后注浆钢管桩桩-土界面力学特性及微观结构

2021-08-03郭超溢张传庆马海辉

科学技术与工程 2021年19期

李伟，张楷，郭超溢，崔强，张传庆，马海辉

(1.国网河北省电力有限公司沧州供电分公司，沧州 061000；2.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，石家庄 050021; 3.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870；4.中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071; 5.中国电力科学研究院有限公司，北京 102401)

后注浆微型钢管桩是指桩径小于300 mm，长细比大于30的钢管，通过钻孔或者静压施工贯入土体，采用压力注浆工艺施工形成“内注浆体+钢管桩+外注浆水泥土”的一种新型微型桩[1-2]。这种桩型与普通灌注桩相比具有施工速度快、布置形式灵活、承载力较高等优点，可以满足新时期电网建设“保质、保速、保优”的要求，因此在输电线路基础工程中具有广阔的应用前景。后注浆微型钢管桩的承载力主要由桩侧摩阻力提供，桩侧摩阻力在很大程度上取决了两个方面：一方面，通过压桩和压力注浆增加了桩侧土的密实度；另一方面，水泥浆渗入土体，提高了水泥浆-土界面的抗剪强度，水泥浆与钢管桩界面的抗剪强度也高于土体与钢管桩界面。近年来中外学者针对该桩型的承载性状开展了相关研究。通过开展抗拔、抗压承载特性的现场试验，分析了后注浆微型钢管桩的荷载-沉降规律及传力机理[3-6]。宗钟凌等[7]基于实测荷载-沉降曲线，研究压力注浆工艺及注浆体积比对微型桩抗压、抗拔极限承载力以及极限侧阻力的影响，认为软土地基中，注浆较未注浆情况下桩基极限承载力提高显著，抗拔性能良好。文磊等[8]基于现场试验结果得出，后注浆微型钢管桩较常规微型钢管桩的竖向抗压承载力提高了约2.4倍，指出注浆作用明显提高了微型钢管桩的承载力、减小了桩基沉降效果。朱彦鹏等[9]对黄土地区的微型钢管水泥桩开展了现场单桩静载试验，认为桩周土经水泥浆加固使单桩承载力显著提高。马忠政[10]分析了深厚软土层中不同注浆情况下钢管桩的荷载-沉降曲线，提出了注浆可改善桩土接触面使钢管桩的抗拔承载力得到了显著提升。上述研究重视了注浆后桩的承载力问题，所给出的承载力提高机制的定性分析对掌握该桩型的承载性能具有重要指导意义。注浆后桩的承载力的提高取决于桩-土界面强度特性和力学响应方式的改变，然而针对注浆前后桩侧土及桩-土界面密实度和抗剪强度差异性的研究尚显不足。因此，只有充分认识桩-土界面的力学特性才能从根本上掌握注浆后桩的承载机制，从而为施工工艺及设计参数优化提供指导。

针对后注浆微型钢管桩-土界面力学特性与机制问题，依托河北沧州双楼—交河π入东光北变220 kV线路工程，采用室内试验和微观扫描测试相结合的方法，对后注浆微型钢管桩桩侧土体、桩-土界面的物理力学特性进行系统研究，获得注浆对微型钢管桩承载特性的影响规律,以期能为该桩型的工程应用提供有益参考。

1 钢管桩施工工艺

现场试验场地位于沧州市东光县拟建220 kV东光变电站站址附近，地貌上位于华北平原中东部，软土分布广泛。试验选用材质Q235，外径159 mm，壁厚6 mm，桩长5 m的钢管桩。在此基础上，后注浆微型钢管桩在靠近桩底的桩侧面沿桩周均匀布置4个12 mm孔径的注浆孔。为了将桩周土排出空腔从而预留溢浆通道，在桩底焊接一个大小宽出钢管外径40 mm、厚度t0=20 mm的圆盘，结构示意图如图1所示。

图1 微型钢管桩结构示意图

不注浆微型钢管桩通过静力压桩技术压至指定深度即可。后注浆微型钢管桩压入指定位置后，采用气动力注浆机，选用P.O42.5水泥，以3.0 MPa的注浆压力从钢管桩顶部注入水灰比为0.6的水泥浆，以浆液返至地面作为注浆结束的条件。试验采用锚桩法进行加载，加载方式为慢速维持荷载法。现场试验结果表明，后注浆微型钢管桩承载力相对于不注浆微型钢管桩有明显提高[11]。

2 取样方案

为了分析注浆前后试验桩桩周土体力学特性的差异，从而开展现场取样工作。所取的土样有未经扰动的原状土样、不注浆微型钢管桩桩侧土样(简称“不注浆桩侧土样”)、后注浆微型钢管桩桩侧土样(简称“后注浆桩侧土样”)、后注浆微型钢管桩桩-土界面试样。为保持土样的原状结构及天然含水率，并使其不受扰动，采用环刀法取样。取样深度根据微型钢管桩的长度及地层条件，确定最关心的一种类型土体。水平向则根据桩侧距离由近到远选择3个不同位置，一个目的是研究压桩挤密作用对不同位置土体的影响，另一个目的是研究水泥浆的渗入深度。取样示意图如图2所示，本次取样深度统一为2 m，该层土体为粉质黏土，取样水平距离为钢管桩桩侧距离5、15、25 cm。

