黄土地区桩端注浆群桩承载特性

李锋，王康超，朱珊珊，周志军

(1.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710075；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东 济南 250031）

后注浆技术具有弥补桩身缺陷、提高桩基承载力和降低沉降等优点，在桩基工程中得到广泛应用。以往对于桩基后注浆的研究多集中于单桩，以开展静载试验为主，主要研究后注浆技术对单桩承载力的贡献以及压浆后的桩基承载特性[1-2]，而目前后注浆技术已逐渐应用于群桩基础中。后注浆群桩在上部荷载作用下，群桩承载特性会发生变化。杨有莲等[3]采用自平衡静载荷法对桩端注浆前后群桩承载特性进行对比，发现注浆后桩端阻力和桩侧阻力得到提高，群桩由摩擦型桩变为端承摩擦型桩。何少华等[4-6]基于某超大群桩工程，运用有限元软件建立深厚软土层中九桩高承台群桩在桩端注浆前后的三维模型，发现注浆后各基桩桩顶反力角桩最大，边桩次之，中桩最小，桩端注浆对改善和平衡群桩中各基桩之间不均匀受力效果明显。ZHOU等[7]提出采用后注浆群桩法解决岩溶地区群桩施工问题，效果显著，并且当桩端加固体直径为2d(桩径)时，群桩承载力几乎不再变化。XIANG等[8]通过现场边坡试验研究注浆管桩群桩在横向荷载下的受力性能，分析土壤-桩-梁相互作用下群桩的力学性能。邹力等[9-11]通过有限元软件模拟不同注浆加固区和土体弹性模量对注浆群桩承载特性的影响，发现当加固区范围和弹性模量较大时，对控制沉降效果较好。林群仙等[12-14]运用有限元软件研究不同桩间距、桩端土模量和浆泡尺寸对注浆群桩承载力影响，结果表明承载力随着浆泡尺寸和桩端土模量的增大而增大，随桩间距增加，群桩效应减弱，但群桩承载力提高并不明显。朱楠[15]建立后注浆群桩模型，采用正交法对影响注浆群桩承载特性的因素进行分析，发现影响沉降的主次顺序为距径比、长径比、承台厚度、注浆范围、变形模量比。可以看出以往针对注浆群桩的承载特性研究较少，主要对注浆提高群桩承载性能进行验证，且研究方法多为数值模拟和常规缩尺试验，往往使结果与实际产生误差。本文以吴起-定边高速公路项目中注浆前后单桩为原型，采用离心模型实验对桩基进行模拟，并将单桩试验结果与现场试验结果对比，在验证模型参数的适用性后，对注浆群桩进行模拟。试验中通过改变影响注浆群桩承载性状最显著的桩间距和桩数2个因素，分析注浆前后群桩承载特性，并对群桩承载力公式进行修正，使其适用于桩端后注浆群桩承载力计算，该研究可为桥梁桩基设计提供参考。

1 试验概况

1.1 原型单桩工程概况

吴起-定边高速公路项目试验地点位于陕西省榆林市，该地区为黄土沟壑工程地质区地貌，钻探50 m范围内无地表水和地下水分布，土层物理性质指标如表1所示。桩基采用旋挖钻成孔，并采用锚桩法进行静载荷试验。2根试桩(一根桩端注浆，一根桩端不注浆)直径为1.5 m，长度为25 m，试桩高出地面1.5 m进行静载试验，桩身由C30混凝土浇筑而成，其弹性模量为31.5 GPa，桩身应力和位移分别由钢筋应力计和位移计测得，现场基本概况如图1所示。

图1 桩位布置图Fig.1 Pile location layout

表1 现场土物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of field soil

1.2 离心试验设计

试验在长安大学60-gt LJ-3型土工离心机上进行，如图2所示。本次试验选用与现场桩物理力学性质相同的铝合金空心管，弹性模量为69 GPa，长25 cm，外圈半径0.75 cm，内圈半径0.55 cm，且满足式(1)抗压刚度的要求：

图2 离心机示意图Fig.2 Diagram of centrifuge

式中：Em为模型桩的弹性模量；Am是模型桩的横截面积；Ep为原型桩的弹性模量；Ap是原型桩的截面积；n为相似比，取100。经验算，模型桩换算后的抗压刚度为53.9 GN，与现场原型桩53 GN接近，故选取该尺寸的模型桩较为合理。

