黏土中桩端后注浆单桩抗压承载特性室内模型试验研究

2019-10-15赵春风王有宝

天津大学学报(自然科学与工程技术版) 2019年12期

赵春风，吴悦，赵程，费逸，王有宝

(1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

随着工程建设的不断发展，桩基础在工程建设领域得到大量应用[1-4].钻孔灌注桩具有施工简单、噪音和振动少、单桩承载力高、地层适应性强等优点，因此在房建、桥梁、道路等建设项目中得到广泛应用.但在施工成孔过程中具有一定缺陷，特别是在软土地区，需要采用泥浆护壁成孔工艺，会产生桩底沉渣和桩周泥皮，对桩端阻力和桩侧摩阻力造成不利影响，并且会增加桩顶沉降量.因此如何改善钻孔灌注桩的承载特性成为急需解决的问题，而桩端后注浆技术能很好地解决上述问题，尤其是当应用于大直径超长钻孔灌注桩时，能显著改善其竖向承载性能，减少桩顶沉降量[5-13].

国内外很多学者通过现场试验、室内模型试验、理论分析和数值模拟等方法研究了桩端后注浆对桩承载特性的影响.Ruiz等[14]通过现场试验发现桩端后注浆通过改善桩端土体，类似扩底桩的效果进而提高桩端承载力.Liu等[15]通过现场后注浆桩与普通桩破坏对比试验更加准确得到后注浆桩极限承载力和沉降.赵春风等[10]通过对广东软土地区超长旋挖灌注桩后注浆试验，提出了计算大直径超长后注浆单桩极限承载力的建议方法.Satoshi等[16]通过室内离心机试验研究桩端压密注浆对桩土之间应力改变的影响.Thiyyakkandi等[9]通过室内模型试验和数值模拟的方法研究了砂土中注浆桩竖向承载特性.Mullings等[7]结合现场试验给出了无黏性土中后注浆桩桩端承载力提高系数的等值线图，通过该方法可以得到后注浆桩承载力的提高系数.张忠苗等[17]基于球形空腔扩张及一维径向固结理论，对桩端后注浆桩的桩端注浆残余应力进行理论研究，分析了残余应力的消散过程.房凯等[18]采用双曲线荷载传递函数，推导了后注浆桩桩身荷载和沉降关系的迭代模型，给出了成层地基中后注浆单桩的迭代求解方法，据此预测竖向荷载下后注浆桩的承载变形特性.Youn等[19]采用有限单元软件 PLAXIS模拟分析后注浆对桩的承载力影响，并且通过与现场后注浆桩静载试验结果进行对比评价有限元模拟结果的合理性.

当前，对于后注浆灌注桩的试验研究多集中于现场试验，室内模型试验相对较少，而室内模型试验具有参数可控、试验可重复性强等优点.之前学者做过的室内模型桩后注浆试验，试桩多采用预制桩预埋的方法，简单易行，但不能很好地模拟现场灌注桩特性；并且大部分试验使用的试桩长径比小，缺少对于现场大规模使用的具有大长径比的超大型钻孔灌注桩的试验模拟.注浆方法也多采用预埋注浆体或桩体以外另插管路将浆液直接注入预定土层中，跟现场注浆工艺区别明显.因此，本文采用课题组自行研发的室内模型桩钻机钻孔浇筑模型灌注桩，模拟现场钻孔灌注桩施工过程进行黏土中大长径比桩端后注浆试验.通过 1根未注浆桩和 4根不同桩端注浆量试桩竖向抗压静载试验，对比研究注浆桩和未注浆桩以及注浆量变化对单桩抗压承载特性的影响，并通过试验后土体开挖观察分析注浆后桩端和桩侧土体性状，对试验结果进行分析.

图1 模型桩钻机Fig.1 Model drilling rig

1 模型试验

1.1 试验装置及测试方法

1.1.1 模型桩参数

本次试验采用的模型桩为用自主研发的模型桩钻机(见图 1)钻孔浇筑灌注桩，全套施工工艺能够完全模拟工程现场灌注桩流程.具体流程为先在模型槽内钻孔，然后插入桩芯，最后灌入细石混凝土.灌注桩桩芯由拆分为15mm×15mm×1mm两片L形角铝组成，在角铝内侧粘贴测量桩身应变的应变片，贴片后粘结成封闭“口”字形空管，在管侧一边开小口将数据线引出，贴片处采用 703胶粘贴，并用环氧树脂密封桩芯，为了避免在混凝土浇筑过程中进水，接缝处及数据线出口用硅胶密封，在桩芯内事先封进注浆钢管，以充分模拟现场桩端后注浆施工工艺.注浆钢管内径为 8mm，长度为 1.9mm，在桩底伸出0.05m，在桩顶露出 0.15m，桩顶露出部分与注浆装置的管路连接.试桩长为 1.7m，入土深度为 1.6m，试桩设计直径为0.046m，桩的具体参数如表1所示.

