工艺参数对灌注桩桩基后注浆浆液扩散的影响

仪晓立 王振军 侯向阳 惠 冰 孙 巍 张 旭 苗 鑫

(1.中铁一局集团建设安装工程有限公司，西安 710000；2.山东省交通科学研究院，济南 250014)

灌注桩后注浆是指在钻孔灌注桩内预埋钢筋笼和注浆管，成桩后通过高压泵向桩侧面和端面土层加压注浆[1-3]。后注水泥浆渗透至桩基泥皮、持力层和沉渣后进行填充压实，进而延伸至深土层形成树枝状劈裂，泥浆固结后有效加强灌注桩桩基的强度，降低了灌注桩的沉降量，提高了桩基的承载能力[4-6]。后注浆浆液向桩基四周的劈裂扩散程度直接影响了灌注桩的稳定性，而劈裂扩散过程受到水灰比、注浆压力等多种因素的影响，研究后注浆浆液扩散机理对增强灌注桩强度具有重要意义[7-9]。国内外学者对后注浆进行了大量的研究，但对后注浆扩散规律认识并不全面[10-14]。周亚龙等[15]研究了后注浆过程中注浆量、注浆压力、灌注桩位移及承载变形的变化，建立了灌注桩载荷和沉降位移的逻辑关系，发现“开式—闭式—开式”复合式后注浆式浆液重复交替进行渗透、劈裂、压实过程，注浆量和注浆压力可满足设计要求，灌注桩沉降位移较小。李文广等[16]采用COMOSOL软件建立了盾尾壁后注浆有限元分析模型，研究了注浆压力、注浆位置和浆液黏度时变性变化对浆液扩散规律的影响，发现注浆位置对浆液形态的影响较大，浆液填充速度越大，注浆压力随之增大，而浆液黏度降低，在后期填充时速度明显变慢。林志豪等[17]研究了桩端注浆和桩基桩端复合注浆对灌注桩承载能力的影响，发现桩基桩端复合注浆使灌注桩桩基承载能力升高了1.35～1.5倍，桩周侧向土层摩阻提高了3～6倍。目前人们对后注浆的研究多集中在注浆过程参数变化及灌注桩承载力方面，对浆液扩散研究较少，而浆液扩散是灌注桩强度的直接影响因素，研究其扩散区域及扩散变化规律有利于提高注浆均匀度，增强桩基的稳定性[18-20]。本文以山东济南某灌注桩现场为基础，截取注浆扩展裂缝某一平面作为研究对象，采用CFD软件建立灌注桩后注浆平板裂缝浆液扩散有限元模型，分析不同因素变化对浆液扩散规律的影响，结果可为工程技术人员设计注浆参数提供理论依据。

1 灌注桩后注浆浆液扩散模型建立

截取济南某灌注桩现场注浆扩展裂缝某一平面，采用CFD软件建立灌注桩后注浆平板裂缝浆液扩散模型，如图1所示。扩展裂缝平面尺寸为400 cm×200 cm，桩基直径为100 cm，注浆孔设置在平面中心位置，网格划分数量为49 823个，形状为六面体，注浆孔设置为流量入口边界，注浆量通过注浆时间控制，平面四周设置为压力出口边界。

图1 灌注桩后注浆平板裂缝浆液扩散模型Fig.1 Grout diffusion model for grouting plate cracks after grouting of cast-in-place piles

根据现场数据：注浆压力为3 MPa、注浆量为0.2 m3、浆液黏度为40 cPa·s、裂缝高度为10 cm、裂缝宽度为200 cm，控制注浆压力变化范围在2～5 MPa，变化梯度为0.5 MPa；注浆量变化范围在0.05～0.4 m3，变化梯度为0.05 m3；浆液黏度变化范围在10～80 cPa·s，变化梯度为10 cPa；裂缝高度变化范围在5～50 cm，变化梯度为5 cm；裂缝宽度变化范围在50～400 cm，变化梯度为50 cm，研究不同因素变化对注浆浆液最大扩散半径的影响。

2 灌注桩后注浆浆液扩散规律

2.1 注浆压力对浆液最大扩散半径的影响

控制注浆量0.2 m3、浆液黏度40 cPa·s、裂缝高度10 cm、裂缝宽度200 cm，改变注浆压力，得到后注浆浆液最大扩散半径变化趋势如图2所示。

图2 注浆压力对浆液最大扩散半径的影响Fig.2 Effect of grouting pressure on the maximum diffusion radius of grout

从图2可以看出，随着注浆压力的增加，浆液最大扩散半径先增大，后增大幅度趋于平缓。这是因为，在注浆压力较低时，压力的增加为浆液流动提供了更多动力，增强了浆液对周围土层的渗透和劈裂能力，导致最大扩散半径显著增大。当注浆压力较高时，浆液向土层深处延伸，劈裂扩展需要克服的反作用力增强，虽然仍可进一步劈裂扩展，但其扩展能力降低，最大扩散半径增大幅度趋于平缓。由图2可知，当注浆压力为2 MPa时，浆液最大扩散半径为51.5 cm，当注浆压力达到4 MPa后，浆液最大扩散半径达到69.3 cm且变化速度变缓，当注浆压力达到5 MPa时，浆液最大扩散半径达到74.4 cm。采用对数形式拟合注浆压力与浆液最大扩散半径的关系(图2)，曲线拟合优度为0.998 74，拟合误差较小，可为设计人员提供计算依据。考虑建造成本和桩基稳定性，注浆压力优选4 MPa。

