樁側(cè)注漿提升既有樁基承載特性試驗(yàn)與數(shù)值模擬

王偉, 李召峰, 許彬, 王凱, 林春金, 都君琪, 王衍升

(1.山東高速股份有限公司, 濟(jì)南 250014; 2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心, 濟(jì)南 250061)

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn),中國(guó)交通工程快速發(fā)展。樁基是交通工程中主要的承重結(jié)構(gòu),由于地基累積變形過(guò)大、地質(zhì)條件的變化和周?chē)こ痰母蓴_等原因,許多現(xiàn)有橋梁樁基的承載力不足,影響了上部結(jié)構(gòu)的安全[1]。尤其在中國(guó)黃河、淮河、海河流域地層軟弱松散,造成樁基礎(chǔ)承載力嚴(yán)重不足,給交通工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全造成了嚴(yán)重影響。交通工程中多采用注漿手段對(duì)粉質(zhì)黏土地層中橋梁樁基進(jìn)行加固,但粉質(zhì)黏土地層既有橋梁樁注漿加固參數(shù)設(shè)計(jì)和機(jī)理仍不明晰[2-3]。

目前工程上常采用的既有樁基加固方法有補(bǔ)樁法[4]、錨桿靜壓法[5]和注漿法[6]等。補(bǔ)樁法是在既有樁基礎(chǔ)樁側(cè)增加新樁,多用于解決樁基承載力不足的問(wèn)題,但該方法施工工期較長(zhǎng)、造價(jià)高[7];錨桿靜壓樁法是將錨桿和靜力壓樁相結(jié)合用以提升地基承載力和減小沉降,被廣泛應(yīng)用于建筑物的加固、糾偏等工程中,但施工難度大,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高,施工質(zhì)量難以把控;注漿法被廣泛應(yīng)用于地基處理和樁基礎(chǔ)加固領(lǐng)域,具有高效、經(jīng)濟(jì)、便捷、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)勢(shì)[8]。

注漿可以改善樁周土體的物理力學(xué)性質(zhì),同時(shí)擠密樁周松散的土體對(duì)樁基施加正應(yīng)力提高樁側(cè)摩阻力,改善樁基承載力。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究主要集中在地層加固機(jī)理和鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)。萬(wàn)志輝等[9]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析了后壓漿灌注樁樁側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)和樁端阻力增強(qiáng)系數(shù),并建立了后壓漿灌注樁承載力計(jì)算方法。張忠苗等[10]得到了樁端后注漿下層流冪律流體漿液上返高度的迭代計(jì)算公式。鉆孔灌注樁后壓漿技術(shù)是通過(guò)樁內(nèi)預(yù)留的注漿管對(duì)樁側(cè)土體進(jìn)行加固,既有樁基注漿加固需要在樁側(cè)重新開(kāi)孔后進(jìn)行樁側(cè)加固,對(duì)注漿參數(shù)控制提出更高的要求。軟弱地層注漿加固結(jié)論可以為既有樁基樁側(cè)注漿加固提供理論指導(dǎo)。Bezuijen[11]等描述了砂土中劈裂注漿過(guò)程中概化分析模型,通過(guò)假定裂隙開(kāi)始時(shí)的壓力和最小壓力,能計(jì)算得到裂隙的寬長(zhǎng)比。張連震等[12]通過(guò)自主研發(fā)的可視化注漿模擬試驗(yàn)系統(tǒng),得到注漿壓力、劈裂通道形態(tài)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)隨時(shí)間變化關(guān)系。

目前粉質(zhì)黏土地層在役橋梁樁基的注漿加固機(jī)理尚不清楚,缺乏承載性能提升效果的量化評(píng)價(jià)方法?，F(xiàn)通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析不同加固位置、注漿壓力等參數(shù)對(duì)樁側(cè)摩阻力、荷載-沉降等作用規(guī)律,以期為粉質(zhì)黏土地層在役樁基的承載力提升注漿設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 注漿材料

