岩溶区铁路桥梁桩端和桩侧联合注浆桩承载特性研究

王志远 WANG Zhi-yuan；李海涛 LI Hai-tao

（①山东省路桥集团有限公司，济南 250014；②山东大学土建与水利学院，济南 250061）

0 引言

钻孔灌注桩因其承载力高、沉降小、适用性好等优点，被广泛应用至高层建筑、桥梁和高速铁路的基础中。然而，钻孔灌注桩在施工中存在的桩侧泥皮和桩底沉渣等问题将会削弱单桩的承载力。为提高钻孔灌注桩的承载力，降低钻孔灌注桩的沉降，开发了桩基后注浆技术。桩底后注浆技术可通过固化桩侧泥皮和桩底沉渣达到提高桩侧摩阻力和桩端阻力的目的，大大提高桩的极限承载能力。目前，后注浆技术提高承载能力多体现在极限承载能力的估算方面，未能体现精确的计算，且数值计算方面不能体现上述相关特点。岩溶区后注浆桩的承载特性分析是后注浆桩设计计算中的重要部分。

目前对后注浆桩基承载特性的分析并未深入，大部分还是通过现场静载试验以及室内模型试验等方法进行研究。桩侧和桩端后注浆技术的相互作用机理非常复杂，桩侧和桩端相互作用机理尚不明确，增强作用未明确，其对桩的极限承载能力的贡献还未弄明白。因此，工程上对岩溶区铁路桥梁桩端和桩侧联合注浆桩承载特性研究还处于摸索阶段，没有明确的设计思路和明确的计算方法。亟待明确岩溶区铁路桥梁桩端和桩侧联合注浆桩承载机理，获得相关计算或分析方法。随着计算机技术的发展，有限元分析逐渐成为桩基设计计算中的常用方法，众多学者[1-5]利用数值模拟技术数值软件中分析后注浆抗拔桩的承载性能，并得到较满意的结论。

1 有限元分析过程

1.1 模型的建立及模拟方案设计

为简化计算，对模型做出如下假定：

①模型简化为轴对称问题，取轴对称平面的一半进行分析；

②桩周土以及注浆形成的注浆加固体为理想的弹塑性体，桩为理想弹性体；

③后注浆不考虑浆液的劈裂作用，只考虑浆液对土体的渗透。

桩定义为弹性材料，土体与注浆体定义为理想弹塑性材料，本构模型采用摩尔-库伦模型。对于注浆加固体的参数选择，根据张忠苗等[6，7]的研究表明，注浆加固体的变形模量E50=（25～140）fcu，本章取其弹性模量为150MPa，粘聚力为45kPa，内摩擦角为35°。土层材料为细砂。模型材料参数见表1。

表1 数值模拟材料参数

计算模型中，桩长L为20m，桩径D为1m。土体计算范围水平方向取10D，竖直方向取2L。注浆加固体在假定条件下可作简化：桩侧注浆加固体位于桩中段，所建模型见图1。

图1 模型示意图

1.2 接触及网格划分

接触面即为不同材料的分界面，不同材料的接触定义是否准确直接决定模拟结果收敛与否。后注浆桩的有限元模拟涉及到桩-土、桩-注浆加固体以及土-注浆加固体之间的接触。采用主-从接触算法，在桩-土界面、桩-注浆加固体界面中选择桩为主面，在土-注浆加固体界面中选择注浆加固体为主面。

通过在相互作用模块执行【相互作用】/【属性】/【创建】命令，在创建相互作用属性对话框的类型区域选择接触选项，建立接触名称或接受默认，单击【继续】。在弹出的编辑接触属性对话框执行对话框的【力学】/【切向行为】命令，在编辑接触属性对话框下的切向行为区域中的【摩擦公式】列表里选择用户自定义，即用户自定义接触模型。

模型采用CAX4四结点双线性轴对称四边形单元，为保证计算的收敛性，对桩-土、桩-注浆体以及土-注浆体接触部分周围的单元需要进行布种加密处理，组合后注浆桩模型的网格划分见图2。

图2 组合后注浆桩模型网格划分

1.3 荷载和边界条件

本次计算主要设置位移边界条件，对于二维轴对称模型，在其侧面限制水平位移，底部限制其两个方向的位移，顶部自由无任何约束。设置一系列的分级加载值，以获得不同荷载水平条件下后注浆桩的沉降情况。第一级荷载为等效1000kN集中荷载，换算为桩顶截面与之对应的均布荷载施加在桩顶，此后每级增加1000kN，分10级加载。