表1 模型灌注桩参数Tab.1 Parameters of the model bored pile

1.1.2 模型槽和模型桩的布置

本次桩端后注浆灌注桩室内模型试验所使用的模型槽(见图 2)位于同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室内，模型槽净尺寸为 3.0m×2.1m×3.0m(长×宽×深)，槽底及槽壁均采用钢筋混凝土结构，壁厚 0.3m.模型灌注桩的平面布置如图 3所示：共有6根模型灌注桩，其中1根预试验试注桩，1根未注浆桩(标号为 Z0)和 4根不同桩端注浆量桩(标号为 ZJ1～ZJ4，注浆量分别为 1.0L、2.0L、2.5L和 3.0L).模型桩间距和距离槽壁间距均足以消除边界效应影响以及满足侧向变形的需要[20].

图2 模型槽Fig.2 Model chamber

图3 模型灌注桩平面布置Fig.3 Plane layout of model bored piles

1.1.3 注浆装置和注浆参数设计

本模型试验桩采用课题组自主研发的装置进行注浆，装置原理见图 4.空气压缩机提供注浆压力将注浆罐内水泥浆液通过注浆管路注入桩端.综合考虑浆液的流动性和可注性，通过试注试验确定水泥型号选用P.O.32.5普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比确定为 0.5，为加强注浆效果在水泥浆液中可以适当掺入部分外加剂，主要添加减水剂和膨胀剂.

《建筑桩基技术规范》[21]和《公路桥涵地基与基础设计规范》[22]规定，桩端后注浆的注浆量设计应根据桩径、桩长、桩端桩侧土层性质、单桩承载力增幅及是否复式注浆等因素确定，根据这两种规范计算出的室内模型桩注浆量过大，因此不适用于室内模型桩后注浆的注浆量设计.通过试注试验后确定注浆量在 1～3L范围内变化能满足本试验要求.注浆压力至今尚没有统一的确定方法.对于注浆压力的要求是在保证设计注浆量的前提下，压力引起的地表变形和桩身上抬量在允许范围内，并综合考虑桩端土层性状、桩身尺寸及设计承载力水平等因素.参考此前课题组室内试验经验以及本次试注浆试验结果，设定本次室内试验桩端后注浆压力为 0.5MPa，通过控制注浆泵使注浆压力维持在 0.5MPa左右将浆液注入桩端.

图4 注浆装置原理Fig.4 Schematic of the grouted device

1.1.4 加载装置和测试仪器

考虑到模型试验桩的承载力相对较小，综合考虑采用堆载更加简便，有利于室内试验操作，因此使用堆载加载方式.试验开始前先在桩顶架设横梁和空加载箱.加载箱边缘一侧以模型槽的外墙为条状支点，桩顶为另一支点，从而形成条形支撑与点支撑的平衡状态.利用杠杆原理即可将加载箱中所加的荷载转化为桩顶竖向荷载.加载箱下铺设刚性横梁，箱底固定多根交叉木条，在桩顶处设置力传感器，测定桩顶荷载.使用土体进行堆载，事先将每级荷载所需土体均匀填入数个标准容积圆桶内，加载时将填土圆桶按照计算预定位置依次放入加载箱内，桩顶所受竖向荷载由桩顶处设置的力传感器测定.百分表布置在桩顶的横梁两端，将测得的数据平均后得出桩顶位移，桩身应变数据通过事先预埋的桩身应变片通过应变采集仪连接到电脑进行数据采集，第 N7号应变片用于近似测试桩端阻力，其余6组应变片用于测试换算桩侧摩阻力.加载装置及应变片布置见图5.

