可控刚度桩筏基础桩顶空腔填充试验

2021-12-09杨兆国郭佳迅

南京工业大学学报(自然科学版) 2021年6期

杨兆国,周峰,郭佳迅

(南京工业大学交通运输工程学院,江苏南京 210009)

桩筏基础设计时,按照桩土共同理论——地基土参与分担上部结构荷载进行设计,能够有效减少桩基础的使用数量,通常地基土承载力越高,所取得的经济效益也越高。20世纪80年代开始,国内外专家学者对桩土共同作用理论进行了深入研究,取得了重大的进展[1-5]。黄绍铭等[6]对软土中的单桩和群桩沉降量的估算及桩与承台共同作用等问题进行了理论和试验研究工作,并在沉降控制方法上得出了一些有价值的参考数据;宰金珉[7]经过不断研究总结,在桩土共同作用方面首次提出了通过单桩的刺入变形来实现桩土共同变形作用的方法;龚晓南[8-9]针对刚性复合地基中桩间土参与承担荷载问题,提出了设置褥垫层的方法;郑刚等[10-11]经过大量的理论研究与工程应用总结,针对桩土变形协调问题提出了桩顶预留净空的解决办法; Liang等[12]提出了长短桩复合桩基的概念,较好地解决了深厚软土地基使用复合桩基的问题。

需要指出的是,上述研究成果中桩土共同作用的主要适用对象是非天然地基和均匀天然地基,在复杂地质条件下,对天然地基的差异沉降的控制问题不能很好地解决,往往造成极大的浪费[13-14]。可控刚度桩筏基础[15-18]是周峰研究团队近年来提出的一种新的基础形式,通过在桩顶设置专门研制的刚度调节装置来精确控制与优化桩土支承体系竖向支承刚度的大小与分布,可有效解决大刚度桩基桩土共同作用、旧桩基础的再生利用、变刚度调平、复杂地质条件建造高层建筑等一系列工程难题。

可挖刚度桩筏基础桩顶空腔的填充效果以及填充后填充料的强度,对于桩筏基础乃至整个建筑物的安全性和耐久性会产生重要影响。由于桩顶空腔的填充料除要求密实以外还要具备一定的力学性能,而由于刚度调节装置所放位置的隐蔽性,灌注的填充料无法进行振捣,也无法打开空腔观测填充效果以及检测填充料的强度,因此对桩顶空腔的填充效果以及相关影响因素进行研究与分析具有重要的工程价值和实践意义。

1 桩顶空腔模型试验

1.1 试验目的

实际工况中，上部结构荷载施加完毕后(通常在建筑物封顶后),可控刚度桩筏基础桩顶空腔通过注入高强度自密实填充料来进行填充,填充后形成的注浆体的密实度和强度对建筑物的结构安全具有重要的影响。为了进一步研究可控刚度桩筏基础桩顶空腔注浆工艺在实际工程应用中的力学性能,根据工程实际进行桩顶空腔注浆的模拟试验,为工程现场的实际注浆施工提供参考。

本次注浆模型试验拟达到的目的为:采用不同大小的压力压注填充料,分析注浆压力与空腔填充效果之间的关系;在注浆管不同位置处对模型进行注浆,研究注浆管位置对浆体流动和空腔填充效果的影响;在模型完全填充地下水情况下进行注浆试验,研究在注浆过程中空腔内部充水是否会影响填充效果。

1.2 模型设计

由于试验场地限制,也为了方便设置了刚度调节装置的桩顶空腔模型的加工运输与试验,设计模型尺寸与实际尺寸的比例为1∶4。模型的尺寸:外圆柱直径300 mm、高度150 mm,内部模拟刚度调节装置的3个圆柱呈正三角形分布,直径均为90 mm,注浆管直径为20 mm,实际的可控刚度桩筏基础桩顶构造和模型平面示意图分别如图1和2所示。为了能在不同条件下的室内试验注浆过程中观察桩顶空腔填充的变化情况,可控刚度桩筏基础的桩顶空腔模型由透明硬质有机材料制作,模型试验示意图如图3所示。

图1 可控刚度桩筏基础桩顶构造示意图Fig.1 Schematic diagram of pile top cavity of controllable stiffness pile-raft foundation