漿液類(lèi)型選用水泥基液漿,水泥基液漿基本性能如表1所示。

表1 水泥基漿液基本物理性質(zhì)

1.1.2 試驗(yàn)對(duì)象

取山東高速股份有限公司的京臺(tái)高速改擴(kuò)建工程(德齊段)現(xiàn)場(chǎng)的粉質(zhì)黏土,依據(jù)《土工試驗(yàn)方法》(GB/T 50123—2019),采用篩析法獲得樁周土體各級(jí)粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果如表2所示,并對(duì)粉質(zhì)黏土的基本物理特性進(jìn)行測(cè)試,得到土體塑限為18.2%,液限為32.3%,塑性指數(shù)為14.1,黏聚力為17.8 kPa,內(nèi)摩擦角為20°。

表2 樁周土體各級(jí)粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

基于課題組研發(fā)的注漿模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[13],設(shè)計(jì)了一套能夠模擬土體注漿加固的密閉式試驗(yàn)裝置,該裝置包括注漿裝置、填充系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如圖1所示。注漿裝置采用河南耿力有限公司生產(chǎn)的GL 70-90注漿泵,排漿量4 m3/h,注漿壓力 0～8 MPa。填充系統(tǒng)腔體直徑×高度為Φ300 mm×500 mm。

圖1 注漿模擬系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 試驗(yàn)方案

注漿加固試驗(yàn)注漿參數(shù)如表3所示。

表3 粉質(zhì)黏土注漿加固試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.3.2 試驗(yàn)過(guò)程

按照土體含水率、密度,計(jì)算所需質(zhì)量的土體和水,拌和均勻;填充土體時(shí),采用分層填充的方法,分5次完成,保證每層填充土體密度、含水率的均一性;注漿時(shí),當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且穩(wěn)定維持穩(wěn)定30 s時(shí),停止注漿;靜置24 h,對(duì)注漿加固體進(jìn)行切割,首先觀察漿脈形態(tài),然后整體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試;另外,在漿脈附近用環(huán)刀取樣,進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿液擴(kuò)散模式分析

2.1.1 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

不同注漿壓力漿液擴(kuò)散形態(tài)如圖2所示,表4是不同注漿壓力下漿脈寬度。從圖2中可以看出,當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa和1.0 MPa時(shí),土體中含有兩條漿脈,當(dāng)注漿壓力1.5 MPa和2.0 MPa時(shí),主漿脈的數(shù)量增多至3條。在主漿脈數(shù)量相同時(shí),隨著注漿壓力的增大,漿脈寬度也隨之增大。這是因?yàn)?水泥漿液在注漿壓力驅(qū)動(dòng)下在土體中逐漸形成劈裂通道,注漿壓力增大一方面會(huì)使?jié){脈數(shù)量增多;另一方面,漿脈數(shù)量一定時(shí),漿液作用在通道上的法向作用力增大從而將土體擠密,使?jié){脈的寬度也隨之增大[14]。

圖2 不同注漿壓力漿液擴(kuò)散形態(tài)

表4 不同注漿壓力漿脈寬度

2.1.2 水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響

不同水灰比漿液擴(kuò)散形態(tài)如圖3所示。當(dāng)水灰比為0.6和0.8時(shí),水泥漿液的漿脈形態(tài)呈直線(xiàn)式,當(dāng)水灰比為1.0時(shí),水泥漿液擴(kuò)散形態(tài)變成放射式。這是因?yàn)殡S著漿液水灰比的增大,漿液的黏度逐漸降低,在漿液流動(dòng)過(guò)程中的壓力損耗逐漸變小,劈裂土體所需要的注漿壓力減小,故在相同壓力下,隨著水灰比的增大,漿脈數(shù)量逐漸增多,形成多個(gè)劈裂通道。

圖3 不同水灰比漿液擴(kuò)散形態(tài)

