高压旋喷桩加固条件下桩基的竖向承载力分析

史 彦 河南省建筑科学设计研究院有限公司工程师

崔会杰 河南省建筑科学设计研究院有限公司助理工程师

杨贵永 河南省建筑科学设计研究院有限公司高级工程师

高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层，使其与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。该施工方法具有施工占地少、振动小及噪音较低的特点，因此成为众多工程项目施工中地基施工重点采用的技术。但高压旋喷桩在加固受损地基方面的应用尚不完善，需要对受干扰地基支护后的垂直桩功率计算进行进一步的研究与论证。

1 项目简介

某项目在完成道路桥梁设计和施工块转移到位后，发现桥梁主截面的岸线塌陷，因此对主桥下部进行了初步的地形测量。在桥面位置绘制的桥基上，发现明显偏离设计图纸，即河床下潜。经分析发现，由于主桥周边沙质现象严重，河床下陷较原设计下降7 ～8 m，地表高度比较高，桥基土影响地下较深区域。在最后的地层调查报告中，基线从-18.1 ～-32.8 m 不等。土层扰动范围如图1 所示。对此，团队改变了桩结构，采用了桩基扩展方案。工程变更后的钻孔桩（基于摩擦桩）的直径从2 m增加到2.5 m，最长桩的长度为103 m。

图1 土层扰动范围示意图

2 高压旋喷桩应用中的土体加固方案

通过比较以往案例，项目组对加固方案进行优化，最终决定使用高压旋喷桩方法来加固受扰动的土壤基层区域。对桥桩周围采砂区的击穿层用高压旋喷桩加固，在每个桩基周围安装多个高压旋喷桩，以加固采砂区的扰动土层。在细度30 目的高压水泥浆和高压空气的双重作用下，液态水泥浆在30 MPa 的喷射破坏了土壤，最后在土壤中形成了水泥圆柱状的压实作用，强化了受干扰的土壤层结构。通过高压旋喷水泥浆喷射试验，确定高压旋喷桩的设计参数。在桩基周围放置直径为100 cm 的高压旋喷桩，相邻桩心之间距离76.57 cm，相互闭塞重合为23.34 cm，并且成套13 根连续桩，桩基中高压旋喷桩的直径为80 cm，桩心之间的距离为121.24 cm。高压旋喷桩的上端包裹在长度为5.0 m 的保护管中，下端埋入2.0 m 的全风化砂质泥岩中。风化岩层面需要用开孔钻头，或者用高风压冲击器进行引孔、扩孔。

3 高压旋喷桩加固条件下的桩基竖向承载力分析

3.1 创建数值分析模型

实验结束时采用ABAQUS 算法进行定量分析，选择高速射流绕流加固桩条件下钻孔的试桩。桩径2.5 m，桩长103 m，承重层为粘土砂岩，风化程度适中。建立两种有限元模型。其中，无桩模型用于高压涡流注入溶液，桩加固后，采用桩模型用高压转子注入泥浆。

3.1.1 模型计算区

计算土壤面积的选择直接影响模型计算的准确性。通常，选择的计算土壤面积越多，计算时间越长，计算精度越高。剪切变形为桩缘至桩轴距离的N（通常N为8 ～15）倍，桩径小于0[1]。因此，在确定模型计算范围时，选择15 倍桩径作为计算范围横向界限半径。具体的计算模型如图2、图3 所示。

图2 计算模型图

图3 三维有限元模型图

3.1.2 模拟桩与土的相互作用以及计算参数的选择

创建桩土分析模型时，在不考虑钢筋作用的情况下，将桩体简化为纯混凝土结构。由于混凝土的弹性模量远大于桩周围土壤的弹性模量，桩体在外荷载作用下只产生弹性变形，不产生塑性变形，因此桩体弹性模型选择桩体。在土壤中采用弹性塑性模型。在桩土定量模拟仿真过程中，最重要的是选择合理的桩土相互作用模拟方法。

