不同注漿材料作用下后壓漿樁樁-土界面力學特性分析

臧詩齊 戴國亮 錢曉楠

(東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室, 南京 211189)

(東南大學土木工程學院, 南京 211189)

注漿材料主要可以分為無機系和有機系兩大類[1],其中無機系的水泥漿被廣泛使用.地質聚合物制備無需高溫煅燒,被認為是綠色低碳膠凝材料[2].粉煤灰基地聚合物是粉煤灰的固相顆粒與激發(fā)劑溶液發(fā)生地聚合反應生成的,其中粉煤灰是燃煤產(chǎn)生的副產(chǎn)物[3].地聚合物通常需采用高濃度NaOH或與水玻璃的混合溶液作為激發(fā)材料,形成CSH凝膠、水化鋁酸鈣及硅鋁酸鈣等[4].粉煤灰具有火山灰活性,可替代混凝土中的部分水泥,具有后期強度較高的特性[5],同時在較低用水量的條件下提高漿液的流動性,從而降低了水泥的需水量.

眾多學者通過直剪實驗對樁-土接觸面的剪切力學特性展開研究.Hossain等[6]在不同法向應力條件下進行了全風化花崗巖和水泥漿液接觸面的直剪實驗,結果表明注漿后接觸面抗剪強度明顯提升;李永輝等[7]開展了混凝土與粉質黏土、粉細砂土接觸界面剪切實驗,研究了灌注樁樁側與土體接觸界面的剪切力學行為,并指出在剪切過程中,不同界面類型的土體變形存在較大差異;Chen等[8]進行了注漿后的直剪實驗,結果表明注漿可以提高剪切強度.目前,針對樁基荷載-位移關系的理論研究方法有剪切位移法、荷載傳遞法、彈性理論法和有限元法,其中荷載傳遞法被廣泛使用于計算樁基受力變形.戴國亮等[9]基于靜載實驗結果,選用雙曲線荷載傳遞函數(shù),給出了后壓漿樁荷載沉降關系的計算方法.Wan等[10]進行了全尺寸后壓漿樁靜載實驗,分析了超厚細砂土層中后壓漿的加固機理,提出了一種考慮了漿液擴散規(guī)律的荷載-沉降關系計算方法.

目前,地聚合物和粉煤灰-水泥已廣泛應用于巖土工程的各個領域,如軟土地基固化、裂隙巖體加固等,但后壓漿技術仍采用傳統(tǒng)的水泥漿液,有必要開展不同注漿材料對后壓漿樁承載特性影響的研究.針對后壓漿樁的研究主要集中于砂土和黏土,而對于風化巖層中的后壓漿樁研究則相對較少.風化巖廣泛分布在我國東南沿海地區(qū),研究風化巖層中后壓漿樁的力學特性具有重要意義.鑒于此,本文開展了混凝土與砂土、黏土以及風化巖接觸界面剪切實驗,研究不同注漿材料作用下樁-土界面力學特性.在剪切實驗數(shù)據(jù)的基礎上,得到樁-土相互作用的雙曲線剪切模型參數(shù)和考慮剪切應力軟化的剪切力學模型參數(shù),采用荷載傳遞法探究了不同注漿材料作用下后壓漿灌注樁受力變形規(guī)律.

1 剪切實驗

1.1 實驗設備

為研究樁-土界面剪切力學特性,采用本課題組設計的適用于界面特性實驗的大型直剪儀(見圖1).該大型直剪儀主要由五大部分組成:底座框架、水平加載裝置、垂直加載裝置、剪切盒以及量測控制系統(tǒng).通過垂直加載裝置施加不同的上覆壓力,以模擬不同土層深度的土壓力,水平加載裝置可以按指定速率進行剪切.剪切盒尺寸為480 mm×300 mm×100 mm(長×寬×高);法向壓力和切向推力上限分別可達300和400 kN.

圖1 大型直剪儀實物圖

1.2 實驗準備

1.2.1 土樣制備

本文實驗使用了砂土、黏土、風化巖3種土.砂土采用普通河砂,粒徑范圍為0.075～1.5 mm,對其進行篩分實驗后進行統(tǒng)計,顆粒級配曲線見圖2.