图2 取样位置示意图

取样之后，立即用保鲜膜包裹土样，以防水分散失，密封完成后的试样如图3所示，试样包裹完成后放置在泡沫箱内再用胶带密封，土样间空隙宜以扰动土填紧，减小外界对土样的干扰。

图3 包装好的土样

3 原状土物理特性测试

对现场取样得到的原状土样进行土工试验，包括颗粒分析、界限含水率、含水率、密度等试验，试验获得的物理性质参数如表1所示。图4为土的颗粒级配曲线，根据图4及表1中的塑性指数值，可判定该试验土样为级配良好的非均粒粉质黏土[12-13]。在天然含水量下，原状土的压缩系数a1-2=0.41 MPa-1，介于0.1～0.5 MPa-1,故为中压缩性土。

表1 原状土基本物理性质指标

图4 原状土的颗粒级配曲线

4 试验方案及试验过程

4.1 压缩固结试验

为了探究注浆作用对微型钢管桩不同桩侧距离的挤密效应和土的压缩性指标，试验采用单轴固结仪对原状土、不注浆桩侧土样、后注浆桩侧土样进行室内固结试验。共有7组土样，每组土样取1个，试验时在土样上逐级加载，固结稳定的标准是每级加载时间不小于24 h，最后1 h变形量不超过0.01 mm，加载等级分别为50、100、200、400 kPa。根据测得的竖向压力和变形值绘制压缩曲线，并求出压缩系数。

4.2 直接剪切试验

为研究注浆作用下微型钢管桩不同桩侧距离土样的抗剪强度指标，试验采用应变控制式直剪仪原状土、不注浆桩侧土、后注浆桩侧土样进行直剪试验。共有7组土样，每组土样取4个，分别施加100、200、300、400 kPa的法向压力进行固结快剪试验，剪切速率控制在0.8 mm/min。试验结束后绘制峰值剪应力-垂直应力关系曲线，经线性拟合后得到土的黏聚力和内摩擦角。

4.3 CT扫描试验

为了观测桩侧不同位置土样内部真实细观结构和浆液渗入后的变化情况，采用微观CT技术开展了桩侧土样内部结构的扫描测试。试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所的微米CT扫描仪(型号：Zeiss Xradia 410Versa)对原状土、不注浆桩侧5 cm土样，后注浆桩侧5 cm样进行扫描，共有3组土样，每组土样取1个。微米CT扫描仪的主要参数为：扫描电压为140 kV，电流为71 μA，分辨率为0.3 mm。

4.4 SEM扫描试验

为了观察水泥浆与土接触面的细观结构特征，采用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)技术进行观察，为浆液分布及渗透情况分析提供依据。试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所的电子扫描显微镜(型号：Quanta250)对现场取回的桩土接触面试样进行扫描，试样如图5所示。因为试验的样品要求为固态，所以对其进行干燥处理。为了减少对微观结构的扰动，采用手掰的方法选取代表该土样结构特征的1 cm3左右的试样。选取较平整的新鲜观察断面，清除松动颗粒之后进行镀金处理增强试样的导电性。最后载入扫描电镜进行试验。扫描电子显微镜的主要参数为：电镜的放大倍数6～100 000倍，二次电子的点像分辨率为3.5 nm，加速电压为0.1～30 kV连续可调。

图5 桩-土界面试样

5 力学特性试验结果

5.1 压缩系数变化规律

压缩系数是评价土样压缩性高低的重要指标之一。压缩系数越小，土的压缩性越低。图6为原状土及桩侧距离分别为5、15、25 cm情况下不注浆桩侧土、后注浆桩侧土的法向应力-压缩系数曲线。可见，所有曲线初始较陡，土的压缩量较大，而后逐渐平缓，土的压缩量也随之减小。这是因为压力的增大使得孔隙比减小，土的密实度增加到一定程度后，土粒移动越来越趋于困难，压缩也就减小。此外发现，所有试验土样的压缩系数a1-2都介于0.1～0.5 MPa-1,均为中压缩性土。由试验结果的对比分析可见，桩侧5 cm时不注浆试样的压缩系数略小于原状土试样，在桩侧15、25 cm时，两者的压缩系数差异性不大。而在桩侧5、15、25 cm时，后注浆桩侧土的压缩系数明显小于不注浆桩侧土试样，且随着桩侧距离的增加压缩系数的差异性也随之减小。这说明压桩入土的过程中桩侧土被挤密，密度升高，所以不注浆桩侧土的密实度略大于原状土，发生挤密的土体范围在桩侧5 cm以内。注浆后浆液渗透土体使得桩侧土更密实，所以后注浆桩侧土密实度大于不注浆桩侧土，距离桩身越远，注浆效果越不显著，因此后注浆桩侧土密实度越接近于不注浆桩侧土密实度。