由于离心模型试验对注浆工艺的模拟较为困难，所以本次试验在模型桩底部浇筑一个直径为2.5 cm的球形水泥浆扩大头模拟桩端注浆效果，并在桩侧涂抹砂土来近似模拟浆液上返对桩侧摩阻力的影响。扩大头尺寸是通过球形扩张理论，计算出实际浆液的桩端土影响范围而确定的。

模型土取自吴定高速试验现场重塑土，在保证土样物质成分相同的情况下，通过改变含水率和压实度来模拟现场地基土。将土的含水率配到9%，闷料后分7次装箱，每层土需摊铺击实且厚度为5 cm，则重量为23.3 kg，密度为1.85 g/cm3。对处理后的黄土经过直剪试验和固结试验测得的物理力学参数见表2。桩在指定高度埋入，埋桩结束后桩顶高出地面3 cm，便于加载。

表2 重塑土物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of remolded soil

试验时，通过在桩上堆叠铁片来施加荷载，考虑到群桩荷载较大，采用的铁片每张200 N，换算成原型为2 000 kN。由于模型桩尺寸较小，在桩身内侧黏贴应变片需纵向剖开，破坏其完整性，影响试验数据的准确率，所以试验在桩身外侧截面对称黏贴应变片测量应力，取其平均值以减少误差。激光位移计测量桩顶沉降，该传感器型号为HG-C1030，量程为10 mm，精度为0.01 mm。微型土压力盒测量桩端阻力。试验概况如图3所示。

图3 实验概况Fig.3 Experiment overview

1.3 单桩模型与现场结果对比

模型单桩与现场单桩的P-S曲线绘于图4中。现场实测的注浆桩和不注浆桩的P-S曲线均为陡降型，极限承载力分别为9 000 kN和15 000 kN，离心试验得到的P-S曲线为缓变型，将其数据按照相似比换算为原型单桩，其中，沉降换算后的精度为1 mm，满足要求。取位移达到桩径的5%处(即s=75 mm)的荷载为极限承载力，此时模型不注浆桩和注浆桩的极限承载力分别为8 600 kN和14 500 kN，与现场实测值对比，承载力相差不大，因此，本实验设置的模型参数较为合理，可应用于注浆群桩的模拟。

图4 现场与模型桩P-S曲线对比Fig.4 Comparison of P-S curves between site and model pile

1.4 注浆前后群桩模型设计

结合本试验的目的，在模型箱内设置如表3中的7种群桩工况，考虑桩距和桩数对群桩注浆前后的影响。其中，d为桩径，2×2群桩桩身设置5个深度的应变片，由于离心机数据通道的限制，3×3群桩在桩身设置3个深度的应变片。

表3 群桩模拟试验工况Table 3 Simulation test conditions of pile group

2 实验结果分析

2.1 荷载-沉降曲线

由图5可看出，各群桩P-S曲线无明显的转折点，为缓降型。2×2群桩和3×3群桩注浆后沉降明显减小。单桩、2×2群桩、3×3群桩注浆后承载力分别提高68%，64%，62%，说明随着桩数的增加，注浆提高承载力的效果减弱，当桩数较少时，注浆提高桩基承载力的效果较为显著。

图5(c)为注浆2×2群桩不同桩间距的荷载沉降曲线，可看出桩间距不同，沉降量不同，但沉降趋势较一致。对比可知，注浆群桩的沉降量随桩间距增大先减小后增大，在5d时达到最小，即注浆群桩的承载力在5d时达到最大，这与普通群桩承载力随桩间距增大而增大的现象不同，其原因在于桩间距在3～5d之间时，桩端加固体的存在使桩端平面桩和土之间联系紧密，桩端阻力较大，与此同时随着桩间距增大，群桩效应减小，桩基上部桩土共同沉降减弱，使得桩基上部侧摩阻力逐渐发挥，在5d时，桩端加固体和群桩效应的联合作用使其达到最大的承载力。当桩间距大于5d时，浆泡之间作用减弱，承载力逐渐下降。

