際施工中，一般按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)獲取注漿參數(shù)，取值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)工程造成不必要的損失。為探究不同加固參數(shù)對(duì)臨近樁基受力變形的影響，本節(jié)借助Abaqus有限元軟件，對(duì)注漿加固寬度、深度、位置及彈性模量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，以期為類似工程提供參考。

3.1 注漿加固寬度對(duì)樁基變形的影響

緊靠樁身注漿，注漿深度取8m，注漿寬度分別取0(未加固)、5.4，10.6，14.6，20.6，24.6，30.6m。

不同注漿加固寬度的鄰近樁身側(cè)移隨深度的變化規(guī)律如圖10所示。從圖中可以看出，不同注漿寬度下樁身側(cè)移變化趨勢(shì)大致相同，隨著注漿寬度的增大樁頂處的樁身位移逐漸減小。當(dāng)注漿寬度取值較小時(shí)，樁身側(cè)移較大，最大位移出現(xiàn)在樁頂附近；當(dāng)注漿寬度>14.6m時(shí)，注漿寬度對(duì)樁身側(cè)移的影響很小，側(cè)移值基本趨于一致，在樁頂處側(cè)移最大。由上述規(guī)律可知，注漿加固效果隨著注漿寬度的增加而增強(qiáng)，但當(dāng)注漿寬度超過(guò)某一值時(shí)，加固效果基本一致。

圖10 不同加固寬度對(duì)應(yīng)的樁身位移

樁身最大側(cè)移與加固寬度之間的關(guān)系如圖11所示。由圖可知，當(dāng)注漿加固寬度<14.6m時(shí)，直線以較大的斜率逐漸減小，當(dāng)加固寬度>14.6m時(shí)，衰減斜率明顯減小。由此得出結(jié)論，當(dāng)注漿加固寬度取14.6m時(shí)，加固效果與經(jīng)濟(jì)效益最佳。

圖11 樁身最大側(cè)移-加固寬度的關(guān)系

3.2 注漿加固深度對(duì)樁基的影響

注漿加固寬度取14.6m，注漿深度取0(未注漿)，2，4，6，8，12m。注漿加固深度與樁身側(cè)移的關(guān)系如圖12所示。整體來(lái)看，樁身側(cè)向位移隨著注漿加固深度的增加逐漸減小。當(dāng)注漿加固深度<4m時(shí)，隨著加固深度的增加樁身側(cè)移逐漸減小。當(dāng)加固深度超過(guò)4m時(shí)，樁身側(cè)移隨注漿加固寬度的增加基本不變。

圖12 樁身最大側(cè)移-加固深度的關(guān)系

樁身最大側(cè)移與加固深度的關(guān)系以二次函數(shù)的形式擬合，如圖13所示。隨著加固深度的增加，曲線割線的斜率以較大值逐漸減小，當(dāng)加固深度>4m時(shí)，曲線割線的斜率以較小值減小。由此可知，加固深度>4m時(shí)，加固效果顯著降低。

圖13 最大樁身側(cè)移-加固深度的關(guān)系

加固深度、不同加固寬度與樁身最大側(cè)移減小量之間的關(guān)系如圖14所示。由圖可知，在相同的樁身最大側(cè)移減小量下，加固寬度的值要大于加固深度的值。當(dāng)加固后樁基側(cè)向位移減小4mm時(shí)，注漿加固寬度需達(dá)到10.2m，注漿加固深度需要達(dá)到3.17m，此時(shí)的加固橫截面積分別為46.3m2與81.6m2。

圖14 最大樁身側(cè)移減小量-加固范圍的關(guān)系

因此實(shí)際工程中，在機(jī)械、場(chǎng)地滿足要求的情況下，增大注漿加固深度較增大注漿加固寬度經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

3.3 注漿加固體彈性模量的影響

注漿加固深度取8m，注漿加固寬度取10.5m，上部荷載取14 200kN，注漿加固體彈性模量分別取50，100，150，200，250MPa。

注漿加固土體的彈性模量與樁身側(cè)移的關(guān)系如圖15所示。由圖可知，隨著注漿加固體彈性模量的增加，樁身側(cè)移逐漸減小，但減幅也同樣減小。因此，當(dāng)注漿加固體彈性模量達(dá)到一定數(shù)值后，繼續(xù)提升其彈性模量對(duì)樁身側(cè)移的限制效果并不顯著。

圖15 加固體不同彈性模量對(duì)應(yīng)的樁身位移

在本工程中，當(dāng)加固體的彈性模量大于350MPa時(shí)，曲線趨于平緩，對(duì)樁身側(cè)向位移的控制效果并不明顯，樁身最大側(cè)移趨于穩(wěn)定，如圖16所示。

圖16 加固體彈性模量對(duì)最大位移的影響

3.4 注漿加固位置對(duì)樁基的影響

被動(dòng)加固和主動(dòng)加固如圖17所示。主動(dòng)加固和被動(dòng)加固時(shí)鄰近樁基側(cè)向位移分別沿不同深度的分布如圖18所示。注漿加固深度皆取8m，注漿加固寬度皆取14.6m，加固體積也相同。

圖17 注漿加固示意

圖18 主動(dòng)加固與被動(dòng)加固樁身位移分布

由圖可知，采用被動(dòng)注漿加固樁基變形要小于采用主動(dòng)注漿加固，采用被動(dòng)加固與主動(dòng)加固的樁身最大側(cè)移值分別為7.5mm與9.2mm，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在相同條件下，被動(dòng)注漿加固樁基比主動(dòng)注漿加固樁基控制變形更為有效。

4 結(jié)語(yǔ)

以北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)地下綜合管廊基坑工程為項(xiàng)目依托，討論了注漿加固的相關(guān)因素對(duì)鄰近樁基側(cè)向變形的影響，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)樁周土體進(jìn)行注漿加固可以起到控制鄰近樁基變形和位移的作用，樁身的側(cè)向位移、樁身剪力和彎矩都相對(duì)減小。本項(xiàng)目中，注漿后土體周圍樁基的側(cè)向位移值減小了44.5%。

2)本項(xiàng)目中，最優(yōu)注漿加固寬度為14.6m。當(dāng)加固寬度不大于最優(yōu)加固寬度時(shí)，加固寬度的增加對(duì)鄰近樁基的側(cè)向位移控制效果明顯；當(dāng)大于最優(yōu)加固寬度時(shí)，提升加固寬度對(duì)鄰近樁基控制效果不太明顯。

3)本項(xiàng)目中，最佳加固深度為4m，當(dāng)超過(guò)4m的加固深度后，控制樁基側(cè)向變形的效果逐漸減弱。

4)加固深度控制樁基側(cè)向變形比加固寬度效果更好。因此在機(jī)械設(shè)備場(chǎng)地滿足條件的情況下，提升加固深度比加固寬度經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

5)當(dāng)注漿土體的彈性模量超過(guò)350MPa時(shí)，繼續(xù)增大注漿土體彈性模量對(duì)控制樁基側(cè)移的效果不顯著。

6)在實(shí)際工程中，相同加固條件下，采取被動(dòng)加固控制樁基側(cè)向位移的效果比主動(dòng)加固更為明顯。