圖2 級配曲線圖

剪切實驗黏土取自連云港市灌云縣濱海沿岸,參照《土工實驗方法標準》[11]統(tǒng)一配置含水率為20%的重塑黏性土樣.黏性土的基本物理參數(shù)如下:重度為16.8 kN/m3;液限為 30.6%;塑限為12.8%;塑性指數(shù)為17.8%.風化巖取自深圳市景?；▓@片區(qū)棚戶區(qū)改造項目工程場地,試樣呈褐色或灰褐色,巖石風化劇烈,類似堅硬土狀,局部為土夾碎塊狀或者塊狀.風化巖物理力學指標為:重度為19.5 kN/m3;地勘報告推薦側阻標準值為80 kPa;內摩擦角為35°;黏聚力為26.1 kPa.

1.2.2 混凝土板制備

為探究灌注樁與土層之間的剪切力學特性,采用混凝土板模擬灌注樁樁身表面.事先定制與直剪儀下剪切盒尺寸相同的模具,將水泥、砂石料和水按比例攪拌后倒入模具.澆筑混凝土板之前,在模具中放入壓漿管道.將混凝土板養(yǎng)護7 d后,進行壓漿實驗.圖3為澆筑完成的混凝土板示意圖.

(a) 混凝土板實物

(b) 混凝土板內部壓漿管布置圖

1.2.3 注漿材料制備

《公路橋梁灌注樁后壓漿技術規(guī)程》(T/CECS G: D67-01—2018)[12]規(guī)定壓漿水泥宜采用普通硅酸鹽水泥,水泥強度等級不宜低于42.5級,故本實驗采用P.O 42.5硅酸鹽水泥作為傳統(tǒng)水泥注漿材料.地聚合物的制備需要硅鋁原材料和堿激發(fā)劑,本實驗采用二級粉煤灰作為硅鋁原材料,水玻璃作為堿激發(fā)劑.水玻璃參數(shù)如下:模數(shù)為3.25,波美度為41.0° .

粉煤灰基地聚合物的抗壓強度隨堿激發(fā)劑用量的增多呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢[13].當水玻璃體積分數(shù)為20%時,堿激發(fā)地聚合物材料固結體的抗壓強度達到峰值[14].將水玻璃與粉煤灰混合攪拌5 min后制成地聚合物漿液,其中水玻璃的體積分數(shù)為20%.李仲輝等[15]進行了水泥-粉煤灰漿液充填加固軟巖巷道的研究與實踐,取得了較好的效果,并進行了水泥-粉煤漿液配比實驗;當粉煤灰質量為水泥與粉煤灰總質量的45%時,結實率較高,流動性較好.本實驗制備的水泥-粉煤灰漿液中粉煤灰質量為45%,其中水泥為P.O 42.5硅酸鹽水泥,粉煤灰為二級粉煤灰.萬志輝[16]統(tǒng)計了國內不同地區(qū)63個工程335根后壓漿樁的漿液水灰質量比,其中水灰質量比為0.5～0.7的樁數(shù)占總樁數(shù)的90.15%.結合相關文獻與預壓漿實驗結果,為保證各工況下漿液可注性,本實驗中水泥漿液水灰質量比取為0.7,水泥-粉煤灰漿液、地聚合物漿液水膠質量比取為0.5.為保證壓漿實驗的穩(wěn)定性,在壓漿實驗開始前,進行了多次預實驗,以確定合適的壓漿壓力和壓漿量.預實驗結果表明,壓漿壓力為0.6 MPa時,3類漿液均可順利注出,壓漿量在720 mL以上時實驗結果區(qū)分度較好,故最終壓漿壓力取為0.6 MPa,壓漿量取為 720 mL.

1.2.4 剪切實驗

在剪切實驗之前需要進行壓漿,模擬后壓漿灌注樁的壓漿過程.由于不能在剪切儀里直接進行注漿,設計了由反力架、千斤頂?shù)冉M成的壓漿系統(tǒng)(見圖4).