2.2 注漿加固效果分析

2.2.1 加固體抗壓特性分析

注漿壓力和水灰比對(duì)加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。可以看出,當(dāng)水灰比一定時(shí),加固體抗壓強(qiáng)度隨著注漿壓力的升高而增大。由圖2和表4可知,當(dāng)注漿壓力升高時(shí),漿脈數(shù)量及寬度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這對(duì)土體的擠密作用增強(qiáng),提高土體強(qiáng)度[13-14]。當(dāng)注漿壓力一定時(shí),加固體抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗冶仍龃髸r(shí),漿脈數(shù)量增多而寬度適中,土體被擠密的程度增大,土體的加固效果較好。當(dāng)水灰比1.0時(shí),漿液中的自由水增多導(dǎo)致粉質(zhì)黏土中的含水率增多,降低了加固體的強(qiáng)度。

圖4 注漿參數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

2.2.2 加固體抗剪特性分析

不同注漿壓力和水灰比作用下,加固體抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯?注漿加固后土體黏聚力與內(nèi)摩擦角顯著增加,黏聚力最大增幅228%,內(nèi)摩擦角最大增幅20%。當(dāng)注漿壓力一定時(shí),隨著水灰比的增加,加固體抗剪強(qiáng)度先升高后降低。這是因?yàn)樗冶仍鲋?.8時(shí),漿脈數(shù)量增加,土體被擠密程度變大;而水灰比增至1.0時(shí),漿脈數(shù)量增多,但寬度減小,從而使抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。由圖5可知,當(dāng)水灰比不變時(shí),加固體內(nèi)摩擦角、黏聚力隨注漿壓力升高而增大。

圖5 注漿參數(shù)對(duì)內(nèi)摩擦角、黏聚力影響

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬工況和數(shù)值模型的建立

3.1.1 既有樁基樁側(cè)鉆孔注漿工況模擬

以注漿提升樁基承載力工程為例,分析了樁側(cè)注漿情況下,加固位置、注漿壓力對(duì)樁基承載力提升效果的影響,樁基長(zhǎng)度20 m、樁徑0.8 m,具體模擬工況情況如表5所示。

表5 模擬工況

3.1.2 模型的建立過(guò)程與參數(shù)的選取

利用FLAC3D建立模型,資料和數(shù)據(jù)選取自京臺(tái)高速改擴(kuò)建工程,分別賦予樁、地基土單元。通過(guò)更改注漿加固前后土體參數(shù)和樁土界面參數(shù)來(lái)模擬注漿對(duì)樁基礎(chǔ)的加固效果,注漿前后土體參數(shù)如表6所示。樁基礎(chǔ)彈性模量為3.6×104N/mm2,FLAC3D中體積模量(K)與剪切模量(G)通過(guò)泊松比(v)和彈性模量(E)來(lái)確定;法向剛度kn和切向剛度ks通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算,關(guān)系式如下。

表6 土體數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

(1)

(2)

(3)

式中:ΔZmin為接觸面法向方向上連接區(qū)域上的最小尺寸。

模擬過(guò)程中將樁側(cè)土體按照深度平均分成5段,將加固深度分別定義為層1、層2、層3、層4、層5,層6為樁底地層,以研究樁側(cè)不同深度注漿對(duì)樁基礎(chǔ)承載力影響,該組模擬樁長(zhǎng)為20 m。樁單元通過(guò)柱體網(wǎng)絡(luò),樁單元沿n1、n2、n3方向網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為3、20、6,比率均為1。樁基土為粉質(zhì)黏土層,采用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格單元以樁端所在平面為分界面將地基土分上下兩部:上部土體根據(jù)樁長(zhǎng)平均分為5段,如圖6所示,上部沿n1、n2、n3、n4方向網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為3、20、6、15,比率分別為1、1、1、1.15,如圖6所示。為方便土體參數(shù)變更,將上層土體劃分為5個(gè)組。下部沿n1、n2、n3、n4方向網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為3、6、6、15,比率分別為1、1、1、1.15。

圖6 樁側(cè)鉆孔注漿數(shù)值模擬建模

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 既有樁基礎(chǔ)樁側(cè)注漿加固對(duì)樁側(cè)摩阻力影響