2.2 注浆量对浆液最大扩散半径的影响

控制注浆压力3 MPa、浆液黏度40 cPa·s、裂缝高度10 cm、裂缝宽度200 cm，改变注浆量，得到后注浆浆液最大扩散半径变化趋势如图3所示。

图3 注浆量对浆液最大扩散半径的影响Fig.3 Effect of grouting amount on the maximum diffusion radius of slurry

从图3可以看出，随着注浆量的增加，浆液最大扩散半径先增大，后增大幅度趋于平缓。分析其原因认为，在低注浆量下，浆液虽然有足够的能量向外部拓展，但受到浆液量的限制，难以达到土壤深层，当注浆量升高时，在足够的动力驱动下更多浆液向外部渗透劈裂，最大扩散半径快速增大；在高注浆量下，虽然浆液量足够，但动力不足导致最大扩散半径变化趋于平缓。由图3可知，当注浆量为0.05 m3时，浆液最大扩散半径为50.1 cm，当注浆量达到0.3 m3后，浆液最大扩散半径达到66.3 cm且变化开始趋于平缓，当注浆量为0.4 m3时，浆液最大扩散半径为69.2 cm，注浆量对最大扩散半径的影响相对较大。采用对数形式拟合注浆量与浆液最大扩散半径的关系(图3)，曲线拟合优度为0.995 21。

2.3 黏度对浆液最大扩散半径的影响

控制注浆压力3 MPa、注浆量0.2 m3、裂缝高度10 cm、裂缝宽度200 cm，改变浆液黏度，得到后注浆浆液最大扩散半径变化趋势如图4所示。

图4 黏度对浆液最大扩散半径的影响Fig.4 Effect of viscosity on the maximum diffusion radius of slurry

由图4可知，随着浆液黏度的升高，最大扩散半径减小。这是因为，当浆液黏度升高时，其流动性能下降，浆液内部摩擦力和黏结力造成流体部分能量损失，促使其扩展能力下降，而浆液黏度升高后，浆液与土层黏结力加强，浆液向土层深处的渗透能力降低，导致最大扩散半径减小。当浆液黏度为10 cPa·s时，最大扩散半径为68.1 cm，当浆液黏度升高至80 cPa·s时，最大扩散半径减小至42.6 cm。采用对数形式拟合浆液黏度与最大扩散半径关系(图4)，曲线拟合优度为0.999 0。工程技术人员在设计水泥浆配合比时，在考虑力学性能基础上应引入浆液黏度对最大扩散半径的影响。

2.4 裂缝高度对浆液最大扩散半径的影响

控制注浆压力3 MPa、注浆量0.2 m3、浆液黏度40 cPa·s、裂缝宽度200 cm，改变裂缝高度，得到后注浆浆液最大扩散半径变化趋势如图5所示。

图5 裂缝高度对浆液最大扩散半径的影响Fig.5 Effect of crack height on the maximum diffusion radius of slurry

由图5可知，随着裂缝高度的增加，浆液最大扩散半径先增大后降低。这是因为，当裂缝高度较小时，浆液受到裂缝高度的限制流动阻力变大，当裂缝高度升高时，浆液流动阻力降低，最大扩散半径显著升高。当裂缝高度较大时，流动阻力不再是影响流动的主要因素，在注浆量和注浆压力一定时，浆液不仅需要向横向渗透劈裂，还需要向纵向流动填充，导致其最大扩散半径降低。当裂缝高度为5 cm时，浆液最大扩散半径为55.3 cm，当裂缝高度达到25 cm时，浆液最大扩散半径增大至最大值66.4 cm，当裂缝高度继续增加至50 cm，浆液最大扩散半径反而降低至54.1 cm。采用多项式形式拟合裂缝高度和最大扩散半径的关系(图5)，对应曲线拟合优度为0.967 56。因此，裂缝高度为25 cm有利于灌注桩承载能力的提升。

2.5 裂缝宽度对浆液最大扩散半径的影响

控制注浆压力3 MPa、注浆量0.2 m3、浆液黏度40 cPa·s、裂缝高度10 cm，改变裂缝宽度，得到后注浆浆液最大扩散半径变化趋势如图6所示。

图6 裂缝宽度对浆液最大扩散半径的影响Fig.6 Effect of crack width on the maximum diffusion radius of slurry

由图6可知，随着裂缝宽度的增加，浆液最大扩散半径降低。注浆宽度主要影响注浆向两侧的发展，对纵向最大扩散半径影响较小。当裂缝宽度为50 cm时，浆液最大扩散半径为64.2 cm，当裂缝宽度达到400 cm后，浆液最大扩散半径减小至56.1 cm。

对比各因素对浆液最大扩散半径的影响，注浆压力、注浆量、黏度的影响较大，裂缝高度的影响相对较小，裂缝宽度的影响最小。

3 结论

工艺参数注浆压力、注浆量、浆液黏度以及注浆扩展裂缝高度和宽度对灌注桩桩基后注浆浆液扩散均具有一定影响，随着注浆压力的增加，浆液最大扩散半径先增大后增大幅度趋于平缓，考虑建造成本和桩基稳定性，注浆压力优选4 MPa。随着注浆量的增加，浆液最大扩散半径先增大后增大幅度趋于平缓。随着浆液黏度的升高，最大扩散半径减小，工程技术人员在设计水泥浆配合比时，在考虑力学性能基础上应引入浆液黏度对最大扩散半径的影响。随着裂缝高度的增加，浆液最大扩散半径先增大后减小，裂缝高度为25 cm时，有利于灌注桩承载能力的提升，裂缝宽度对最大扩散半径的影响较小。