孟凡偉,蔣建平
(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)
鉆孔灌注樁技術(shù)具有成本經(jīng)濟(jì)、施工便捷及地層適應(yīng)方面的優(yōu)越性,在高層建筑、橋梁及海洋平臺等大型工程構(gòu)筑物的建造中越發(fā)普及[1]。但鉆孔施工產(chǎn)生的樁底沉渣及泥漿護(hù)壁,分別影響了樁體端阻及側(cè)阻力的發(fā)揮,二者因此成為該施工技術(shù)中的兩大缺點。而后注漿技術(shù)通過成樁后的壓力通道,將水泥漿液壓入樁端或樁側(cè),經(jīng)過滲透、壓密、填充而后凝結(jié),有效改善了樁底沉渣及樁側(cè)泥皮的情況,減少了樁體沉降和應(yīng)力松弛,并提高了承載力的發(fā)揮。因而,后注漿與鉆孔灌注樁技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用,成為基礎(chǔ)工程最廣泛采用的地基處理方式之一。
張忠苗等[1-3]通過靜載試驗,分析了后注漿抗壓樁側(cè)摩阻力發(fā)揮和樁土相對位移的關(guān)系,其中非破壞樁上部土層隨荷載增加易出現(xiàn)側(cè)摩阻力軟化現(xiàn)象,而破壞樁全樁長范圍均會出現(xiàn)軟化。
劉開富等[4]通過靜載試驗,分析了后注漿擴(kuò)底灌注樁注漿前后樁端阻力及樁側(cè)摩阻力的承載特性,并驗證樁側(cè)摩阻力承擔(dān)了大部分荷載。
程曄等[5]通過靜載、CT及取芯試驗等方法,明確了持力層為含礫中粗砂中注漿效果較好,細(xì)砂及黏土中漿液相對難以固結(jié);同時驗證了樁的剛度會隨樁端后壓漿明顯提高,從而利于沉降控制。
王忠福等[6]基于現(xiàn)場試驗,分析了豎向受荷樁端后注漿超長灌注樁的荷載傳遞特性,對單樁承載力公式的側(cè)摩阻系數(shù)和端阻力系數(shù)進(jìn)行了修正。
曾志軍等[7]通過靜載試驗針對差異化持力層性質(zhì),對比觀察樁端注漿樁的受力特性,提出持力層對樁端后注漿樁具有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)。
桑登峰等[8]通過靜載試驗,對比分析了樁側(cè)樁端同時后注漿對超長鉆孔灌注樁基承載力、沉降、側(cè)摩阻力、端阻力及荷載分擔(dān)比等的影響,驗證了樁側(cè)注漿在超長灌注樁的優(yōu)勢。
Thiyyakkandi S等[9-10]通過研究,提出了一種預(yù)測樁端樁側(cè)后注漿的新型帶膜噴射灌注樁在無黏土中注漿壓力、端阻力、側(cè)摩阻力及荷載沉降反應(yīng)的方法。
目前關(guān)于樁側(cè)摩阻力變化的研究,多為靜載下分析樁端后注漿樁側(cè)摩阻力隨荷載變化的影響,以及同樁端阻力荷載分擔(dān)等影響。而樁端樁側(cè)組合后注漿的相關(guān)研究相對較少,因此關(guān)于樁側(cè)摩阻力分布隨注漿方式改變的影響具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。
本文采用南京河西地區(qū)的某試樁參數(shù),通過有限元分析軟件ABAQUS建立單樁復(fù)合地基模型,基于不同強(qiáng)化體性質(zhì),討論了注漿位置變化對樁端樁側(cè)后注漿超長灌注樁的側(cè)阻力分布的影響,為相關(guān)的工程設(shè)計及分析提供參考。
南京河西地區(qū)是位于長江下游的漫灘地貌,該處地質(zhì)條件多為軟塑至流塑的深厚軟土。趙升峰等[11]對該地區(qū)某工程進(jìn)行了現(xiàn)場大直徑超長灌注單樁荷載試驗。其樁身采用C40混凝土,樁長63.17 m,樁徑800 mm,原始地層參數(shù)[12]根據(jù)GB 50218—94、JGJ 94—2008等相應(yīng)規(guī)范,整理后見表1。
表1 地層參數(shù)
Tab.1 Stratum parameters