不同加載等級(jí)條件下(表7)樁基礎(chǔ)側(cè)摩阻力的計(jì)算結(jié)果如圖7所示,B～L為加載等級(jí)。如圖7(a)所示,未被加固的樁基礎(chǔ)在樁頂荷載作用下,樁側(cè)摩阻力曲線(xiàn)沿樁長(zhǎng)方向呈拋物線(xiàn)型,樁埋深18 m處存在極值34 kPa。注漿加固后,土體抗剪強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度提高,樁側(cè)摩阻力提升明顯。圖7(b)～圖7(f)分別對(duì)0～4、4～8、8～12、12～16、16～20 m進(jìn)行注漿加固沒(méi)加固段長(zhǎng)均為4 m。樁側(cè)注漿對(duì)加固處樁側(cè)摩阻力提升明顯,對(duì)未加固處樁側(cè)摩阻力提升幅度較小。圖7(b)～圖7(f)的側(cè)摩阻力極值分別存在于樁深2、6、10、14、18 m處,對(duì)應(yīng)的極值分別為49.7、50.5、54.8、59.6、63.6 kPa,因此注漿加固樁基深部效果最佳。由圖7(f)可知,樁基底部加固時(shí),樁側(cè)摩阻力的極值最大,但是摩側(cè)阻力的峰值區(qū)域變得狹窄,這可能會(huì)引起樁基承載力下降。由圖7(h)、圖7(j)、圖7(k)還可知,加固長(zhǎng)度為12 m時(shí),不同加固深度對(duì)樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律和加固段長(zhǎng)為4 m時(shí)具有相似規(guī)律。

圖7 不同加固深度下樁側(cè)摩阻力分布

表7 樁基礎(chǔ)加載等級(jí)

圖7(j)、圖7(h)、圖7(i)、圖7(l)分別為加固深度8、12、16、20 m時(shí)既有樁基礎(chǔ)側(cè)摩阻力的分布曲線(xiàn)。加固位置處和未加固位置處樁側(cè)摩阻力都得到提升,這是因?yàn)闃痘庸谭秶龃?樁承載力提升幅度增大,較深層土側(cè)摩阻力完全發(fā)揮出來(lái)。加固深度為16～20 m時(shí),既有樁側(cè)摩阻力分布相近,表明注漿靠近樁端土體加固時(shí),其側(cè)摩阻力提升幅度較小。

3.2.2 不同注漿壓力對(duì)樁側(cè)注漿加固影響

注漿壓力對(duì)樁基承載力作用規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。當(dāng)注漿壓力由0.5 MPa升至1.5 MPa時(shí),樁基承載力顯著提高,當(dāng)注漿壓力由1.5 MPa升至2.0MPa時(shí),樁基礎(chǔ)承載力相對(duì)注漿壓力1.5 MPa時(shí),增長(zhǎng)幅度變緩。樁基礎(chǔ)未注漿加固時(shí)承載力為1 356 kN,注漿壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時(shí),樁基礎(chǔ)承載力分別提升89.3%、113%、157%、166%。此外,隨著注漿壓力增大,樁基礎(chǔ)承受相同荷載,沉降值減小,有效地提升了樁基承載力。

圖8 注漿壓力對(duì)樁側(cè)注漿加固效果的影響

4 結(jié)論

(1)水泥單液漿在粉質(zhì)黏土地層中以擠密劈裂的加固方式為主,漿液擴(kuò)散模式呈直線(xiàn)式、放射式,注漿加固效果隨注漿壓力的增大而提升,隨水灰比的增大先提升后減弱。

(2)樁基樁側(cè)注漿加固可以有效減少載荷作用下的樁基沉降和提升樁基承載力,樁基礎(chǔ)承載力最大提升166%。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬獲得了注漿加固對(duì)樁側(cè)摩阻力分布的作用規(guī)律,樁基樁側(cè)加固可以有效地提高加固范圍內(nèi)的側(cè)摩阻力,同時(shí)加固段越長(zhǎng)對(duì)于未加固段的影響越大。