1.2 模型土的配置

本次室内桩端后注浆模型试验中模型土体的配制所依据的原状土选用广东某高速公路高架桥段CZK24钻孔位置处第 10层黏土的主要土体物理性质指标作为参考按照相似理论进行配制，原状土的物理力学性质指标见表 2.配置好的模型黏土物理力学性质指标见表 3.模型土进行分层填筑，每层 0.1m均匀填入模型槽并压实，压实后刨毛并填下一层黏土.为加速固结并保证上层土体的密实度，填满后预压 10d，压力 5kPa.然后在自重下固结并进行沉降观测.51d后沉降基本稳定不再增长(连续 3d沉降值没有变化)，54d后开始进行钻孔浇筑模型灌注桩.

图5 加载装置和应变片布置示意Fig.5Schematic of the test loading system and the distribution of strain gages

表2 原状土物理力学性质参数Tab.2 Physico-mechanical parameters of undisturbed clay

表3 模型黏土物理力学性质参数Tab.3 Physico-mechanical parameters of model clay

1.3 试验加载方案

本次室内模型试验采用快速维持荷载法进行分级加载，根据之前课题组进行的室内模型桩试验规律来看，预估本次试验未注浆模型桩的极限承载力约为2000N，桩端后注浆模型桩的承载力根据不同注浆量预计为 2500～3500N，划分为 10级进行加载据此确定每级加载量.每级荷载施加后按第 5min、15min、30min测读百分表读数以确定桩顶沉降量，以后每隔30min测读1次，每加载5s应变仪自动采集记录 1次桩身应变数据.每小时内桩顶的沉降量不超过0.1mm并连续出现2次，认为模型桩沉降达到相对稳定，施加下一级荷载.加载时直接向加载箱内加荷载，直至出现下列情况之一时，可以判定模型桩已达到极限状态，终止加载，取前一级荷载作为试桩的极限承载力：

(1) 某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍；

(2) 桩顶总沉降量大于40mm.

2 模型试验结果与分析

2.1 不同注浆量下单桩竖向承载特性分析

图 6是 5根模型灌注桩桩顶荷载-沉降关系曲线.由图6可知，5根试桩荷载-沉降关系曲线均有明显拐点，曲线末端出现陡降段，5根试桩 Z0、ZJ1～ZJ4的竖向极限承载力分别为 1.6kN、2.2kN、2.6kN、3.0kN、3.4kN.当桩顶荷载较小时，5根试桩荷载-沉降关系曲线近似呈线性；随着荷载增大，荷载-沉降关系曲线逐渐变为非线性.与未注浆的Z0试桩相比，4根不同注浆量试桩竖向抗压极限承载力均有明显提高，本文试验条件下，不同桩端注浆量试桩的单桩极限承载力较未注浆试桩提高幅度在37.5%～112.5%之间，且在同一桩顶荷载作用下，注浆试桩桩顶沉降量明显小于未注浆试桩.如在桩顶荷载为 1.8kN时，未注浆的 Z0试桩桩顶沉降量为21.35mm，而 4根注浆试桩 ZJ1、ZJ2、ZJ3和 ZJ4桩顶沉降量分别为 7.10mm、3.61mm、3.60mm 和3.85mm，远小于未注浆试桩桩顶沉降量.

图6 桩顶荷载-沉降关系曲线Fig.6 Pile top load-settlement curves

2.2 各级荷载下桩身轴力分析

5根试桩在各级荷载作用下的桩身轴力分布可以通过埋设在桩身角铝内 7个断面处的应变片通过应变采集仪获得的桩身应变换算得到.角铝和模型桩混凝土浇筑在一起，假定二者变形一致，即任一断面角铝和混凝土具有相同的应变值，因此桩身轴力

式中：Ep为模型桩弹性模量，为 24.5GPa；Ap为桩体横截面面积，为 0.00166m2；εi为第 i断面处应变片测定的桩身应变值.

通过计算得到的 5根试桩在各级荷载下桩身轴力见图 7.从图 7可以看出，5根试桩在各级荷载作用下桩身轴力均随着深度增加而减小，相邻两级荷载下对应的桩身轴力增量也随着深度的增加而减小.当桩顶施加的荷载较小时，靠近桩端深度处桩身轴力接近于 0，说明此时主要依靠桩侧摩阻力提供承载力，桩端阻力尚未发挥；随着桩顶荷载的增加，端阻开始发挥作用.4根不同注浆量的试桩轴力曲线在某一深度出现拐点，在此拐点以下曲线斜率明显减小，且注浆量越大，曲线斜率越小，而未注浆试桩则没有这种现象.说明桩端后注浆通过浆液上返能够在桩端以上一定深度内提高桩侧摩阻力，并且提高幅度与注浆量呈正相关.