图6 土样压缩试验结果

5.2 黏聚力和内摩擦角变化规律

黏性土的抗剪强度由摩阻力和土粒之间的黏聚力组成，黏聚力是土体微观胶结强度的宏观体现。图7、图8为利用直剪试验得到原状土及不同桩侧距离下不注浆桩侧土、后注浆桩侧土的内摩擦角、黏聚力的结果。

图7 土样黏聚力试验结果

图8 土样内摩擦角试验结果

由图7可见，注浆作用有效提高了桩侧土黏聚力，并且提高的程度与桩侧距离有关，即随桩侧距离的增加，桩侧土黏聚力的变化越不显著。这是因为水泥浆液本身为胶结材料，在压力注浆作用下渗入到土颗粒的间隙和颗粒间的毛细管中，使得土颗粒之间的胶结作用增加，从而提高了土体的黏聚力。但以本文分析的注浆压力、沉桩工艺以及桩侧土的物理力学性质而言，浆液影响范围在15 cm以内，由于取样数量有限，精确的渗透深度尚难以获得，这也表明注浆作用仅在有限范围内对桩侧土力学强度有影响。

由图8可见，不注浆桩侧土样内摩擦角在桩侧5 cm范围内略有增加，而后注浆桩侧土样的摩擦角明显减小，随着桩侧距离的增大，摩擦角接近于原状土。根据土的摩擦强度形成机制，摩擦强度的主要由土颗粒间的滑动摩擦和咬合摩擦构成，其中对内摩擦角起到决定性作用的是滑动摩擦[14]。不注浆桩侧5 cm土样的内摩擦角增大是因为压桩入土使得桩侧5 cm范围内的土体产生挤密效应，增加了土颗粒的咬合作用，因此挤密效应对抗剪强度的影响主要体现在内摩擦角上。后注浆桩侧土体的内摩擦角减小是由于注浆作用使浆液渗入土体，进一步增大了粉质黏土中细粒含量的比例，弱化了相应的滑动摩擦，所以土体距离桩侧越近，内摩擦角越小。

6 微观结构分析

6.1 CT扫描试验

本次试验共完成3组土样的CT扫描，扫描时从土样端面开始，层间距为0.09 mm，每个土样约获得330张扫描断面图像。图9为每种土样中部横切面对应的代表性图像。CT图像是基于密度成像，灰度反映被扫描土样对X射线的吸收程度，灰度越浅则扫描材料的密度越高[15]。

土体的微观结构特征之一是土体存在孔隙，孔隙结构的变化将直接影响土体的宏观结构性质。图9(a)可见，原状土分布着大小不一的微观孔隙，包括较大的空隙和细小的裂隙，内部结构最为疏松，孔隙率最大；图9(b)所示的不注浆桩侧5 cm土样孔隙相比原状土有所减少；而图9(c)所示的后注浆桩侧5 cm土样内孔隙明显减少，密实度增大，并且土样两侧的密实程度形成鲜明的对比，一侧结构密实，另一侧多以小开口的裂隙为主。

图9 CT扫描所得各土样代表性图像

这表明，压桩挤密效应使得桩侧土更密实，所以不注浆桩侧土相比原状土孔隙尺寸和面积减小。在压力注浆作用下浆液渗入土体后，使得土体结构变得更为致密，孔隙含量明显减少，因此，注浆后密实度比不注浆明显提高。这也从微观的角度进一步说明了注浆作用对桩侧土体的加固作用。

6.2 SEM扫描试验

SEM扫描采用高倍与低倍观察相结合的方法，在不同尺度上观察分析局部与整体的关系，从而更加全面地揭示注浆前后桩侧土体微观结构的差异。本次扫描对试样代表性的位置进行100、400、800、2 000倍放大观察。扫描结果如图10所示。

土样的颗粒形状和胶结程度是能够反应土体微观结构特征的重要因素。在图10(a)和图10(b)所示的低倍数SEM图像中可见，注浆后，在压桩形成的桩周土界面上形成一层水泥浆凝固体，成为水泥浆与桩周土体明显的“分界线”，“分界线”一侧的水泥颗粒排列致密且分布均匀，“分界线”另一侧的土颗粒形状主要为棱角状，边-面接触形式较多，面-面接触形式较少，排列紧密程度较差，结构单元体和孔隙分布没有表现定向性。图10(c)和图10(d)可见，随着放大倍数的增加，可清楚看到浆液渗入并填充土体内空隙和裂隙，包裹在土颗粒外，形成一层水泥浆与土的固化体，并且通过大颗粒之间的空隙可观察到浆液向内部渗入的痕迹，从而产生一定胶结联结，使得接触面处的骨架颗粒黏结成为整体。

图10 桩-土界面试样SEM扫描图像

这表明，注浆将原来的钢管与土接触面转变为水泥浆与土、水泥浆与钢管的接触面，显然，水泥浆与钢管接触面的强度远大于土与钢管接触面，且水泥浆与土接触凝结形成固化体，并且渗入土体加强了土体的联结力和胶结能力。从而显著提高了界面强度，这也从微观角度解释了后注浆微型钢管桩抗拔、抗压强度显著高于普通钢管桩的原因。