图5 群桩P-S曲线Fig.5 P-S curves of pile group

2.2 轴力和侧摩阻力分布规律

1)2×2 群桩注浆前后基桩轴力和侧阻力分析

由于试验采用分级加载(如表3所示)，且由图5可知各群桩的极限荷载大小。故将注浆前后的2×2群桩在接近极限荷载下(不注浆3 000 N，注浆5 000 N)的基桩轴力和侧摩阻力数据绘制于图6。可以看出，在荷载较小时(即1 800 N)，不注浆2×2群桩桩身上部轴力衰减较快，下部衰减较慢。说明刚开始加载时，桩侧摩阻力首先从桩身上部发挥，随荷载增大(即3 000 N时)，侧摩阻力逐渐向下发挥。这是因为桩间距较小时，桩身带动土体一起沉降，此时桩身上部侧摩阻力发挥较少，主要集中在桩身下部，最后表现为桩侧摩阻力沿着桩深递增，荷载传递到桩端，发生局部剪切破坏，侧摩阻力减小。

图6 2×2群桩注浆前后基桩轴力和侧摩阻力Fig.6 Axial and side friction of 2×2 group piles before and after grouting

由图6(b)可知，桩间距3d的2×2注浆桩，其桩侧摩阻力也是随荷载的增大逐渐向下发挥。但到达桩端加固体上方5 cm时，桩侧摩阻力有所下降，随后继续增加，这主要是因为桩间距较小时，桩对桩间土产生隔断，桩与桩间土一起沉降，使得桩上部侧摩阻力不能充分发挥，这时桩下部侧摩阻力发挥较多，此时由于3d群桩在桩端设置了注浆加固体，使得桩端平面以上一段深度范围内的土体相对位移受到限制，所以在桩端范围内侧摩阻力表现为先减小后增大的趋势。

2)3×3 群桩注浆前后轴力和侧摩阻力分析

将注浆前后的3×3群桩在接近极限荷载下(不注浆7 000 N，注浆11 200 N)的各基桩轴力和侧摩阻力数据绘制于图7。图7(a)中，由于桩土相互作用，群桩在整个桩深范围内各基桩轴力分布不均[16]，无论注浆前还是注浆后，同一深度的桩截面，角桩轴力最大，边桩次之，中桩最小。一般来说，各基桩轴力不均匀程度会随承台刚度增加而减小[17]，所以工程中在满足经济效益的同时尽量增加承台刚度。群桩注浆后，各桩轴力衰减速率大于不注浆时，一方面是因为模拟浆液上返效果时，在桩身涂抹粗砂粒，增大了桩侧摩阻力，另一方面桩端加固体的存在对桩间土起到了封闭作用，使得桩与桩间土作为一个整体沉降，增大了侧摩阻力作用面，所以轴力衰减较快。

在图7(b)中，角桩和边桩的桩侧摩阻力大于中桩，这是因为边桩、角桩和土形成整体对中桩产生夹持作用，使桩侧摩阻力首先在角桩和边桩处发挥，当荷载不断传递给角桩和边桩时，桩侧摩阻力在桩和桩间土这一个整体的外侧边缘充分发挥出来，所以角桩处的侧摩阻力是最大的。另外，无论注浆前后，其桩侧摩阻力都是逐步增大的，这与2×2群桩不同，主要是因为3×3群桩桩身应变片设置较少，跨度较大，所以侧摩阻力划分的精度没有2×2群桩高，在总体上呈现出桩身最下部侧摩阻力仍继续增大的现象。

图7 3×3群桩注浆前后各基桩轴力和侧摩阻力Fig.7 Axial and side friction of 3×3 pile group before and after grouting

3)不同桩距2×2注浆群桩轴力和侧摩阻力分析

将不同桩距的2×2注浆群桩在接近极限荷载下(3d和4d为5 000 N，5d和6d为6 000 N)的基桩轴力和侧摩阻力数据绘制于图8。可以看出，桩间距为3d时，桩侧摩阻力先增大再减小再增大的现象明显，随着桩间距增大，桩侧摩阻力逐渐发挥。在6d时这种现象消失，说明群桩效应以及桩端加固体对群桩承载性状影响减小，其承载性状类似于注浆单桩。且随着桩间距增加，桩侧摩阻力占比增大，桩端阻力占比减小。

图8 不同桩间距2×2注浆群桩基桩轴力和侧摩阻力Fig.8 Axial and side friction of 2×2 grouting groups with different pile spacing

