基于注漿加固的橋梁樁基承載特性研究

中圖分類號：U443.15文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.025

文章編號：1673-4874（2025）01-0085-04

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷加速，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，橋梁工程作為連接城市交通的重要組成部分，承載著越來越重要的交通運(yùn)輸任務(wù)。樁基作為橋梁結(jié)構(gòu)中的重要支撐構(gòu)件，其受力性能和變形特性對整個橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，然而在實際工程中，樁基常常受到地基土質(zhì)條件、地下水位變化等因素的影響，導(dǎo)致其受力性能和變形特性存在不確定性。因此，尋求一種有效的樁基加固方案提高橋梁樁基的承載能力和變形穩(wěn)定性，具有重要的工程實踐意義。

近年來，注漿加固技術(shù)作為一種常用的橋梁樁基加固手段，得到了廣泛的應(yīng)用和研究。通過在樁基周圍注入混凝土或其他材料，可以有效地改善樁基的受力性能和變形特性，提高其承載能力和穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)整個橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。戴國亮等2在鉆孔灌注樁現(xiàn)場靜載試驗的基礎(chǔ)上提出了組合后注漿樁以提高承載力的設(shè)計方法。萬志輝等3-4基于注漿加固樁基現(xiàn)場試驗建立了大直徑樁注漿加固后的承載力及沉降計算方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通過數(shù)值計算方法對橋梁樁基注漿加固的效果和機(jī)理進(jìn)行研究成為了現(xiàn)場試驗的有力補(bǔ)充，楊磊、王偉等5-6分別通過有限元法和有限差分法進(jìn)行樁基注漿加固研究，結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，分析了橋梁樁基注漿加固效果的影響因素。

本文依托廣西某粉土地區(qū)高速公路橋梁樁基注漿加固工程，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置不同計算工況，分析了不同樁基參數(shù)和注漿參數(shù)對橋梁樁基承載特性的影響，以期為橋梁樁基的設(shè)計及施工提供參考。

1工程背景與數(shù)值建模

本文依托廣西某粉土地區(qū)高速公路橋梁樁基礎(chǔ)注漿加固工程，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了樁側(cè)注漿對橋梁樁基的力學(xué)性能的影響。研究區(qū)域地勢較為平緩，地層組成較為簡單，地表出露地層為深厚的第四紀(jì)全新統(tǒng)粉土及粉質(zhì)黏土地層，屬典型軟土地區(qū)，地層力學(xué)性質(zhì)較差，且具有明顯的沉積層理。研究區(qū)水資源較為豐富，水流通道較復(fù)雜，地層富水性強(qiáng)。通過詳細(xì)的地質(zhì)勘察，得到橋梁樁基礎(chǔ)加固區(qū)的現(xiàn)場地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

該橋梁工程的樁基礎(chǔ)形式為單樁，樁長為22.0 m，樁徑為1.2m，利用有限元軟件建立樁-土數(shù)值模型。為盡量減少模型邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，對計算模型范圍進(jìn)行適當(dāng)放大，模型高度選為2倍樁長，模型長度和寬度均選為50倍樁徑，即設(shè)計模型尺寸為 60.0m× （長 × 寬 × 高）。數(shù)值模型如圖1所示。

巖土體本構(gòu)模型采用摩爾一庫侖模型，具體參數(shù)取值如表1所示。橋梁樁基采用實體單元進(jìn)行建模，由于樁身彈性模量遠(yuǎn)大于土體彈性模量，樁體變形在數(shù)值計算中幾乎可忽略不計，故可將樁體變形視為彈性變形。樁體處于彈性狀態(tài)，采用線彈性本構(gòu)模型，樁長為22.0m，樁徑為 1.2m ，樁身彈性模量為 32.5GPa ，泊松比為0.3。模型邊界條件為：模型頂面設(shè)置為自由邊界，在模型底面施加全約束，限制其切向和法向位移；在模型側(cè)面施加法向約束，限制其法向位移。數(shù)值模型的物理力學(xué)參數(shù)取值與表1一致。

2樁基參數(shù)對樁基承載特性的影響

2.1樁長對樁基承載特性的影響

為研究樁長對樁基承載力的影響，設(shè)置樁徑為1.2m 、注漿深度為 注漿段長 注漿半徑為1.6m，選取樁長分別為16.0m、22.0m、28.0m和34.0m的4種工況進(jìn)行數(shù)值計算，得到不同樁長下樁基荷載一沉降曲線如圖2所示。

