巖溶區(qū)橋梁工程后注漿樁承載特性研究

文/宋勁松、王作豐、王曉鳴、李海濤

1 前言

后注漿技術(shù)為地下隱蔽工程，對(duì)后注漿樁基承載特性的研究，大部分還是通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及模型試驗(yàn)等方法。劉彥峰[1]等通過現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)得出樁側(cè)注漿后，樁基承載和控制變形能力得到提升。錢建固等[2]基于大型接觸面剪切試驗(yàn)建立了樁-土界面接觸模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析成為樁基設(shè)計(jì)計(jì)算中的常用方法，黃吉龍等[3]采用數(shù)值模擬分析樁端后注漿樁的承載性能。本文將模擬樁側(cè)后注漿樁的樁土位移及荷載沉降，并分析其承載性能。

2 有限元分析過程

2.1 模型的建立及模擬方案設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模型做出如下假定：

簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型；

樁周土以及注漿形成的注漿加固體為理想的彈塑性體，樁為理想彈性體；

后注漿只考慮漿液對(duì)土體的滲透。

樁定義為彈性材料，土體與注漿定義為理想彈塑性材料，本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)倫模型。材料參數(shù)見表1。樁長(zhǎng)L 為20m，樁徑D 為1m。土體計(jì)算范圍水平方向取10D，豎直方向取2L。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

2.2 接觸定義

后注漿樁的有限元模擬涉及樁-土、樁-注漿加固體以及土-注漿加固體間的接觸。有限元軟件采用主-從接觸算法，在樁-土界面、樁-注漿加固體界面中選擇樁為主面，在土-注漿加固體界面中選擇注漿加固體為主面[1]。

2.3 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬分析中，網(wǎng)格劃分的方式不同，其計(jì)算的進(jìn)程以及結(jié)果的收斂性也不同。

未注漿樁和樁側(cè)后注漿樁網(wǎng)格化完成后的模型如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 荷載和邊界條件

對(duì)于二維軸對(duì)稱模型，需要在其側(cè)面限制水平位移以及在其底部限制兩個(gè)方向的位移。本次計(jì)算將樁頂集中荷載換算為樁頂截面與之對(duì)應(yīng)的均布荷載，并設(shè)置一系列的分級(jí)加載值[2]，見表2。

表2 荷載分級(jí)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 注漿前后樁土位移場(chǎng)分析

以豎向荷載為5000kN 時(shí)為例，未注漿樁和樁側(cè)后注漿樁在樁頂受豎向荷載作用時(shí)，樁土位移場(chǎng)分別如圖2（a）和圖2（b）所示，樁基通過注漿方式增強(qiáng)樁土間的相互作用，減小樁周土沉降，提高樁基承載能力。

圖2 位移云圖

3.2 注漿前后單樁荷載-沉降關(guān)系分析

以豎向荷載為5000kN 時(shí)為例，未注漿樁和樁側(cè)后注漿樁在樁頂受豎向荷載作用時(shí)，樁的受力變形特性如圖3 所示。

圖3 受力變形特性

未注漿樁和樁側(cè)后注漿樁的荷載-沉降曲線如圖4 和 圖5 所 示。

圖4 未注漿樁荷載-沉降曲線

圖5 樁側(cè)后注漿樁荷載-沉降曲線

由圖4 和圖5 可知，相同荷載作用下，后注漿樁的沉降量均小于未注漿樁。未注漿樁荷載-沉降曲線的斜率要比注漿樁的斜率要大。未注漿樁的極限承載力為4000kN，樁側(cè)后注漿樁的極限承載力為6000kN，即樁側(cè)注漿后其極限承載力提升約為50%[3]。

3.3 不同注漿參數(shù)條件下后注漿樁單樁荷載-沉降關(guān)系分析

通過對(duì)不同注漿加固體尺寸的樁側(cè)后注漿樁數(shù)值模擬，得到不同注漿參數(shù)條件下的后注漿樁的荷載-沉降關(guān)系曲線，如圖6 所示。

圖6 不同注漿參數(shù)下后注漿樁Q-s 曲線

由圖6 可知，以樁頂荷載為6000kN 時(shí)為例，注漿加固體尺寸為rd=1.5m，h=5m，rc=1m 時(shí)，樁側(cè)后注漿樁的樁頂沉降為16.016mm。而當(dāng)注漿加固體尺寸增大為rd=2m，h=6m，rc=1.5m 時(shí)，樁側(cè)后注漿樁的樁頂沉降為5.071mm。因此，當(dāng)注漿加固體尺寸增大時(shí)，相同荷載作用下的樁頂沉降均明顯減小。樁側(cè)后注漿樁極限荷載的提升幅度與注漿加固體的尺寸成正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬研究未注漿樁和樁側(cè)后注漿樁的樁土位移和荷載沉降，得出以下結(jié)論：

樁側(cè)后注漿樁基相對(duì)未注漿樁基可以減小樁周土體沉降，提高樁基的承載能力。樁側(cè)后注漿樁基相對(duì)未注漿樁基極限承載力提升約為50%。樁側(cè)后注漿樁極限荷載的提升幅度與注漿加固體的尺寸成正相關(guān)關(guān)系。