2.3 各单桩和群桩桩端阻力分析

由图9(a)可知，桩数越多，端阻比越大。这是因为小间距群桩桩数越多，桩对桩间土的遮挡作用明显，群桩效应大，桩土共同沉降显著，桩侧摩阻力不能充分发挥，端阻比增加。由图9(b)可知，随桩间距增大，端阻比减小，侧阻比增大。这是因为随桩间距增大，桩端加固体对桩间土封闭作用减弱，桩和桩间土不能形成一个整体，桩端阻力减小，侧摩阻力逐渐发挥出来。

图9 端阻比变化Fig.9 Change of end resistance ratio

2.4 群桩效应系数分析

将各桩型的极限承载力换算为原型结果，并计算群桩效应系数列于表4。可以发现，相同桩间距群桩注浆后群桩效应系数减小，且随桩间距增大，群桩效应系数先增后减，在5d时最大。但各群桩效应系数均小于1，所以在工程中，计算注浆群桩承载力时需考虑群桩效应影响，群桩效应系数的合理取值对承载力计算尤为重要。

表4 群桩效应系数Table 4 Effect coefficient of pile group

3 桩端后注浆群桩承载力计算

本文考虑将《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008[18]中注浆单桩极限承载力公式(式(2))与分项群桩效应系数法中群桩极限承载力公式结合，计算注浆群桩极限承载力。然而，由表4可知注浆后群桩效应系数减小，所以根据模型实验得到的群桩注浆前后的群桩效应系数变化情况，对式(3)中未注浆群桩群桩效应系数ηsp进行修正，得到注浆群桩极限承载力公式(式(3))，具体如下：

其中：Pu为注浆群桩极限承载力；Quk为注浆单桩极限承载力；ξ为桩端后注浆群桩效应系数修正系数，即模型试验中注浆群桩的群桩效应系数ηsp2和不注浆群桩群桩效应系数ηsp1之比，取2×2和3×3群桩注浆后修正系数平均值0. 968；n为桩数；ηsp为不注浆群桩群桩效应系数，可查桩基工程手册[19]；其他参数可参考《建筑基桩检测技术规范》[20]。

式(2)中各参数参考《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008取值。将各公式计算结果列于表5，以模型试验结果为参考作对比，可以看出，本文的计算公式相较于等代墩基法和建筑桩基技术规范法更准确，说明用本文提出的方法来计算注浆群桩的承载力是可行的。但是由于试验工况和次数较少，本文所得到的修正系数0.968和实际存在差别，这需要进行更多的试验以得到更为全面和准确的修正系数，后期仍需开展更深入的研究。

表5 群桩模拟试验工况Table 5 simulated test conditions of pile groups

4 结论

1)桩端注浆后各单桩和群桩的沉降明显减小。单桩、2×2群桩、3×3群桩注浆后承载力分别提高68%，64%，62%左右，说明随着桩数增加，注浆提高承载力的效果逐渐减弱。随着桩间距增大，2×2注浆群桩的极限承载力由大到小为5d，6d，4d和3d，在5d时承载力最大。

2)注浆后桩基侧摩阻力普遍增加，当6d桩间距群桩注浆时，其桩侧摩阻力分布模式类似于注浆单桩；当3d桩间距群桩不注浆时，桩侧摩阻力表现为“中间大，两头小”的分布模式；当同时满足桩间距较小和桩端注浆时，由于桩身上部桩土共同沉降，使得侧摩阻力在桩身上部不能充分发挥，主要集中在下部，又由于桩端加固体对桩端上部土体的封闭作用，使桩端以上部分土体的桩土相对位移减少，侧摩阻力先增再减后增。

3)各群桩注浆后桩端阻力比桩侧摩阻力提高幅度大，桩端注浆有助于群桩桩端阻力的发挥。随桩数增加，端阻比增加。随着桩间距增大，端阻比减小，侧摩阻力增加。

4)将《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008与分项群桩效应系数法相结合，并根据群桩注浆前后群桩效应系数的变化情况，给出群桩效应的修正系数，并用于计算。估算结果与模型试验结果非常接近，较其他计算方法的结果，其精度也更高，本方法可为今后注浆群桩承载力的计算提供参考。