由圖2可知，樁頂沉降隨荷載的增大而逐漸增大，在相同荷載下的樁頂沉降值隨著樁長的增大而逐漸減小。取樁頂沉降值陡降前的荷載為樁基極限承載力，樁基極限承載力隨樁長增大而逐漸增大。相同樁長條件下，注漿加固后的樁基沉降明顯小于未注漿工況，樁基極限承載力明顯高于未注漿工況。在未注漿工況下，當(dāng)樁長分別為16.0m、22.0m、28.0m和34.0m時，樁基的極限承載力分別為6000KN、6500KN、7000KN和8000KN，與樁長為16.0m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 0.8.3% 、16. 7% 和33. 3% ；在注漿工況下，當(dāng)樁長分別為16.0m、22. 28.0m和34.0m時，樁基的極限承載力分別為 18000k N.8500k N.10000k N.11000k N， 與樁長為16.0m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 0.6.25%.25.0%.37.5% 。

2.2樁徑對樁基承載特性的影響

為研究樁徑對樁基承載力的影響，設(shè)置樁長為22. 注漿深度為 注漿段長 注漿半徑為 1.6m ，選取樁徑分別為 0.8m.1.2m.1.6m 和 2.0m 4種工況進(jìn)行數(shù)值計算，得到不同樁徑下樁基荷載一沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著樁徑的增大，在相同荷載下的樁頂沉降值逐漸減小，樁基極限承載力逐漸增大，相同樁徑條件下，注漿加固后的樁基沉降明顯小于未注漿工況，樁基極限承載力明顯高于未注漿工況。在未注漿工況下，當(dāng)樁徑分別為0.8m、1.2m、1.6m和2.0m時，樁基的極限承載力分別為5000kN、6 000KN、7500kN和9000KN，與樁徑為0.8m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 0.20.0% ，50.0%.80 0 0% ；在注漿工況下，當(dāng)樁徑分別為0 m和2.0m時，樁基的極限承載力分別為7500kN、9500kN、10000KN和11000KN，與樁徑為0.8m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為0.26.7%.33.3%.46.7% 。

綜上，樁長和樁徑均在很大程度上影響樁基承載力。分析其原因為：增大樁基的樁長和樁徑均可增大樁基的體積與表面積，樁基體積增大可擴(kuò)大樁基的加固范圍，樁基表面積增大可使樁基的側(cè)摩阻力增大，提升樁基加固效果，二者共同作用，可顯著提高樁基的極限承載力。然而，在實際工程中，增大樁基的樁長和樁徑均會在很大程度上提高工程造價，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，參考注漿加固工況下不同樁長和樁徑的樁基極限承載力，選取最優(yōu)樁長為28.0m、最優(yōu)樁徑為1.2m。

3注漿參數(shù)對樁基承載特性的影響

3.1注漿深度對樁基承載特性的影響

為研究注漿深度對樁基承載力的影響，設(shè)置樁長22.0m、樁徑為1.2m、注漿段長 5m 注漿半徑為1.6m選取注漿深度分別為 和 20m4 種工況進(jìn)行數(shù)值計算，得到不同注漿深度下樁基荷載一沉降曲線如圖4所示。

由圖4可知，在注漿段長相同的條件下，注漿深度對樁基極限承載力存在較大影響，隨著注漿位置的下移，樁基極限承載力逐漸增大。在未注漿條件下，樁基的極限承載力為6000KN，當(dāng)注漿深度分別為 和 時，樁基的極限承載力分別為6500k N，7000k N，7500k N，8000k N， 與未注漿工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 8.3% 、 16.7% 、25. 0% 、33. 3% 。分析其原因為：注漿位置的變化會導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力的分布出現(xiàn)變化，當(dāng)注漿位置位于樁身下部時，樁身側(cè)摩阻力的提升效果較為明顯。隨著注漿位置的抬升，側(cè)摩阻力提升的幅度逐漸減小，對樁基極限承載力的提升效果逐漸減弱。

