粉质黏土地层桩侧注浆对既有桩基承载力提升研究

2022-06-21房雷罗金波张永安郝志斌

粘接 2022年6期

房雷　罗金波　张永安　郝志斌

摘要：针对粉质黏土地层桩侧注浆技术受桩周和桩基服役环境复杂性造成的注浆效果与桩基承载性能间的内在关联机制不明确的问题，通过模型设计提出桩侧注浆提升桩基承载力的理论计算方法。首先对注浆模型装置进行研发，并通过该装置对粉质黏土注浆加固作用规律进行分析。然后以桩基础桩侧注浆模拟实验为基础，对不用注浆条件影响承载特性作用规律进行分析，修正了桩基础桩侧注浆承载力的计算方法，为工程施工提供一些数据参考。

关键词：桩基础;粉质黏土;承载力;桩侧注浆

中图分类号：TU473

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0124-05

Study on the mechanism of pile side grouting in silty clay layer to improve the bearing capacity of existing pile foundation

FANG Lei LUO Jinbo ZHANG Yong’an HAO Zhibin

（Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Investigation Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China

）

Abstract： For silty clay stratum lateral pile grouting technique of pile and pile foundation service environment complexity caused by grouting effect and the inner relation between the pile foundation bearing capacity mechanism is not clear， a theoretical calculation method of pile side grouting to improve the bearing capacity of pile foundation is proposed through model design. Firstly， the grouting model device is developed， and the grouting reinforcement law of silty clay is analyzed through the device. Then， based on the pile side grouting simulation experiment of pile foundation， the action law of bearing characteristics without grouting conditions is analyzed， and the calculation method of pile side grouting bearing capacity of pile foundation is modified to provide some data references for engineering construction.

Key words：pile foundation; silty clay; bearing capacity; pile side grouting

樁基作为桥梁承载的主要结构，在桥梁建设中起重要作用。我国国土辽阔，土质情况较为复杂。处于粉土和粉质黏土等软弱地层的桥梁桩基普遍存在有承载力不足，无法满足当前承载要求。目前对

桩基承载力的研究还存在很多局限性，难以实现量化分析，使得工程设计和施工存在很大的盲目性。针对以上问题，国内很多学者进行了一系列研究，如以初始静载和循环加载后静载两个独立试验，对析桩基承载力的循环弱化规律进行分析[1];采用桩基静载试验、孔径测试与数值模拟结合的方法研究黄土地基挤密预处理后灌注桩承载特性，对单桩极限承载力变化规律变小[2]。以上学者的研究为桩基承载力的提升提供了一些方法，基于此，本文通过建立数据模型，对既有桩基承载力提升机理进行研究，为以后工程施工提供一些参考。

1既有桩基础注浆模拟实验系统

1.1桩基础模拟实验装置

此次设计的试验装置总体划分为多个部分，包括桩基础模型箱、监测以及加载系统。其中模型箱属于基础的部分，其高度和直径均为120 cm，具体是通过螺栓将4节高度为30 cm的钢筒进行拼接，并设置注浆孔等。该装置的基本结构如图1所示。

将边界效应的影响考虑在内[3-5]，实验采用的模拟系统直径为120 cm;模拟桩采用铝管，直径为2.8 cm，桩长为72 cm。

1.2试验过程信息均监测系统

注浆时的力学特性等的监测包括承载力以及轴力等桩基础参数，土抗剪强度等物理场信息等[6-8]。结合监测信息的类型设计监测系统，系统中划分为多个部分，实现对于不同信息的有效监测，其中百分表主要对桩顶沉降位移等进行监测，精度为0.01 mm;土压力盒用于对桩端阻力的监测，选择的具体型号是YBJT型，量程、直径分别是2 MPa、28 mm，精度是0.1%;除了上述部分之外，还需要采用应变片采集桩侧摩阻力信息，选择的型号是bx120-3AA型，基底长、宽分别是4.5、2.4 mm，敏感栅长、宽分别是2、1 mm，灵敏系数2.08，电阻120 Ω。在系统中需要根据监测要求将各个部件设置在合适的位置。

2桩周注浆模拟实验

2.1桩周土体的充填

桩周土体均为粉质黏土，同时采用土工试验获取含水率等信息[9]。在充填过程中夯实法进行压实，每次达到10 cm的填充高度。根据结果可知，桩周土体的密度、含水率分别是1.8 g/cm、20%。充填过程中，需添加适量的水分，其质量m：

式中：m、ω分别代表土体的质量、含水率。在监测系统设计中需要将位移计置于桩顶合适的位置，继而实时获取到桩基础沉降信息。另外将应变片置于模拟桩内部位置，布设间隔为10 cm。具体布设方式以及参数如图4所示。

2.2注浆试验方法

在本次研究中需要分析桩侧土体力学特性的影响因素，重点探讨了注浆量的影响。结合桩周土体的注浆压力上限来进行设计，注浆结束的控制标准主要是注浆量[10]。在此次试验中划分为不同注浆组和对照组，注浆量依次是25、35 kg，注浆压力是1.0 MPa。试验中采用的是水泥单液浆，基本的参数信息如表1所示。