2 数值模拟结果分析

2.1 注浆前后桩土位移场分析

以竖向荷载为5000kN时为例，未注浆桩与桩端桩侧组合后注浆桩的桩土位移场，可得以下结论：

①后注浆桩的桩土位移云图都呈漏斗状，由于桩的加固作用集中在桩侧附近，且越远离桩侧其加固作用越不明显，所以越靠近桩，土体的沉降越大；

②同一荷载水平作用下，由于浆液对桩侧土层或桩侧泥皮的固化或胶结作用，未注浆桩的沉降要明显大于注浆桩的沉降，即桩侧和桩端水泥浆对土体的固化作用显著，联合注浆可以通过固化桩侧泥皮或桩端沉渣等作用显著提高桩的承载能力，减低桩端的沉降；

③后注浆桩的桩土位移云图在注浆部位有明显的凸起，并向外延伸，说明注浆可以带动更大范围的土体共同承担上部荷载，抵抗变形。注浆可以发挥周围更大范围内的土体承载荷载，显著增大桩周承担荷载的土体，且最大限度提高桩的承载能力；

④桩侧后注浆技术可以固化桩侧泥皮或桩端沉渣，达到提高桩侧承载能力或桩端承载能力的目的，最终达到提高总体桩端承载能力、减少桩端和桩顶沉降的目的，最大限度的提高单桩的极限承载能力。总的来说，桩端和桩侧联合后注浆技术可以通过浆液固化桩侧泥皮和桩底沉渣等作用提高桩侧和桩端承载能力，同时联合注浆技术可以封填桩侧和桩孔间的孔隙，减少混凝土的干缩作用提高桩侧承载能力，最大限度的提高桩侧极限承载能力[8]。

2.2 注浆前后单桩荷载-沉降关系分析

未注浆桩与组合后注浆桩的荷载-沉降曲线见图3～图5。

图3 未注浆桩荷载-沉降曲线

图5 不同桩型的荷载-沉降曲线

图4 组合后注浆桩荷载-沉降曲线

由图3～图5可知，相同荷载作用下，后注浆桩的沉降量均小于未注浆桩。未注浆桩p-s曲线斜率更大，当加载量为3000kN～4000kN时，未注浆桩的p-s曲线出现明显拐点，可取4000kN为其极限承载力。后注浆桩在各级荷载作用下的沉降变化较缓，其极限承载力可取8000kN，桩端桩侧组合后注浆技术对桩基极限承载能力的提升幅度可达100%。

2.3 不同注浆参数后注浆桩荷载-沉降关系分析

用不同注浆体尺寸模拟不同注浆参数，得到不同注浆参数条件下后注浆桩的荷载-沉降关系曲线见图6。

图6 不同注浆参数下组合后注浆桩p-s曲线

当注浆加固体尺寸增大时，相同荷载作用下的桩顶沉降明显减小。同时，桩端桩侧组合后注浆桩极限承载力与注浆加固体的尺寸正相关，在初始注浆参数条件下，组合后注浆桩的极限承载力在8000kN左右，增大注浆参数后，其极限承载力可达10000kN以上。增大注浆参数（注浆体尺寸或注浆用量等），注浆效果越明显，其注浆带来的桩侧和桩端承载能力的增强作用将会越明显，且单桩的承载能力提升幅度将会越显著。

3 结论

通过上述数值模拟研究，本文对桩侧桩端后注浆桩的承载特性进行了分析，得到以下结论：

①桩侧桩端组合后注浆桩通过浆液对土体的挤密压实作用，改变土体位移趋势，有效降低桩土位移。后注浆桩的桩土位移云图都呈漏斗状，由于桩的加固作用集中在桩侧附近，且越远离桩侧其加固作用越不明显，所以越靠近桩，土体的沉降越大。②桩端和桩侧联合后注浆技术可以通过浆液固化桩侧泥皮和桩底沉渣等作用提高桩侧和桩端承载能力，同时联合注浆技术可以封填桩侧和桩孔间的孔隙，减少混凝土的干缩作用提高桩侧承载能力，最大限度的提高桩侧极限承载能力。组合后注浆桩在各级荷载作用下沉降变化较缓，其极限承载力可达未注浆桩的两倍。③后注浆桩的极限承载力随着注浆体尺寸的增大而增大，二者呈正相关关系。