预应力混凝土管桩后注浆技术研究

吴建龙

(中交一公局集团有限公司，北京 100024)

预应力混凝土管桩因成桩质量高、承载力大、施工方便等优点，成为我国工程建设中应用最广泛的桩型之一，目前每年预应力混凝土管桩的生产量都超过3亿m。但预应力混凝土管桩的应用存在着以下几方面的问题：(1) 预应力混凝土管桩在深厚软土地层中因桩身表面光滑，导致桩侧摩阻力不能有效发挥，桩的承载力不能充分利用；(2)因施工原因导致桩的接头质量不合格，而且预应力混凝土管桩的钢端头板在环境影响下锈蚀，故预应力混凝土管桩的接头处是影响其使用耐久性的一个薄弱环节；(3)大量实践资料表明，由于在设计过程中地质勘探不全面，导致现场静载试验结果达不到设计值。

针对上述存在的问题，国内不少学者及工程技术人员采用后注浆技术对预应力混凝土管桩进行处理，取得了较好的效果。钱勇等[1]通过静载试验对桩底注浆处理与非注浆处理的预应力混凝土管桩进行了对比分析。米春荣等[2]研制了预应力混凝土管桩后注浆器，并应用于工程，取得较好效果。许璋珉[3]对预应力混凝土管桩的薄弱环节——接头部位进行了埋管注浆的工程应用实践，取得较好效果。黄建华等[4]探讨了后压浆技术在预应力混凝土管桩工程事故处理和加固等方面的作用机理及效果，并进行了现场试验，试验结果表明通过后注浆技术使管桩承载力大幅提高。侯俊伟[5]对承载力不足的预应力混凝土管桩桩基础进行注浆加固处理，通过监测及复核计算，结果表明后注浆加固提高了桩基础承载力。曹兆虎等[6]开展了管桩沉桩及桩端后注浆施工过程的可视化模型试验，可以直观地观测管桩注浆过程及结果。高强[7]通过实际工程案例进行了现场试验，试验结果表明管桩后注浆处理技术可大幅度提高管桩单桩承载力。饶航[8]开发了注浆成型扩底预应力高强混凝土管桩并用于实际工程。

综上所述，尽管目前预应力混凝土管桩后注浆技术在国内开始应用，但因为预应力混凝土管桩后注浆的复杂性，目前针对预应力混凝土管桩后注浆的理论研究不多，预应力混凝土管桩后注浆技术也缺乏系统的设计理论和方法。因此对预应力混凝土管桩后注浆技术进行理论及试验研究，分析注浆后的预应力混凝土管桩桩周土体、桩身应力应变及承载力变化规律，可以为预应力混凝土管桩后注浆技术的工程应用提供理论指导。

1 理论研究

后注浆技术是将预应力混凝土管桩打入土体后在桩身周围进行压力注浆，其注浆扩张过程可用柱形孔扩张理论来解释，并将其视为平面应变轴对称问题，桩周土体为Mohr-Coulomb材料。注浆过程中作用在桩周土体上的注浆压力均匀分布，初始时桩周土体处于弹性状态，随着注浆压力逐渐增大，其周围土体由弹性状态转变为塑性状态，塑性区域半径随着注浆压力的增大而增大[9]，如图1所示。

图1 注浆扩张示意图

由上述假定则有：

(1)

(2)

在弹性阶段满足：

(3)

Mohr-Coulomb屈服条件为：

(σr-σθ)=(σr+σθ)sinφ+2ccosφ

(4)

(1)当桩周土体处于弹性变形状态时，应力函数Ψ可表示为：

Ψ=Clnr

(5)

因此σr及σθ为：

(6)

(7)

将初始半径R0及初始压力p代入式(6)，得:

(8)

因此得：

(9)

(10)

(11)

当土体处于弹性阶段时，由式(10)和(11)可以得到柱形孔扩张问题中土体中应力的分布情况，其径向位移表达式为：

(12)

(2)当桩周土体处于塑性变形状态时，经过推导，则可得到径向应力的解：

(13)

当最终扩张压力pu及柱形孔扩张半径Ru已知时，则可得到桩周土体处于塑性状态时的应力值。

在注浆压力作用下柱形孔扩张后导致的体积变化为桩周土体处于弹性状态的体积变化与桩周土体处于塑性状态的体积变化之和，因此有

(14)

式中，Δ为桩周土体处于塑性状态时的平均体积应变，由式(14)可得到扩张压力最终值pu和塑性区最大半径Rp。

(15)

也可记为：

(16)

当柱形孔扩张半径为塑性区最大半径Rp时，桩周土体处于塑性状态向弹性状态转变的临界状态，此时桩周土体应力满足莫尔-库仑屈服条件：

(17)

可以得到塑性状态下应力：

σp=ccosφ

(18)

经整理可得：

(19)

考虑桩周土体初始应力q，式(19)可以表示为：

(20)

根据式(20)，在柱形孔扩张后半径Ru和塑性区最大半径为Rp已知的条件下确定塑性状态下扩张压力最终值pu。

进一步化简、推导，引入刚度指标Ir：

(21)