圖4 壓漿系統(tǒng)示意圖

在壓漿過程中,千斤頂提供力的數(shù)值由剪切實驗方案中的上覆壓力決定,不同的上覆壓力會影響漿液的擴散.壓漿完成后養(yǎng)護27 d,然后進行剪切,剪切速率為0.03 mm/s,剪切終止位移為40 mm.剪切實驗共計24組,分為3種不同上覆土層(砂土、黏土、風化巖)、2種不同上覆壓力(100、200 kPa)、3種注漿材料(地聚合物、粉煤灰-水泥、水泥)以及未壓漿工況.

2 實驗結果與分析

2.1 砂土中樁-土界面力學特性

砂土-混凝土板界面的剪切力學特性見圖5.由圖可見,在不同上覆壓力的條件下,剪切應力-剪切位移(τ-s)曲線的變化趨勢大致相似.在剪切初始階段時,剪切應力隨剪切位移的增加逐漸增大;達到剪切峰值應力后,剪切應力趨于穩(wěn)定,不隨剪切位移的增加而變化.3種不同材料壓漿后對樁-土接觸界面力學特性都有較好的改善.在相同的剪切位移情況下,壓漿后接觸面對應的剪切應力要大于未壓漿的接觸面.

(a) F=100 kPa

當法向應力F=200 kPa時,3種不同材料壓漿前后峰值剪切應力平均增幅為33%,而當法向應力F=100 kPa時,平均增幅為20%.由此可見,當F=200 kPa時,注漿后接觸面力學特性改善效果較F=100 kPa時更加顯著.究其原因在于:①壓漿時上覆壓力越大,注漿材料與混凝土板結合越緊密.②高應力條件下漿液中的水會濾過土體,漿液濃度升高,漿液對土體顆粒的膠結性能提升.當F=100 kPa時,采用水泥壓漿后接觸面所對應的峰值剪切應力略高于其他2種注漿材料;當F=200 kPa時,采用地聚合物壓漿后接觸面的力學特性要略優(yōu)于水泥壓漿,地聚合物加固后增幅為48.8%.這種情況產(chǎn)生的原因是由于地聚合物的流動性好、可注性強,漿液擴散的范圍更大,除了在壓漿孔附近形成致密的壓漿加固體,漿液在土體內部一定范圍內也有著加固效果.地聚合物和粉煤灰-水泥對于砂土的膠結能力不如水泥,但可注性、流動性優(yōu)于水泥.隨著法向壓力的增加,土體更加密實,地聚合物和粉煤灰-水泥可注性和流動性更好,注漿的優(yōu)勢逐漸顯露.在實際工程中,特別是超長灌注樁,隨著樁長的增加,樁身下部樁側土壓力增大,所需的壓漿壓力也隨之提升,過高的壓漿壓力會對樁身產(chǎn)生損壞,同時產(chǎn)生過大的擾動.地聚合物和粉煤灰-水漿液的顆粒小、流動性好,可以兼顧壓密、滲透的加固效果.

2.2 風化巖中樁-土界面力學特性

風化巖-混凝土界面的剪切力學特性見圖6.風化巖呈塊狀且大小不一,漿液沿間隙擴散,漿液加固范圍存在一定離散性,總體上壓漿后界面剪切力學特性均得到了改善.當法向應力F=100 kPa時,粉煤灰-水泥作為注漿材料所對應的接觸面剪切力學特性最優(yōu),壓漿前后峰值剪切應力增幅為67%.當法向應力F=200 kPa時,地聚合物注漿材料與水泥加固接觸面對應的峰值剪切應力比較接近,壓漿后峰值剪切應力增幅在45%左右,采用粉煤灰-水泥注漿材料增幅為27%.從加固增幅效果來看,地聚合物和粉煤灰-水泥并沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢,但有利于節(jié)約工程造價,3種注漿漿液成本比較見表1.水泥、水玻璃、粉煤灰的價格分別取為478、1 000、200元/t.