地層成分彈性模量E/MPa層厚h/m泊松比ν內(nèi)摩擦角φ/(°)密度g/cm3粘聚力c/kPa側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsik/kPa①素填土9.780.640.25251.8520.020②粉質(zhì)黏土13.442.020.3291.7910.532③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土9.5119.200.32121.8215.020④粉質(zhì)黏土9.7510.470.3291.8010.524⑤粉質(zhì)黏土10.1113.230.3291.8010.530⑥粉質(zhì)黏土10.503.940.3291.8010.538⑦粉細(xì)砂50.006.410.30201.8030.060⑧強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂巖55.004.450.25232.4060.0120⑨中風(fēng)化粉細(xì)砂巖150.002.810.25252.50300.0—
首先根據(jù)試樁參數(shù),構(gòu)建ABAQUS單樁有限元模型。樁周各地層的本構(gòu)模型采用摩爾庫倫理論,樁身采用線彈性模型,參數(shù)按照C40混凝土進(jìn)行選取。計算側(cè)、下邊界分別采取24倍、20倍樁徑,樁土間采用面-面接觸,接觸面采用庫侖摩擦,切向模型采用Penalty罰函數(shù),摩擦系數(shù)選用為tanφ,樁端處采用綁定。為模擬試樁開挖,本模型對施加護(hù)壁的基坑進(jìn)行地應(yīng)力平衡,分步撤除護(hù)壁約束并沉樁。
強(qiáng)化體的本構(gòu)模型同樣采用摩爾庫倫理論,厚度取值,即注漿影響范圍近似沿樁側(cè)取0.5d,樁端注漿加固體根據(jù)球面擴(kuò)散理論相關(guān)統(tǒng)計[13-14],近似取直徑3d,高4d的圓柱體。其中樁端處以上部分取高1.4 m,直徑2d的空心圓柱體,方便模型建立,土體及樁端強(qiáng)化體網(wǎng)格如圖1所示。由于地層多為軟塑流塑軟土且性質(zhì)相差較小,故不計不同地層樁土接觸面外移至注漿加固體與土體之間。樁身與與強(qiáng)化體間均采用硬接觸,考慮泥皮沉渣及應(yīng)力松弛影響,摩擦系數(shù)取1.25倍。
圖1 土體及樁端強(qiáng)化體網(wǎng)格模型
Fig.1 Mesh model of soil and grouting reinforcementat pile end
在樁頂處施加位移荷載,計算驗證后分別討論不同注漿工況與注漿體性質(zhì)下的承載及側(cè)阻力分布情況??紤]到地層參數(shù)、漿液配比等對強(qiáng)化體結(jié)構(gòu)的影響,本次試驗采用梯度變化剛度,觀察各工況原始樁基表面的受力性狀。
為討論注漿對算例的影響,并減小誤差,采用以下基本假定:
1) 注漿強(qiáng)化體為理想且均質(zhì)的規(guī)則彈塑性體;
2) 不考慮劈裂注漿情況,僅考慮漿液沿樁身對附近地層結(jié)構(gòu)的滲透及壓密作用;
3) 注漿強(qiáng)化體沿樁周及樁身均勻分布,厚度依據(jù)經(jīng)驗取值。
經(jīng)過反復(fù)試算,將模型計算與現(xiàn)場試樁結(jié)果[11]驗證對比見圖2,可知荷載-位移曲線相對誤差較小,并且側(cè)阻力分布曲線的趨勢基本一致。因此所建模型的可靠性得以驗證,在此模型基礎(chǔ)上深化討論。
圖2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模型計算對比
Fig.2 Comparison between field data and numerical results
由于原試樁試驗并未表現(xiàn)出極限荷載,本文對試樁模型驗證后,在樁頂上進(jìn)一步施加均布荷載直到極限狀態(tài),最終選取20 MN荷載以深化討論。本次試驗將分別討論樁側(cè)單土層注漿、樁端及樁側(cè)單土層注漿、樁側(cè)分層逐級注漿和樁端及樁側(cè)分層逐級后注漿的強(qiáng)化作用及影響。
本階段試驗在原有地層條件基礎(chǔ)上,分別在除樁頂外的每一層樁側(cè)置換強(qiáng)化體建立模型,并分析其側(cè)阻力分布規(guī)律。對于注漿量相同時,注漿壓力并非越大越好,未能填滿空腔或是刺入破壞土體均會影響承載力[15]。因此強(qiáng)化體剛度按照50 MPa的梯度,從150 MPa至300 MPa設(shè)置對比。強(qiáng)化體粘聚力、內(nèi)摩擦角分別取45 kPa和35°。
樁側(cè)單層注漿側(cè)阻力分布對比整理后如圖3所示,由于樁側(cè)第2、9層厚度較薄,且經(jīng)計算,對整體的側(cè)阻力分布影響較小,故從圖中略去。