在基于ABAQUS 的大型和超长桩建模中，本文主要通过罚函数法解决桩土接触问题。在桩接触建模中，接触定义及其基本模型是需要解决的主要问题[2]。将刚度高的表面作为主控制表面，刚度较低的表面则作为次表面。 如果两个表面刚度相同，则选择更硬的网格作为主表面。表面控制原理是选择桩面作为主要控制面，并选择土壤表面作为子表面。使用刚性接触方法确定接触表面的法向作用，使用库仑摩擦模型确定接触表面的切向作用，并通过确定接触面之间的摩擦系数来模拟接触面之间的摩擦性能。根据经典库仑摩擦模型，当等效摩擦力为τeq=τ21+τ22，如果应力小于临界TCRIT[3]，则不会发生滑动。在分析桩与地面接触时，采用了考虑桩与地面接触影响的有限元方法。选择桩与地面接触的库仑摩擦力，并根据tanφ估计摩擦力系数。

有限网格模型是数值模拟的关键。网格通过分割技术（网格展开）生成，所有类型元素都是用于轴对称的CAX4 元素。网格分为3 个种子向桩径方向，垂直放置密度为0.5 的全局种子，然后将土壤沿径向放置在网格垂直线上的距离为2/2.5（轴越远，频率越低），种子总密度为2。桩两侧水平方向自由度的测定为0，钻孔桩长103 m，直径为2.5 m，材料为混凝土C30，弹性模量30 000 MPa，泊松系数0.2。高压水泥桩长18.7 m，直径1.0 m，材料为普通硅酸盐水泥PO 32.5，弹性模量10 000 MPa，抓地力0.4 kPa，摩擦系数为0.58，泊松系数为0.2，根据勘探报告选择土壤参数。

3.1.3 数值分析模型的验证

建立的数值模型用于计算单个单元的垂直荷载。同时计算了摩擦桩垂直承载力的容许值和垂直桩中单柱的理论荷载，对方向和两个值进行比较，验证模型的正确性，保证计算结果的可靠性。按值计算荷载—沉降曲线，适当荷载下桩顶允许吃水0.04 m。无钢筋桩单根承载力极限为29.94×103 kN，理论值相差不大，验证了数值分析模型的可靠性。

3.2 数值分析方法

使用有限元模型，通过逐步增加设计负载，可以对非对称解等开关进行非线性分析。计算在给定的步数后停止。主要包括两个步骤。

（1）自行确定荷载步长，并按计算值输入桩土自重程序。

（2）确定初始应力场上的荷载跳跃，以平衡地面重量产生的应力，也称为初始应力均衡。

3.3 结果与分析

3.3.1 桩的侧向摩擦阻力分布特征

当桩与桩周围的土壤相互作用时，桩与地面之间会产生摩擦，桩顶的垂直荷载会通过摩擦传递到桩附近的土壤中。采用有限元方法时，考虑桩土接触的影响及桩土界面的摩擦力特性，提取高压旋转桩与地面接触时桩土摩擦库仑效应、桩土摩擦系数。桩—桩摩擦系数为0.58，具有桩—土侧摩擦特性，桩顶相对位移最大，摩擦阻力最小。桩端相对位移能在一定程度上反映摩擦阻力。随着负荷的增加，整个桩长最终产生摩擦阻力。通过对模型的比较和分析，结果表明植入桩长度范围内的摩擦力变化显著。

3.3.2 设计载荷曲线结果

可以用静荷载法分析和确定单桩的垂直承载能力。静态加载方法包括在高压桩顶上逐渐叠加轴向载荷，直至达到破坏形式，并在试验过程中针对不同时间的每种荷载进行顶桩沉降测量，根据曲线特性的变化确定承载力。针对急降坡度荷载曲线，选择曲线上的急降起始点。因此，在高压桩基础上确定极限承载力时，如果曲线具有陡落点，则将与落点相对应的荷载作为高压桩基础的极限荷载。如果曲线变慢、变型及无明显落点，则根据桩吃水不大于0.04 ～0.06 m 的原理，以高压旋转桩吃水对应荷载为荷载极限。高压桩基础沉降曲线变化缓慢。根据确定高压旋喷桩基础极限承载力的原理，以高压旋喷桩桩顶沉降量为0.04 m 时的相应承载力为高压旋喷桩基础的极限承载力。

4 结语

研究数据表明，高压旋喷桩施工方法具有环保污染小、操作简便、安全可控的优势。加固软质地基、粉土、粉质黏土、沙层、黏土整体扰动层的优势较为明显，可以广泛应用于公路、桥梁隧道、房建地基、市政基坑等复杂条件的地基基础桩型以及加固项目的同类环境中。