2.3模拟桩埋设与注浆效果监测

在本次研究中选择了埋入式试验桩，将模拟箱和方木进行连接，以此实现固定的功能。充填结束之后需要取出整个装置，否则会对其他的操作产生不利影响。桩基础承载力预测中，静载试验定期采集监测数据，周期为5 min，根据沉降量大小确定是否继续施加下级荷载，如低于0.1 mm/h则开始施加，荷载具体划分为9级，分别是120、180、240 N…，即级差为60 N。在试验中需要根据荷载沉降曲线来判断是否已经达到了极限状态，具体的判断标准有两个，首先是累计沉降达到桩径的1/10，其次是曲线中存在陡降。

3桩侧注浆对桩基承载力的强化作用机理

3.1注浆对桩基础荷载沉降影响

桩基础破坏之前的加载过程认为是弹性变形，所以根据弹性模量即可对其压缩量S进行计算，具体公式：

结合之前的分析可知，基于荷载-沉降曲线即可得到桩基础极限承载力，主要根据曲线的陡降情况以及累计沉降判断是否达到了极限状态。试验中在荷载为300 kN之后降低施加间隔，即设置为10 kN，继而提升承载力的精度。注浆前后的荷载-沉降曲线如下图所示。

由图3中所示的信息可以明显地看到，相对于注浆之前，在注浆之后明显提高了极限承载力。另外，从沉降量上来看，在施加一致的荷载时，注浆之后的沉降明显更低。在试验中设置了两种注浆量，发现注浆量更大的情况下可以达到更高的承载力，即二者之间存在一定的正相关性，如果注浆量较大，则浆液会产生更显著的挤密作用。

在注浆量分别为25、35 kg的情况下，注浆影响系数分别是15.7%、11.2%，浆液体积分别是14.3、20 L。除了上述信息之外，根据之前的信息，在1.0 MPa注浆压力、0.6水灰比的条件下，土体内摩擦角、粘聚力分别是22.1°、45.4 kPa。

由表2可以看出，在注浆试验中，注浆量分别在25、35 kg的情况下，均提高了桩基础承载力，相对于未注浆下的承载力值300 kN，二者相对增幅分别为13.3%、16.7%;而对应的理论计算结果分别是17.7%、22.6%，即在上述两种情况中得到的试验和理论结果基本一致。由此可以证明试验方法和理论计算方法的有效性。

3.2注浆对桩基础轴力影响

基于应变片对桩基础两侧数据的监测，然后对轴力进行计算。

由图4可知，在注浆之前荷载逐步增大的过程中，上部、下部轴力曲线斜率呈现出不同的变化趋势，前者变化速率较小，后者变化较大。此外，二者的摩阻力变化情况明显不同，分别表现为较小、较大的趋势。在注浆之后出现了显著的变化，轴力曲线斜率显著降低，而且注浆加固作用与注浆量表现为正相关关系。另外，在注浆前后桩端阻力并未出现显著的变化，所以对于承载力的影响相对较小。

根据上述结果可知，在桩基深部的轴力较小，针对这种现象进行分析，发现荷载在桩身传递过程中导致桩土形成一定的位移，而桩身侧摩阻力将部分桩顶荷载抵消，需要通过桩端来负载其他的荷载，以此降低了深部的轴力。另外，根据先前的分析，在注浆之后会增大土体粘聚力，使得桩基础摩阻力显著提高，最终导致轴力斜率逐步降低。

3.3桩侧土体加固效果分析

在本次研究中，针对桩侧土体加固效果，在完成对轴力分布等参数的测试之后，采集部分桩周土体样品;然后测试抗剪强度等参数，结果如图5所示。

图5展示了注浆之后桩侧土体加固效果，具体包括抗压强度、粘聚力参数。由图5可知，在注浆之后上述参数均有显著的提升。经过分析发现，在注浆之后使得桩周土体密实度提高，所以会增大粘聚力等參数。另外，结合本次研究的结果发现，浆脉距离是一个重要的影响因素，对于加固效果会产生显著的影响，即在浆脉距离逐步提高时粘聚力等力学参数的增幅减小，而这主要与浆脉产生的弱化效应直接相关。针对图5（a）进行分析，浆脉产生的加固效果根据与浆脉的距离划分为强、弱作用区两部分，二者分界点即距离为35 cm，如果超过此距离，则加固效果大幅度降低;如果低于该距离，则加固效果虽然降低，但是降幅相对较小。因此为了提升桩基承载力，一般需要将桩基础置于强作用区内。除了上述因素之外，浆脉数目以及宽度等均会影响到加固效果。

4结语

本文通过数值模拟对桩基础侧注浆加固机理和注浆后承载力的计算进行系统研究，得到了注浆加固深度对桩基础承载力提升规律。

（1）通过模型架、注浆系统和监测部分实现对桩侧恒压注浆、模型桩承载特性和注浆中桩侧土体物料场监测。

（2）模型试验结果表明，注浆量为25 kg进而35 kg时，桩基础承载力提升程度分别为13.3%和16.7%，实测承载力提升为17.7%和22.6%。误差产生主要原因为模型架尺寸影响，但误差均低于5%;

（3）开挖取样对浆脉不同距离桩侧物理力学性能，并根据距离远近对作用区进行划分，当距离小于35 cm，注浆加固效果明显下降;距离大于35 cm时，桩侧土体加固效果降低程度较大。既有桩基础注浆的注浆口最佳距离为0.4 m。

【参考文献】

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[3]周志军，徐天宇，徐甫，等.黄土地区不同成孔方式灌注桩压浆前后承载特性[J].交通运输工程学报，2021，21（4）：84-93.

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