基于室内试验与数值模拟的圆砾层后注浆灌注桩承载机理分析

张 鑫,林东明，李少和

(1.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000；2.浙江工业职业技术学院建筑工程分院，浙江 绍兴 312000)

钻孔灌注桩以其深度易于控制、现场制作钢筋笼以及承载力大、适合各种地层等优点在工程中得到广泛应用,但是任何一种桩型都有其优点,同时也存在一些缺陷。比如,钻孔灌注桩由于在施工中使用泥浆护壁而导致出现泥皮效应,桩底由于清孔不完全而存在沉渣,这些问题都会引起钻孔灌注桩承载力达不到预期效果,沉降量偏大等问题。因此,工程中在桩端和桩侧注入水泥浆液来克服上述问题[1]。但是,由于该项技术在国内应用时间较短,2008年桩基规范[2]第一次将桩端注浆和桩侧注浆编入规范,因而在实际工程中还存在一系列问题,比如注浆段增强系数的选取,浆液扩散半径以及承载性状的研究等。在承载力研究方面,龚维明等[3]对试桩进行静载试验,研究桩底压注浆灌注桩在各种地质条件下的工作机理,并对现场桩基静载试验实测结果进行对比分析,确定了压力注浆桩基的承载力较未压浆桩基提高的具体区域范围。何文安[4]基于实际工程,采用双曲线模型荷载传递的方法对桩端后压浆桩基的受力情况进行了分析,发现桩端后压浆桩荷载传递规律受多种因素的影响,并对主要因素进行了详细分析；冯定波[5]详细分析了桩端后压浆对提高桩端承载力和桩侧阻力的影响,发现桩端后压注浆能够改善灌注桩荷载传递性能,提高灌注桩的承载力。而这些研究都没有考虑到桩端土的级配不同,注入水泥浆的多少对浆泡强度的影响以及桩端进入透水性较大的圆砾中深度不同而导致的一系列问题。本文将在分析载荷试验的基础上结合室内试验与ANSYS有限元进行分析。

1 两个地区桩的载荷试验

1.1 工程实例一

1.1.1 工程地质条件

浙江绍兴某小区二期G-31地块属杭州湾南岸萧绍平原地貌,地基土属萧绍平原海湾—河流(陆)相沉积物。

1.1.2 试桩参数的确定及施工情况

该场地试桩1根,采用钻孔灌注桩加桩端后注浆。桩径1 000 mm,桩长为48 m,以⑧-3b层作为桩基持力层；桩身混凝土强度为C40；注浆后31 d进行破坏性载荷试验,试验采用慢速维持荷载法；满足规范要求后终止试验。最终确定桩极限承载力为9 600 kN,单桩承载力特征值可达到4 800 kN。桩所在土层位置见图1。

图1 桩体所处土层位置示意

1.2 工程实例二

1.2.1 工程地质条件

绍兴市上虞区滨江新城某地块,该场地地势较平坦,属杭州湾南岸萧绍滨海平原地貌。

1.2.2 试桩参数的确定及施工情况

本次载荷试验基桩类型为φ1 000 mm钻孔灌注桩,桩身混凝土强度为C40；桩长为50 m,进行桩端后注浆,桩终止荷载为12 000 kN,对应沉降量为28.68 mm,在测试过程中各级沉降稳定、连续、无特变,其单桩承载力特征值不小于6 000 kN。桩所在土层位置见图1。

从图2和图3桩端注浆后的静载荷试验结果看,工程实例一桩的承载力小于工程实例二。成桩环境相似,桩的直径相同,但两者桩端圆砾的级配不同,工程实例一的级配良好,工程实例二的级配不良；其次是桩进入持力层的深度不同,工程实例一进入持力层深度为2 m,而工程实例二进入持力层的深度为10 m；最终导致桩端注浆后承载力有很大差异,出现承载差异是由浆泡模量及浆泡形成的形式决定的。

图2 工程一静载荷试验N-S曲线

图3 工程二静载荷试验N-S曲线

2 桩端水泥土的室内试验

2.1 试验目的

静载荷试验的两个地区,桩端土持力层均为圆砾,而土的颗粒级配不同。因此,分别取两个地区的圆砾,制作成水泥土,进行无侧限抗压强度试验,分析不同级配条件下水泥土的强度变化。

2.2 试验方案

根据实验要求分别在两个场地取圆砾,水泥掺入量分别为10%、20%、25%、30%,龄期达到28 d后的试样进行无侧限单轴抗压强度试验,实验设备采用建材实验室的万能试验机进行。土的级配曲线见图4。

图4 土的颗粒级配曲线图

2.3 试验结果

通过实验得出的结果是：相同掺入量条件下,工程实例一 的土级配良好,但抗压强度却低于工程实例二级配相对不良的土。抗压结果见表1。由此可知,土的级配对水泥土的强度有一定的影响,主要是级配不良的土,孔隙较大,而水泥浆能够进入孔隙,将颗粒牢固粘接在一起；而级配良好的土,本身孔隙较小,需要的浆量不是很多。表1还说明,在水泥掺入量较小的情况下,两种土的强度没有太大变化,但是当水泥浆掺入量增加时,强度发生明显变化,这与分析中土的孔隙大小有很大关系。