图2 模型平面示意图Fig.2 Schematic diagram of the model plane

1.3 试验布置与测量方式

试验在人工挖掘的圆柱形土坑内进行,土坑底部直径为35 cm,高度为17 cm。可控刚度桩筏基础桩顶空腔模型放入土坑后,四周用土回填,避免模型在注入自密实填充料的过程中因发生位移而产生破坏。在空腔内填充地下水的试验中,土坑成型后土体表面需铺置一层塑料布,铺设过程应保证塑料布完整无破损。由于填充料的性能对试验的结果影响较大,选用的填充料需要满足下列要求:① 在自身重力作用下,填充料密实,且能够流动;② 内部空间被分割时,在不振捣的条件下填充料具有良好的均质性。

灌浆结束后,需要对桩顶空腔模型内的填充料体积进行测量,以验证在各工况下注浆是否密实。由于模型内部填充料形状不规则,采用排水测体积法将整个模型浸没在水箱中,充分静置后测量增加的水的体积,从而换算得到模型内部空隙的体积,其中水箱尺寸为35 cm×35 cm×40 cm。

1.4 试验方案

工况1:桩顶空腔模型未与地下水接触,注浆管分布在模型两侧,注浆压力分别设置为0.3、0.5、0.8 和1.0 MPa。

工况2:桩顶空腔模型未与地下水接触,注浆压力为1.0 MPa,注浆管设置在桩顶空腔模型的两侧和同侧。

工况3:桩顶空腔模型完全填充地下水,注浆压力为1.0 MPa,注浆管设置在桩顶空腔模型的两侧和同侧。

分别对3种工况下的可控刚度桩筏基础桩顶空腔模型注浆,待出浆管有填充料流出时停止注浆。填充料自密实后,将刚度调节装置放入水箱中,利用排水法测量并算出桩顶空腔模型的填充体积。

2 结果和分析

2.1 注浆压力

在注浆压力0.3 MPa下，将桩顶空腔模型放入玻璃水箱,玻璃水箱中水位前后高度差为8.3 cm。通过换算得出刚度调节装置空腔内混凝土体积为6 789.83 cm3,而理论体积为7 341.95 cm3,因此空腔密实度(注浆占空腔体积分数)为0.92。同理,分别可得0.5、0.8和1.0 MPa下刚度调节装置空腔密实度为0.95、0.97和0.99,如图4所示。由图4可知：注浆压力和空腔密实度之间近似呈线性关系,随着注浆压力的增大,空腔密实度逐渐增大。当注浆压力为0.5 MPa时,密实度已经达到0.95，满足大部分设计要求;当注浆压力达到1.0 MPa时,密实度达到0.99,空腔模型基本注满,实际注浆时设置更大的注浆压力已无必要。

2.2 注浆管位置

将注浆管设置在两侧的桩顶空腔模型放入玻璃水箱,玻璃水箱中水位前后高度差为8.7 cm。通过换算得出刚度调节装置空腔内混凝土体积是7 268.53 cm3,因此空腔密实度为0.99。同理，注浆管设置在模型同侧时,密实度为0.97。因此，注浆管位置不同时，注浆填充效果不同,当注浆管位于两侧时的注浆填充效果优于注浆管位于同侧时的注浆填充效果。

图3 模型试验示意图Fig.3 Schematic diagram of model tests

图4 不同注浆压力下的空腔密实度Fig.4 Compactness of cavity under different grouting pressures

实际上,当注浆管位于同侧时,注浆中心距离空腔模型另一侧壁的距离变长;又由于两个注浆管之间距离过短,注浆范围重叠,注浆管整体的注浆范围减少,因此同侧注浆填充效果没有两侧的填充效果好。

2.3 填充地下水

将注浆管设置在两侧、填充地下水的桩顶空腔模型放入玻璃水箱,玻璃水箱中水位前后高度差为8.7 cm。通过换算得出刚度调节装置空腔内混凝土体积是7 268.53 cm3,因此空腔密实度为0.99。同理，可得注浆管设置在同侧的空腔密实度为0.97。与相同条件下的无地下水工况进行对比,可以看出地下水对填充效果没有影响。