其中，G、S分别为桩周土体的剪切模量与抗剪强度。

又引入修正刚度指标Irr：

(22)

可得到桩周土体处于塑性状态时的扩张压力最终值pu：

(23)

2 试验研究

2.1 试验方案

本试验根据相似性原理在室内进行模型试验，试验基坑平面尺寸为5.0 m×1.25 m，深度2.0 m。模型桩由PPR管制作而成，桩径63 mm，桩长1.5 m，根据不同的试验条件，在桩身或桩底分别预留孔径8 mm的注浆孔，每根桩贴5组应变片。模型桩共5根，编号为1～5，1号桩试验条件为桩底注浆模式，在模型桩底部设置3个注浆孔；2号桩试验条件为桩侧注浆模式，在模型桩桩侧中部设置3个注浆孔；3号桩试验条件为不注浆模式，模型桩上未设置注浆孔；4号桩试验条件为桩底桩侧注浆模式，在模型桩桩侧及底部分别设置3个注浆孔；5号桩作为温度补偿。将1～4号桩埋入基坑，使模型桩入土深度为1.2 m，基坑内土体为砂土，通过降水使土体密实。砂土颗粒分析及物理力学性质指标如表1及表2所示。

表1 砂颗粒分析试验结果表

表2 试验砂土的性质指标

土体降水3 d后进行注浆试验，注浆设备采用HX-4800水泥灌浆机，浆液采用P42.5普通硅酸盐水泥配制而成，水灰比为0.6。首先进行试注，确定注浆压力为600～700 kPa及注浆量为5 000 ml。待1、2、4号桩注浆完成7 d后进行桩基静载试验，采用快速加载法逐级加载。记录逐级荷载、桩顶沉降量及桩身应变数据。

2.2 试验结果分析

2.2.1 单桩承载力极限值

根据模型桩静载试验可得到4根桩的单桩承载力极限值：3号桩(不注浆)为1 000 kN，2号桩(桩侧注浆)为1 500 kN，1号桩(桩底注浆)为2 000 kN，4号桩(桩底桩侧注浆)为2 500 kN。相对于不注浆的模型桩而言，桩侧注浆使桩基承载力提高50%，桩底注浆使桩基承载力提高100%，桩底桩侧联合注浆使桩基承载力提高150%，因此通过注浆可显著提高桩基承载力，注浆效果明显。试验结果如图2所示。

图2 桩基Q-S曲线

2.2.2 注浆体分布状况

试验完成后对基坑内的砂土进行了开挖，以观测注浆体的分布状况。对于2号桩(桩侧注浆)，注浆体由水泥浆液与桩周砂土形成表面粗糙的结石体，在竖向沿桩壁分布，这是在注浆压力不大时形成的渗透注浆；随着注浆压力增大，在注浆孔周围形成水平向的扩大头注浆体，这是由劈裂注浆形成的。由开挖所见的注浆体可知，桩侧注浆可挤密桩周土体，增加管桩表面的粗糙程度，从而提高桩侧摩阻力，并对桩的接头起到保护作用。注浆体如图3所示。

图3 桩侧注浆浆体分布

对于1号桩(桩底注浆)，在注浆压力不大的初期，浆液在竖向沿桩壁分布，随着注浆压力增大，在桩底形成扩大头注浆体，扩大头呈锥体分布。所形成的扩大头可有效地提高管桩的端承力。注浆体如图4所示。

图4 桩底注浆浆体分布

对于4号桩(桩底桩侧注浆)，由于桩底、桩侧注浆孔的存在，在注浆压力不大的初期进行渗透注浆，浆液在竖向沿桩壁分布，布满整个桩身。随着注浆压力增大，在桩底及桩侧注浆孔周围形成扩大头注浆体。沿桩壁分布的注浆体可有效地提高桩侧摩阻力，而注浆体扩大头则提高管桩的端承力，二者共同提高了管桩的承载力。注浆体如图5所示。

图5 桩底桩侧注浆浆体分布

3 结论

(1)利用柱形孔扩张理论对预应力混凝土管桩后注浆进行了研究，得到了后注浆预应力混凝土管桩桩周土体的应力、变形和最终扩张压力的解析解，对预应力混凝土管桩后注浆技术的理论研究进行了有益探索。

(2)通过模型桩试验，对预应力混凝土管桩后注浆的不同工况进行了研究，试验结果表明通过后注浆技术可使预应力混凝土管桩承载力大幅提高，尤其是桩底桩侧联合注浆方式效果最优，承载力提高了150%。试验完成后开挖出来的注浆体显示浆液首先通过渗透注浆沿桩壁分布，随着注浆压力增大，在注浆孔周围通过劈裂注浆方式形成扩大头。上述注浆体有效地提高预应力混凝土管桩的承载力。

(3)预应力混凝土管桩通过后注浆方式可大幅提高单桩的承载力，因此在实际工程应用中此项技术可减少预应力混凝土管桩的工程数量，从而节省工程费用。