基于有限元的桩端后注浆单桩注浆量研究

2015-12-11戴忆帆

福建建筑 2015年6期

戴忆帆

(福建省二建建设集团有限公司福建福州 350003)

引言

桩端后注浆是指钻孔灌注桩在成桩后，由预埋的注浆通道用高压注浆泵将一定压力的水泥浆压入桩端土层和桩侧土层，通过浆液对桩端沉渣和桩端持力层及桩周泥皮起到渗透、填充、压密、劈裂、固结等作用来增强桩端土和桩侧土的强度，从而达到提高桩基极限承载力、减少群桩沉降量的一项技术措施。

由于桩端后注浆的复杂性和隐蔽性，使得桩底沉渣情况、桩端持力层情况及浆液的扩散方式难以得知，这导致目前桩端后注浆的承载力及注浆参数(注浆量、注浆压力)的设计大多只能依靠工程经验。本文采用有限元方法，对桩端后注浆的单桩注浆量及其他参数进行研究，通过对大量工程实践统计数据进行分析的基础上，提出了桩端后注浆量的经验设计值。

1 桩端后注浆桩的有限元分析

1.1 基本假定与计算参数

本文利用有限元分析软件ABAQUS，并结合工程经验对桩端后注浆桩进行建模分析。在建模和计算过程中，采用了以下假定:

(1)由于模型为轴对称体，外荷载也是轴对称，所以可进行轴对称分析，桩体与土体都采用四节点轴对称线性减缩积分单元CAX4R单元模拟。

(2)材料的本构模型:桩身及注浆体为线弹性材料，桩周土及桩底土为弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则。

(3)桩土界面的接触定义为库伦摩擦，摩擦系数取0.3。

(4)浆液的扩散半径以内，注浆土的强度取决于水泥掺量，其值通过室内试验确定[1]，材料参数取值见表1，其中桩侧土的计算参数参照粘土取值，桩端土的计算参数参照砾砂取值。

(5)忽略注浆对扩散半径以外土体的压密效应。

(6)为了满足边界条件，取水平方向宽度25倍桩径，竖直方向长度2.5倍桩长作为分析区域。

表1 有限元分析材料参数

1.2 计算模型

在计算中，取桩长为20m，桩径为1000mm，入持力层深度为4m，其中桩端注浆产生的注浆体为以桩底为球心的球体。注浆桩和未注浆桩的有限元网格划分分别见(图1、图2)。

1.3 桩端注浆对桩承载力的影响

为了研究桩端注浆对桩承载力的影响，分别对未注浆桩和注浆桩进行有限元计算，其中注浆桩浆液扩散半径为1.47m，注浆量为2.793吨(水泥掺量10%)，不同荷载下两桩的Q-s曲线如(图3)所示。从(图3)中可以看出，通过桩端后注浆，灌注桩的单桩承载力得到显著的提高。取40mm桩顶位移对应的荷载进行比较，若不考虑桩身强度的影响，未注浆桩的桩顶荷载为 8700kN，注浆桩的桩顶荷载为19100kN，比相同直径的未注浆桩提高了120%。考虑到桩身强度的影响，取20mm桩顶位移对应的荷载进行比较，未注浆桩的桩顶荷载为5300kN，注浆桩的桩顶荷载为12000kN，比相同直径的未注浆桩提高了126%。

图1 未注浆桩有限元网格图

(图4)给出了8000kN桩顶荷载的作用下，未注浆桩和注浆桩的桩周土体竖向位移等值线图。

从(图4)中可以看出，在相同的桩顶荷载作用下，注浆桩的沉降远小于未注浆桩。同时还可以看出，注浆桩桩侧土体竖向位移的影响范围小于未注浆桩，而注浆桩桩端土体竖向位移的影响范围大于未注浆桩，这说明注浆桩通过加固桩端土体，能更好的发挥桩端持力层的承载能力。

1.4 注浆量对桩承载力的影响

图2 注浆桩有限元网格图

图3 未注浆桩与注浆桩Q－s曲线

图4 8000kN桩顶荷载下桩周土体竖向位移等值线图

图5 注浆量对单桩承载力的影响曲线

图6 浆液分布对桩承载力的影响曲线

在桩底持力层可注性一定的条件下，注浆量的增大意味着浆液扩散半径的增大。为了研究注浆量对桩承载力的影响，分别对注浆量为 0.11t、0.70t、2.79t、3.53t、4.71t、7.03t 的注浆桩进行有限元计算，其中注浆体的水泥掺量为10%，即对应的扩散半径分别为0.5m、0.93m、1.47m、1.59m、1.75m 和 2m，不同注浆量下40mm桩顶位移对应的单桩承载力如(图5)所示。

从(图5)中可以看出，随着桩底注浆量的增加，单桩承载力随之增大，但其增大幅度逐渐变小。当注浆量处于3吨以下时，平均每吨水泥能提高3917kN的单桩承载力，当注浆量处于3-7吨之间时，平均每吨水泥只能提高1135kN的承载力，即随着注浆量的增大，桩端注浆的收益不断递减。

1.5 桩底浆液分布对桩承载力的影响

在注浆量一定的条件下，桩底浆液的分布也会影响注浆桩的承载力。为此，在注浆量为7吨水泥条件下，分别对扩散半径为2m(10%水泥掺量)、1.75m(15%水泥掺量)、1.59m(20%水泥掺量)、1.47m(25%水泥掺量)、0.93m(压密注浆，注浆体为纯水泥土)的5根桩进行有限元计算，计算结果如图6所示，此处为了消除弹、弹塑性假定的影响，将持力层和注浆体都视为弹性体。从(图6)中可以看出，在注浆量一定的条件下，当扩散半径小于1.59m时，注浆桩的承载力随扩散半径的增大而增大，当扩散半径大于1.59m时，注浆桩的承载力随扩散半径的增大而减小。这是因为过小的扩散半径无法充分加固桩端受力区域，而过大的扩散半径使浆液流出桩端受力区域，做无效扩散，因此实际工程中必须根据注浆量对浆液的扩散半径做控制。

2 合理注浆量的选择

桩底后注浆参数设计中，注浆量是主控因素，应根据桩端持力层的厚度、扩散性、渗透性、桩承载力的提高要求、桩径大小、桩端沉渣的控制程度等来确定单桩注浆量。在实际工程中，建议通过试注试验来确定。

以福州某办公楼为例，该办公楼采用钻孔灌注桩，桩径700mm，桩长41m，间距2.35m，桩身采用C25混凝土，持力层为含砂和粘土的卵石层，场地内地基土的物理学性质见(表2)，地层剖面及各层厚度如(图7)所示。

图7 地层综合柱状图

表2 地基土物理力学性质指标

为了确定合适的注浆量，选取四根注浆量为400 kg、700kg、1000 kg 、1200 kg 的试桩分别进行现场静载试验以及有限元计算以确定单桩承载力，统一选取20mm桩顶位移对应的单桩承载力做比较，结果如(图8)所示。

表3 实例计算材料参数

从(图8)中可以看出，随着注浆量的增大，单桩承载力随之增大，但是当注浆量大于1000kg时，曲线趋于平缓，说明注浆量对单桩承载力的影响逐渐变小。有限元计算结果与静载试验结果吻合较好，但是在注浆量较小时，有限元计算所得的承载力偏大，这是由于有限元分析中没有考虑桩端沉渣和桩侧泥皮的影响，使计算结果偏大。同时，注浆量大于1000kg时，单桩承载力满足设计要求的6500kN，因此该工程可以选用1000-1200kg水泥作为注浆量。