图7 各级荷载下试桩桩身轴力Fig.7 Axial forces of test piles under different loads

在未注浆 Z0试桩极限荷载(1.6 kN)下，不同注浆量下试桩桩身轴力曲线对比见图8.从图8可以看出，4根注浆试桩桩端以上一定深度范围内轴力明显小于未注浆试桩，且轴力随着注浆量的增大而减小.未注浆 Z0试桩桩端轴力约为桩顶荷载的 60.6%，而4根注浆试桩桩端轴力占桩顶荷载比例均小于50%.说明通过桩端后注浆能够降低桩身轴力提高桩侧摩阻力.

图8 未注浆试桩极限荷载(1.6 kN)下 5根试桩桩身轴力对比Fig.8 Axial forces of five test piles under the limit load(1.6 kN)of the non-grouted pile

2.3 各级荷载下桩身侧摩阻力分析

通过桩身轴力和桩体截面参数可以得到 5根试桩沿不同深度的桩身侧摩阻力分布，见图 9.从图 9可以看出，5根试桩桩身侧摩阻力发挥是一个异步过程，上部土体范围内桩身侧摩阻力先发挥，随着桩顶荷载等级增加，桩身压缩量增大，桩土相对位移增大，上部土体范围内桩身侧摩阻力趋于稳定.最后一级荷载下各单桩桩身侧摩阻力相比上一级荷载作用下减小，说明桩身侧摩阻力已过峰值状态而出现软化现象.桩顶荷载较小时，4根注浆试桩靠近桩端处桩身侧摩阻力接近于零，随着桩顶荷载增大，靠近桩端处桩身侧摩阻力逐渐发挥.当桩顶荷载大于 1.0kN时，随着桩顶荷载的增大，桩端以上一定深度范围内桩身侧摩阻力急剧增加，而对于未注浆试桩 Z0其桩身侧摩阻力没有出现这种现象.

图10为不同注浆量试桩在未注浆试桩达到极限荷载(1.6kN)下桩身平均侧摩阻力分布.从图 10可以看出5根试桩桩身上部侧摩阻力分布基本一致，从下部深度约1.0m位置处开始Z0试桩和4根注浆试桩侧摩阻力分布出现较大差异，而注浆量的多少主要影响其深度范围内侧摩阻力值大小，对侧摩阻力加强深度影响较小，这可能与试验中采用同一注浆压力进行注浆有关.综合分析图7～图10可以认为，靠近桩端处桩身侧摩阻力增大的深度范围约为桩端以上0.65m 范围内(约 14倍桩径)，据此从试验角度推断桩端后注浆浆液上返高度约为桩端以上14倍桩径.

图9 各级荷载下试桩桩身各断面平均侧摩阻力Fig.9Average side resistances of every section of test piles under different loads

图10 未注浆试桩极限荷载(1.6 kN)下 5根试桩平均侧摩阻力对比Fig.10 Average side resistances of five test piles under the limit load(1.6 kN)of the non-grouted pile

2.4 不同注浆量下浆液上返段桩侧摩阻力发挥特性分析

为了进一步分析不同注浆量下桩端以上浆液上返深度范围内桩侧摩阻力发挥情况，根据前面分析得出的桩身平均侧摩阻力分布曲线以及浆液上返深度范围，得到各级荷载下桩身在埋深 1250～1550mm以及 950～1250mm 范围内平均桩侧摩阻力与注浆量关系曲线，见图11和图12.分析图11和图12可以发现，在桩顶荷载较小(400N)时，在浆液上返段深度范围内，4根不同注浆量试桩平均侧摩阻力高于未注浆试桩但增长幅度受注浆量影响很小.随着桩顶荷载的增大，注浆试桩在该深度范围内桩侧平均摩阻力远大于未注浆试桩且注浆试桩桩侧平均摩阻力随着注浆量的增大而增大.综合分析图 11和图 12，可以发现无论是注浆试桩还是未注浆试桩，桩侧摩阻力的发挥均是异步过程.正是桩侧摩阻力的异步发挥机制，导致在桩顶荷载较小情况下，出现不同注浆量试桩桩端附近一定深度范围内桩侧平均摩阻力与未注浆试桩相比增长幅度不大的现象.