(a) F=100 kPa

(b) F=200 kPa

表1 水泥、水泥-粉煤灰、地聚合物漿液成本比較

當法向應力F=100 kPa時,采用地聚合物、粉煤灰-水泥壓漿前后峰值剪切應力增幅分別為21%和67%;法向應力F=200 kPa時,采用地聚合物、粉煤灰-水泥壓漿前后峰值剪切應力增幅分別為45%和27%.由此可見,地聚合物注漿材料和粉煤灰-水泥注漿材料前后2次加固效果浮動較大,究其原因在于漿液加固體被破壞.直剪儀法向加載速率較快且沒有足夠厚度的土體覆蓋緩沖,瞬間加載導致漿液加固體開裂,風化巖也會因為突然的外力產(chǎn)生巨大形變,破壞了漿液與混凝土板表面的膠結作用.地聚合物、粉煤灰-水泥形成的漿液加固體早期強度較低,其中地聚合物和地聚合物凝膠的產(chǎn)生是一個隨時間變化的過程[16-17],致使地聚合物漿液加固體的早期強度較低,而水泥中摻入粉煤灰會進一步降低早期強度[18].受時間限制,僅進行了短期固化條件下的界面剪切實驗,對于長期固化條件下的加固性能還需要進一步研究.

2.3 黏土中樁-土界面力學特性

圖7給出了黏土-混凝土界面剪切應力-剪切位移曲線.可以看出,當壓漿后的界面剪切應力達到峰值,隨著剪切位移的繼續(xù)增加,剪切應力逐漸減小,最后保持為一個穩(wěn)定的殘余強度,呈現(xiàn)出與未壓漿接觸面不同的軟化現(xiàn)象.采用不同注漿材料后界面的剪切力學特性均較未壓漿時有所改善,改善程度較為接近,法向應力為100和200 kPa時峰值剪切應力分別提升50%和100%.

(a) F=100 kPa

(b) F=200 kPa

水泥土界面初始黏聚力主要受2種黏聚力影響,即水泥膠結作用形成的固化黏聚力和土顆粒分子引力提供的原始黏聚力[19].水泥膠結作用使得界面破壞模式接近脆性破壞,達到峰值剪切應力后迅速降低至殘余剪切應力值,出現(xiàn)軟化現(xiàn)象.其他2種注漿材料也具有與水泥類似的膠結作用,剪切實驗曲線變化趨勢大致相似.

3 基于剪切力學模型的后壓漿樁受力變形分析

3.1 樁-土界面剪切力學模型

文獻[20]指出,采用雙曲線模型能較好地擬合壓漿前后的試樁樁側摩阻力-樁土相對位移.因此,本文采用雙曲線模型對剪切應力-剪切位移數(shù)據(jù)進行擬合.雙曲線函數(shù)表達式為

(1)

式中,τ和s分別為剪切應力和剪切位移;k0為初始剪切剛度;τmax為峰值剪切應力;a、b均有明確物理意義的參數(shù),且a=1/k0,b=1/τmax.

對剪切實驗數(shù)據(jù)進行擬合,結果見圖5和圖6.由圖可知,擬合曲線的擬合精度均高于0.9,擬合參數(shù)見表2.通過剪切實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在黏土中樁土界面的剪切應力隨著剪切位移的增加出現(xiàn)峰值,隨后迅速下降,至殘余剪切應力后趨于穩(wěn)定,出現(xiàn)軟化現(xiàn)象.單一的雙曲線模型并不能準確反映界面剪切應力的軟化現(xiàn)象,需采用分段函數(shù)對其進行描述,即峰值剪切應力前后分別采用雙曲線函數(shù)和雙曲正割函數(shù)進行表達.考慮剪切應力軟化的剪切力學模型為

(2)

式中,sf為樁側摩阻力極值對應的樁-土相對位移;α為軟化擬合參數(shù);c為殘余剪切應力與峰值剪切應力比值的擬合參數(shù).由圖7可見,采用分段函數(shù)描述黏土剪切力學特性比較準確,2段函數(shù)的擬合精度見表2.

表2 樁-土界面剪切應力-剪切位移擬合參數(shù)

3.2 計算模型

現(xiàn)有的樁基承載變形理論計算方法包括荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法和有限單元法.1957年Seed等[21]提出了荷載傳遞法,該方法概念明確且簡單實用,能較好地分析單樁的荷載傳遞規(guī)律以及計算荷載作用下單樁的變形位移.在室內剪切實驗數(shù)據(jù)的基礎上采用本文提出的簡化計算模型,對使用不同注漿材料的后壓漿樁進行受力變形分析.荷載傳遞法是將樁分段,每一段與土體之間的聯(lián)系用彈簧來模擬(見圖8).圖中,Q0為豎向荷載;s0為樁頂豎向位移;Pi為樁身第i段底面的軸力;si樁身第i個節(jié)點處的樁土相對位移;τ(z)為樁側摩阻力;Q(z)為樁身軸力;L為樁長.

