压密注浆桩材料设计要点解读——《压密注浆桩技术规范》解读(二)

秦 强 彭春雷

(1.湖南水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007；2.湖南水利电力工程建设监理咨询有限公司，湖南 长沙,410007;3.湖南宏禹工程集团有限公司，湖南 长沙 410117)

一、标准要求

3.3.3 压密注浆桩加固形成的复合地基的沉降变形，应为压密注浆桩群桩范围内的压缩变形和压密注浆桩底部未被加固土体的压缩变形之和。宜符合下列规定：

1 压密注浆桩群桩范围内的压缩变形宜根据建筑物荷载、桩长、桩身强度、天然地基土强度、置换率、复合地基的变形模量等按式(1)和式(2)估算。

(1)

Esp=mEp+(1-m)Es

(2)

式中S1——加固区的沉降变形量，m；

Pz——压密注浆桩复合土层顶面的附加压力值，kPa；

Pzi——压密注浆桩复合土层底面的附加压力值，kPa；

m——面积置换率；

l——压密注浆桩桩长，m；

Esp——压密注浆桩复合土层的压缩模量，kPa；

Ep——压密注浆桩的压缩模量，可取(100～120)fcm，kPa；

Es——桩间土的压缩模量，kPa。

2 压密注浆桩桩端以下未加固土层的压缩变形量，可按GB50007的有关规定进行计算。

二、标准要点解读

压密注浆桩是一种适用于砂土、粉土、黏性土、碎石土、人工填土等地基的加固处理技术。主要是通过高压泵将低坍落度注浆材料通过注浆管压入到预定土层，通过自下而上分段注入形成一个似圆柱形或葫芦状形的均质桩固结体；同时浆料不断压密土体中的孔隙，将原来松散土粒压缩并密实周边地基土，提高桩周边一定半径范围内土的干密度，达到提高复合地基承载力的目的。

1 压密注浆桩加固机理

压密注浆通过钻孔将极稠的浆液挤入土体，在注浆处形成浆泡。浆泡将土体压缩，在浆泡临近区存在大的塑性变形区。离浆泡较远区域土体发生弹性变形，因而土的密度明显增加。钻杆自下而上注浆形成桩体。压密注浆桩施工开始时，压力方向主要是水平径向方向。随着浆泡体积的增加，将产生较大的上抬力，因而压密注浆的挤密作用和上抬力对沉降基础加固和抬升是非常有效的。压密注浆桩加固地基土体的作用主要体现在以下四个方面：

a.桩顶受荷。注浆过程中，随着高塑性细石混凝土在注浆压力的作用下挤开土体，形成一条自下而上的桩体，可起到类似复合地基中桩体的作用。

b.桩侧摩擦力。因土体沉降速率远大于桩体，土体通过桩侧摩擦力将部分荷载转移给桩体承担；土体被注浆材料挤开时，产生超孔隙水压力，随着超孔隙水的排出，桩土接触面的土体逐渐密实，两者之间的摩擦力亦逐渐增大。

c.挤密作用。压密注浆是采用干密性的浆料在外部压力作用下克服地下水孔隙压力和土体上覆应力，挤密土体孔隙形成球形浆泡，并逐段灌注形成桩式柱体，使周围土体不断压缩密实，见图1。压密注浆的浆液坍落度低，浆液在土体中的运动是推挤周围土体，起置换作用，其注浆压力对土体产生挤压作用，使周围土体发生塑性变形，而不会对土体产生渗透或劈裂，从而达到对地基产生压密效应、形成理想的圆柱体或椭圆球体的效果。

图1 压密注浆示意

2 压密注浆桩复合地基沉降计算方法

2.1 复合地基沉降计算方法概述

目前，复合地基沉降计算主要有三类方法：经验公式法、以有限元为代表的数值计算法和以弹性理论为基础的解析法。由于竖向增强体的存在，并且增强体的材料种类繁多，使得沉降计算结果误差较大。当前，釆用解析法进行变形计算非常复杂，数值计算方法虽为复合地基变形计算提供了一种新的方法，但是由于桩间土与增强体的本构关系复杂，正确选取计算参数较为困难，导致这两种方法在工程中的应用均不成熟。

在各类实用计算方法中，通常把复合地基沉降分为两部分。加固区的压缩量S1，下卧层的压缩量S2，复合地基的总沉降S为两部分压缩量之和，沉降示意见图2。

图2 复合地基沉降示意

对下卧层沉降量S2，采用分层总和法计算，而对加固区范围内的压缩量S1，则针对各类复合地基的特点采用一种或几种计算方法。

2.1.1 加固区地基压缩量计算方法

2.1.1.1 复合模量法

复合模量法是加固区压缩量计算方法中计算结果与实际观察数据吻合较好的方法，也是《建筑地基基础设计规范》(GB 5007—2011)规范推荐方法。复合模量法计算的公式见式(3)、式(4)：

(3)

Ecs=mEps+(1-m)Ess

(4)