图11 各级荷载下埋深 1 250～1 550 mm范围内平均桩侧摩阻力与注浆量关系曲线Fig.11 Curves of the average side resistances of five pilesgrouted volumes at 1 250—1 550 mm depth under different loads

图12 各级荷载下埋深 950～1 250 mm范围内平均桩侧摩阻力与注浆量关系曲线Fig.12 Curves of the average side resistances of five pilesgrouted volumes at 950—1 250 mm depth under different loads

2.5 各级荷载下桩端阻力发挥特性分析

各级桩顶荷载下桩端阻力可以通过预埋在桩端附近(深度 1550mm)处的应变片测定的桩身应变换算出的桩身轴力等效代替桩端阻力.计算得到的 5根试桩在各级桩顶荷载下桩端阻力发挥比例见图13.从图13可以发现，在相同桩顶荷载下，未注浆试桩的端阻力占总荷载比例要大于注浆试桩，且端阻力发挥比例随着桩顶荷载增大逐渐大于 50%，表现出摩擦端承桩的特性.而对于 4根不同桩端注浆量的试桩，端阻力发挥比例随着桩顶荷载的增加基本保持在 50%以下，表现出端承摩擦桩的特性.在同一桩顶荷载下端阻力发挥比例随着注浆量的增加而减小.通过前面的分析可知，由于浆液上返，桩端以上一定深度范围内，各级桩顶荷载下的注浆试桩桩侧平均摩阻力随着注浆量的增大而增大，因此在桩顶荷载一定的情况下，桩端阻力发挥比例随着注浆量的增加而减小.

桩端后注浆浆液在桩底以下按照压密注浆形式扩散时类似于土体中的小孔扩张过程[23]，在同一注浆压力和浆液类型下最终形成的浆体扩散半径应当是一定值，浆液对桩端承载力的提高可归结为浆液对土体的压密作用和浆液形成的桩端扩大头产生的扩底作用[14].同一注浆压力和浆液类型下，不同注浆量对桩端下注浆影响深度及水平范围可分为3种情况：①当注浆量不足以最终形成桩底扩孔的浆体体积时，考虑到浆液沿桩身的上返，其对桩端承载力提高幅度较小，桩端以下浆液影响深度和水平范围较小；②当注浆量能够满足所需最终形成桩底扩孔的浆体体积时，浆液在桩端下注浆影响深度及水平范围达到最大值；③当注浆量超过最终形成桩底扩孔的浆体体积时，浆液在桩端下注浆影响深度及水平范围与情况②基本一致，注浆量增加对桩端下注浆影响深度及水平范围几乎不产生影响，浆液主要以浆液上返的形式进入桩侧或者浆液将难以注入，要进一步扩大桩端下注浆影响深度和水平范围要通过增大注浆压力等措施来实现.

图13 各级荷载下端阻力发挥比例Fig.13 Ratio of pile end-bearing resistance to pile top load under different loads

3 桩端后注浆后续土体开挖分析

在试验完成后，对模型槽内土体进行开挖观察桩端注浆后桩端土体和桩侧土体状况.开挖出的桩端水泥土结石体和浆液沿桩侧上返后桩侧水泥土体性状见图14和图15.

通过观察桩端土的结石体可知，水泥浆液在桩端除了形成团块之外，同时存在于土体裂隙之间，即桩端注浆时浆液分散扩散至桩端土体间隙中，对桩端土体产生劈裂作用，从开挖出的桩端土体中可以看到明显的浆液劈裂尖端面.因此在黏土中的桩端后注浆主要以劈裂注浆和压密注浆为主.此外，在桩端以上一定深度范围土层中存在浆液固结体，说明桩端后注浆浆液在压力作用下沿桩身上返一定高度，并且4根注浆试桩桩身浆液上返高度基本一致，约为 0.6m左右，这与前面分析的试验结果基本一致.随着注浆量的增大，沿桩径方向土体内水泥浆浓度增大，从而对提高桩-土界面强度参数起到积极作用，因此提高了桩端以上一定深度范围内桩侧摩阻力，并且验证了上文中桩端以上一定深度范围内桩侧摩阻力随着注浆量增大而增大的试验现象.