表1 级配不同的水泥土抗压强度

3 桩的有限元分析

3.1 ANSYS有限元模型的建立

模型的计算参数,对于单桩,桩、土、浆泡均采用节点 SOLID42 单元；模型大小取40.8 m×80.1 m。桩径为1 000 mm,桩长按与实际工程的载荷试验桩长一致,取48.2 m。边界条件为: 两侧边均无水平位移,底边完全固定。土的本构模型采用 Drucker-Prager 模型。计算采用的各材料的力学参数见表2[6-7]。对某些参数进行影响作用分析时,它的取值有所变化。有限元分析时的选定方案：1)为桩端持力层浆泡模量不变,而桩体进入持力层深度与承载力的关系；2)桩的深度不变,桩端持力层浆泡模量变化对桩承载力的影响。

表2 有限元模型参数

3.2 ANSYS有限元结果的分析

本方案首先分析桩端持力层深度不同和土的级配不同情况下有限元的分析。根据前述不同级配的土和水泥配合后水泥土抗压强度得出结论是,级配良好的土由于土体孔隙较小,土颗粒与土颗粒接触的面积较大,水泥浆液进入的较少,抗压强度相对较小；而级配不良的土孔隙较大,浆液进入土中时水泥浆液进入的量较大,抗压强度相对较大。以此室内试验结论设置浆泡的模量,一个是较小的模量，代表级配良好的土层,一个是较大的模量,代表级配不良的土层,通过有限元分析得出荷载和变形关系曲线图见图5；图6是分析桩端进入持力层不同深度下的有限元分析后的变形云图。工程一进入持力层深度为2 m,工程二进入持力层深度为10 m。

图5 浆泡不同模量下变形分析云图

图6 桩端进入持力层深度不同变形分析云图

4 桩的承载力结果分析

上述分析的两个工程地质条件相似,桩长和桩径基本一样,持力层同处于圆砾中,不同之处在于两个工程实例的持力层的圆砾级配不同,以及桩端进入持力层的深度不同,工程实例一桩端进入持力层深度为2 m,工程实例二桩端进入持力层深度为10 m,最后结果是载荷试验相差很大。笔者认为,承载力的差异主要是与浆液和桩体周围土体形成的浆泡大小,或者说注浆效果以及桩端水泥土的模量是有很大关系的。通过实验得出结论：桩端水泥土的模量与土的级配关系密切。

如图7所示的是浆泡模量不同(土的级配不同,形成模量不同的浆泡)的情况在受到相同荷载作用下N-S曲线图。通过该图可知,桩端形成浆泡模量不同,则桩的承载力是模量大的高,模量小的低,但变化不是特别明显。通过以往文献可知[8]：如果浆泡模量一定,浆泡所在范围越大,那么承载力越高。对于级配不良的圆砾,由于其孔隙比较大,在一定压力下浆液渗入土中相对比较容易,扩散的范围也相对较大。因此,承载力比级配良好的土大。

图7 桩端两种级配土形成的浆泡N-S曲线

图8中是桩端进入持力层圆砾中不同深度形成的N-S曲线,一根桩进入持力层深度是2 m,一根桩进入持力层深度为10 m,获得图中N-S曲线。通过曲线可知,桩体进入持力层深度越深,桩的承载能力越大,主要的原因是桩端土层是圆砾,浆液很容易灌入土层,相应的在一定压力下浆液扩散的距离也较远。而分析前述工程实例一和工程实例二中,两者持力层上部都是黏性土,而浆液在黏性土中扩散比较困难。因此,从注浆效果上来说,工程实例二的注浆效果比工程实例一的要好很多,因此也印证了两个工程的静载荷试验,同样的工程地质条件下,工程实例二的承载力高于工程实例一的承载力。导致这个结果的原因还有：按照《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》中规定,桩端注浆过程中,一部分浆液会沿着桩的侧壁向上爬升,一般对于钻孔灌注桩而言,攀升的高度是6 m,但两个工程的特点都是持力层上部有黏土层,而黏土具有渗透性差的特点,浆液很难注入,在一定压力情况下,浆液很难沿侧壁向上爬升,更多的浆液将向持力层圆砾中渗透。由于桩端进入持力层深度不同,工程实例二有很长一段圆砾层,在一定注浆压力作用下会向圆砾层中扩散,沿桩体侧壁爬升的高度也较高,而且形成浆泡的范围从渗透的角度分析也会很大。因此,工程实例二的注浆效果好于工程实例一,相应的承载力也很高。

图8 桩端进入持力层深度不同N-S曲线

5 结 语

通过实验和有限元分析,得到以下结论：

1)在室内进行掺入不同含量的水泥浆液试验并进行抗压强度的测试,实验得出两种不同级配的圆砾模量是不同的,级配良好的圆砾模量较小,级配不良的圆砾模量较大。

2)由于两个工程地质条件相似,但桩端土的级配不同,并且工程实例一的桩端进入持力层深度为2 m,工程实例二桩端进入持力层深度为10 m,两个工程持力层上部为黏性土。结果是：浆液在工程实例二级配不良的土中注浆效果比工程实例一的要好很多,桩的承载力也较大。

3)桩端注浆是一个复杂的过程,影响注浆桩的承载力因素有很多,有土质原因，也有桩端进入持力层深度土位置不同而承载力不同。