圖8 荷載傳遞法計算模型

由微元樁段dz平衡條件得

dQ(z)=-uτ(z)dz

(3)

式中,u為截面周長.

微元體彈性變形等于其頂部和底部位移量之差ds.根據(jù)胡克定律有

(4)

式中,A為樁身截面面積;E為樁身彈性模量.

對式(3)求導,代入式(4)可得

(5)

式中,D為樁徑.樁側摩阻力τ(z)函數(shù)的選取是荷載傳遞法的關鍵,選用3.1節(jié)中的剪切力學模型來表示樁側摩阻力和樁土相對位移之間的關系,即

(6)

荷載傳遞的微分方程無法直接求解.本文采用數(shù)值方法,將方程轉化成差分格式,引入虛擬點0,將樁端沉降簡化成第n+1段的壓縮量,不同深度處土層中樁-土界面剪切力學模型采用不同法向應力下的擬合參數(shù),黏土需采用考慮剪切應力軟化的剪切力學模型,差分格式為

(7)

(8)

(9)

式中,pb為樁端阻力;Eb為樁端土的彈性模量;h=L/n.將差分格式化成如下的矩陣向量格式:

(10)

(11)

(12)

式中,ki為si對應的系數(shù);ai、bi為第i個節(jié)點處的樁側摩阻力和樁土相對位移擬合參數(shù).

3.3 計算分析

計算中的相關參數(shù)如下:樁長L=40 m,樁徑D=2 m,樁側土層分別為黏土(層厚10 m)、砂土(層厚20 m)、風化巖(層厚10 m),樁身彈性模量E=30 GPa,樁端土的變形模量和樁端參數(shù)按照文獻[22]選取,樁側摩阻力傳遞函數(shù)參數(shù)取自表2.利用Matlab軟件對式(10)進行計算,結果見圖9.

圖9 采用不同注漿材料后的壓漿樁荷載-沉降曲線

由圖9可見,壓漿前極限承載力為7.936 MN,地聚合物、粉煤灰-水泥、水泥壓漿后的極限承載力分別為13.492、13.647、13.926MN,提升幅度分別為42.2%、41.8%、43.0%.不同工況條件下3種注漿材料對樁-土界面的改善效果各有優(yōu)劣,綜合而言對樁基極限承載力的整體提升效果較為接近.

4 結論

1)不同材料壓漿后樁-土界面剪切峰值應力均有所增大.上覆土體為砂土、風化巖時,剪切應力達到峰值后逐漸趨于穩(wěn)定,不隨剪切位移的增加而變化.上覆土體為黏土時,壓漿后樁-土界面剪切應力出現(xiàn)軟化現(xiàn)象.

2)上覆土體為砂土,法向應力增加至200 kPa時,地聚合物加固增幅為48.8%,加固效果在3種材料中表現(xiàn)最優(yōu).上覆土體為風化巖時,壓漿后剪切應力最大增幅為67%,最小增幅為21%,法向應力為100 kPa時粉煤灰-水泥加固效果最佳,法向應力為200 kPa時地聚合物加固效果最佳,新型注漿材料更加經(jīng)濟.

3) 對于砂土和風化巖的剪切應力-剪切位移曲線,采用雙曲線進行擬合;黏土的剪切應力-剪切位移曲線則采用分段函數(shù)進行擬合.雙曲線函數(shù)和雙曲正割函數(shù)擬合精度較好,均能準確地表征不同工況下樁-土界面的剪切力學特性.

4) 由室內實驗得到荷載傳遞函數(shù),結合荷載傳遞法得到未壓漿及不同材料壓漿后的后壓漿灌注樁荷載-沉降曲線.通過計算,壓漿后樁基極限承載力均得到明顯提升,地聚合物、粉煤灰-水泥以及水泥漿液壓漿后增幅分別為42.2%、41.8%、43.0%.本文驗證了新型注漿材料的加固效果,為后壓漿灌注樁工程中新型注漿材料的選擇提供了參考.