式中φ——沉降计算修正系数，根据当地沉降观测资料及经验确定；

ΔPi——第i层复合土上附加应力增量,kPa；

Hi——第i层复合土层的厚度,m；

m——复合地基置换率；

Eps——桩变形模量,MPa；

Ess——桩间土压缩模量,MPa。

复合模量法有两个缺点，一是无法反映出桩长效应；二是无法反映桩端阻的作用。

2.1.1.2 应力修正法

在采用应力修正法计算加固区压缩量时，根据桩间土分担的荷载，按照桩间土的压缩模量，忽略增强体的存在。竖向增强体复合地基中桩间土分担的荷载见式(5)：

(5)

式中p——复合地基平均荷载密度,kPa；

μs——应力减少系数或称应力修正系数；

n——复合地基桩土应力比。

2.1.1.3 桩身压缩法

假设桩端刺入下卧层的沉降量为Δi，桩顶向上刺入量为Δb，桩体本身压缩量为sp，则加固区的压缩量见式(6)：

s1=Δi+Δb+sp

(6)

在桩身压缩法中根据作用在桩体上的荷载和桩体变形模量计算桩身压缩量。桩分担的荷载可用式(7)表示。

(7)

式中μp——应力集中系数。

若桩侧摩阻力均匀分布，桩底端承载力密度pb0，桩体本身压缩量sp的表达式见式(8):

(8)

式中pp(z)——桩身应力沿深度变化的表达式；

Ep(z,p)——桩身变形模量，可以是深度z和桩身应力p的函数。

2.1.1.4 沉降折减法

沉降折减法计算加固区的最终沉降s1的表达式见式(9)、式(10)：

s1=βs0

(9)

(10)

式中s0——与桩间土同性质的天然地基最终沉降量,mm；

β——沉降折减系数，0<β<1。

沉降折减法，根据桩间土的变形参数，按天然地基计算其最终沉降量。折减系数可根据沉降观测资料对比确定，结果准确与否关键在于折减系数的取值。

2.1.1.5 直接计算法

直接计算法计算加固区的最终沉降S1的表达式见式(11)：

(11)

式中φ——复合地基沉降折减系数；

p0——对应于荷载标准值时的基础地面处附加压力,kPa；

αh——基础底面至复合地基底面平均应力系数；

h——由基础底面算起的复合地基的厚度,m；

Esp——复合地基变形模量,kPa，可由荷载试验直接测得。

直接计算方法简单，但参数的选取至关重要，包括沉降折减系数、基础底面至复合地基底面平均附加应力系数、复合地基变形模量等。

2.1.2 下卧层压缩量计算方法

下卧层压缩量S2主要采用分层总和法计算，其表达式见式(12)：

(12)

式中n——土层分层数；

p0——荷载效应准永久组合的基础底面处的附加应力,kPa；

Esi——基底下第i层土的压缩模量,MPa；

zi、zi-1——基底至第i层土、第i-1层土底面的距离,m；

φ——沉降计算修正系数。

使用分层总和法计算下卧层的压缩量S2时，下卧层上的荷载是比较难以精确计算的。在实际计算中，常采用以下几种方法来确定下卧层上的荷载。

2.1.2.1 压力扩散法

压力扩散法计算下卧层上附加应力示意见图3。复合地基上作用荷载为p，复合地基加固区压力扩散角为β，则作用在下卧土层上的荷载pb可用式(13)计算：

(13)

式中B——复合地基上荷载作用宽度,m;

D——复合地基上荷载作用长度,m；

h——复合地基加固区厚度,m。

图3 应力扩散法应力示意

压力扩散法的计算精度主要影响因素是扩散角，扩散角的不确定性很容易引起计算结果发生较大的偏差。

2.1.2.2 等效实体法

等效实体法计算下卧层上附加应力示意见图4。将复合地基加固区视为等效实体，作用在下卧层上的荷载与作用在复合地基上的相同，在等效实体四周作用有侧摩阻力f，则复合地基加固区下卧层上荷载密度pb的表达式见式(14)：

(14)

式中f——复合地基上侧摩阻力,kPa。

等效实体法的计算误差主要来自对侧摩阻力值的合理选择。

图4 等效实体法法应力示意

2.2 压密注浆桩复合地基沉降计算方法分析

压密注浆桩是塑性细石混凝土硬化后形成的一种桩体，抗压强度接近于混凝土灌注桩或CFG桩，但因未置入钢筋，其抗弯、抗剪能力则介于刚性桩和柔性桩之间。压密注浆桩复合地基与刚性桩复合地基的承载机理相似，都是应力向桩体集中，通过桩体将荷载传递到深层土体，从而提高地基的承载能力；压密注浆桩复合地基属于半刚性桩复合地基，作用机理与水泥土搅拌桩相似，因此，压密注浆桩复合地基的沉降计算方法可以参考水泥土搅拌桩进行。结合《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)7.3.2.9条规定，竖向承载压密注浆桩复合地基的变形包括压密注浆桩复合土层的平均压缩变形量S1与桩端下未加固土层的压缩变形S2。

从工程实用的角度出发，以上的几种加固区沉降计算方法除复合模量法外都存在参数不易确定的难题，复合模量法可以作为压密注浆复合地基加固区沉降计算的推荐方法，同时也是《建筑地基基础设计规范》(GB 5007—2011)规范推荐方法。因此，压密注浆桩复合土层的平均压缩变形量S1推荐采用复合模量法进行计算，下卧持力层压缩量计算推荐采用分层总和法，下卧层上的荷载计算推荐采用应力扩散法或者等效实体法。