3.2注漿段長度對樁基承載特性的影響

為研究注漿段長度對樁基承載力的影響，設(shè)置樁長為22.0m、樁徑為1.2m注漿深度為0～Xm（X為注漿段長度）注漿半徑為1.6m，選取注漿段長度分別為 5m 10m、15m和20m4種工況進(jìn)行數(shù)值計算，得到不同注漿段長度下樁基荷載一沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知，以樁頂為起點(diǎn)向下進(jìn)行注漿，隨著注漿段長度的增大，樁基極限承載力逐漸增大。未注漿條件下樁基的極限承載力為6000KN，注漿段長度分別為5m、10m、15m和20m時，樁基的極限承載力分別為6500KN、7500KN、8000KN、9000KN，與未注漿工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 8.3% 、25. 0% 、33.3%.50.0% 。這是因為注漿段長度的增大會明顯增大樁基的側(cè)摩阻力，從而提高樁基的極限承載力。

綜上，在實際工程中，應(yīng)優(yōu)先選擇在樁身下部的位置進(jìn)行注漿加固，可考慮以樁底為加固起點(diǎn)，盡量向上延長注漿加固段，以期獲得更好的加固效果。

3.3注漿半徑對樁基承載特性的影響

為研究注漿半徑對樁基承載力的影響，設(shè)置樁長為22.0m 樁徑為 1.2m 注漿深度為 注漿段長度為 20m ，選取注漿半徑分別為 和3.0m4 種工況進(jìn)行數(shù)值計算，得到不同注漿半徑下樁基荷載一沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著注漿半徑的增大，樁基極限承載力逐漸減小。未注漿條件下樁基的極限承載力為6000KN，注漿半徑分別為 m和3.0m時，樁基的極限承載力分別為 9000k N，8000k N，7000k N， 6500kN，與未注漿工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 50.0%、33.3%、16.7%、8.3% 。這是因為注漿半徑越小時，注漿加固時的擠密作用更加顯著，對樁基的極限承載力提升效果越明顯。根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)注漿孔與樁體中心小于2倍樁徑時，注漿加固的效果較好。在實際工程中，在保證注漿擾動不會對樁體產(chǎn)生不利影響的前提下，應(yīng)盡量選取較小的注漿半徑。

4樁側(cè)注漿加固效果現(xiàn)場試驗驗證

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，在工程現(xiàn)場設(shè)置了三根相同的試驗樁，分別進(jìn)行未注漿工況、初始方案的注漿加固工況以及優(yōu)化方案的注漿加固工況下的樁基承載力靜載試驗。工況設(shè)置如表2所示，得到不同工況下試樁的荷載一沉降曲線如圖7所示。

由圖7可知，未進(jìn)行注漿加固的 試樁的樁基極限承載力僅為6000KN，通過初始方案進(jìn)行注漿加固的 試樁的樁基極限承載力提升至9000KN，通過優(yōu)化方案進(jìn)行注漿加固的 試樁的樁基極限承載力達(dá)到10000KN。與未注漿加固的 試樁相比， 和 試樁的樁基極限承載力提升幅度分別為50. 0% 和66. 7% ，這與數(shù)值計算得到的結(jié)果基本一致。

5結(jié)語

（1）樁頂沉降隨荷載的增大而逐漸增大，在相同荷載下的樁頂沉降值隨樁長和樁徑的增大而逐漸減小，樁基極限承載力隨樁長和樁徑的增大而逐漸增大。在實際工程中，增大樁基的樁長和樁徑均會在很大程度上提高工程造價，綜合經(jīng)濟(jì)因素考慮，選取最優(yōu)樁長為28. 最優(yōu)樁徑為1.2m。

（2）在注漿段長度相同的條件下，隨著注漿位置的下移，樁基極限承載力逐漸增大，在注漿起始位置相同時，樁基極限承載力隨著注漿段長度的增大而逐漸增大。在實際工程中，應(yīng)優(yōu)先選擇以樁底為加固起點(diǎn)，盡量向上延長注漿加固段。

（3）隨著注漿半徑的增大，樁基極限承載力逐漸減小，這是因為注漿半徑越小時，注漿加固時的擠密作用更加顯著，對樁基的極限承載力提升效果越明顯。在實際工程中，在保證注漿擾動不會對樁體產(chǎn)生不利影響的前提下，應(yīng)盡量選取較小的注漿半徑。

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