由圖3可知,對于不同強(qiáng)化體位置,當(dāng)強(qiáng)化體剛度為150 MPa時,第3至6層注漿側(cè)阻力在對應(yīng)土層的分布,部分或整體均明顯優(yōu)于未注漿時;第7層注漿在對應(yīng)土層的側(cè)阻力分布相對于未注漿時優(yōu)勢并不明顯,甚至部分出現(xiàn)了衰減;而第8層注漿時,樁端附近的側(cè)阻力分布與未注漿時相比明顯提升。此時,第6層及以上強(qiáng)化體在對應(yīng)地層位置分布的最大側(cè)阻力均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),之后隨強(qiáng)化體剛度增加優(yōu)勢顯著減小,兩端側(cè)阻力逐漸集中;第7層側(cè)阻力分布呈現(xiàn)中間衰減兩端集中;第8層強(qiáng)化時,樁端附近最大側(cè)阻力分布反而繼續(xù)提升,從強(qiáng)化體150 MPa時最小的150 kPa逐漸增至230 kPa;其余各層側(cè)阻力分布與未注漿時基本一致。
注漿后側(cè)阻力分布增幅最明顯的是第5、6層強(qiáng)化體,其最大側(cè)阻力相比于未注漿時分別提升至90 kPa、150 kPa。結(jié)合這兩層和第4層都是粉質(zhì)粘土,可以發(fā)現(xiàn)其越靠近上部土層的強(qiáng)化體,對應(yīng)最大側(cè)阻力分布提升越小。由于局部注漿導(dǎo)致樁徑有所變化,而提取的對象是原始樁基的表面,因此各層注漿時所提取的側(cè)阻力均有部分衰減和集中。
同時,單層強(qiáng)化體剛度越大,與原樁基間相對位移越小,對應(yīng)地層與強(qiáng)化體間的側(cè)阻力會產(chǎn)生不同程度軟化,這種軟化衰減作用隨強(qiáng)化體剛度放大越發(fā)明顯。如強(qiáng)化體150 MPa時,第3層最大側(cè)阻力出現(xiàn)在中段,隨著強(qiáng)化體剛度提升,該層中段側(cè)阻力從31 kPa逐漸衰減至10 kPa,而下端集中提升至36 kPa;第5層側(cè)阻力分布原本在該層中下段較為優(yōu)勢,最大90 kPa左右,而隨著強(qiáng)化體剛度提升下部迅速衰減,上邊緣相比未注漿時25 kPa左右提升至60 kPa左右,而后隨著強(qiáng)化體剛度提升逐漸穩(wěn)定。相鄰?fù)翆舆吘墏?cè)阻力有所增加,說明側(cè)阻力有向強(qiáng)化體兩端傳遞集中的趨勢。
圖3 樁側(cè)單層注漿側(cè)阻力分布對比
Fig.3 Comparison of distribution of lateral resistance of side grouting pile with single layer
結(jié)果表明,隨強(qiáng)化體剛度提升,各土層均不同程度地表現(xiàn)出整體的衰減和向兩端的傳遞集中。樁身下部特別是第5層及以下所分布側(cè)阻力提升或集中效果均更明顯。當(dāng)強(qiáng)化體剛度為150 MPa時,粉質(zhì)粘土中側(cè)阻力表現(xiàn)出優(yōu)勢,最大側(cè)阻力出現(xiàn)在第6層,粉細(xì)砂作為中間段衰減明顯。而隨著強(qiáng)化體剛度提升,雖然整體上各土層均出現(xiàn)一定衰減,但樁端附近第8層的側(cè)阻力始終保持了提升與集中。可見,對側(cè)阻力分布的影響效果與作用位置及樁側(cè)地層參數(shù)均有一定影響。
此外就整體而言,盡管各層強(qiáng)化體在對應(yīng)層作用時隨剛度增加有一定衰減,但樁端部分側(cè)阻力始終明顯優(yōu)于未注漿時。
本階段試驗,在除持力層外,樁側(cè)單土層注漿所建各模型的基礎(chǔ)上,分別設(shè)置樁端強(qiáng)化體建立模型進(jìn)行對照,強(qiáng)化體性質(zhì)與前例一致,剛度依舊采用50 MPa梯度進(jìn)行設(shè)置。綜合分析樁端注漿情況下,樁側(cè)單層注漿位置及注漿體剛度變化的影響,并與前例對比分析,整理如圖4所示。
由圖4可知,當(dāng)強(qiáng)化體剛度為150 MPa時,第5至6層強(qiáng)化體側(cè)阻力在對應(yīng)土層的分布,部分或整體仍明顯優(yōu)于未注漿時。其余各層側(cè)阻力分布趨勢與單層時基本一致,但整體均呈現(xiàn)出一定的衰減。而樁端8層最大側(cè)阻力分布仍保持在220 kPa甚至有所提高,明顯優(yōu)于未注漿時。
圖4 樁端及樁側(cè)單層注漿側(cè)阻力分布對比
Fig.4 Comparison of distribution of lateral resistance of both end and side grouting pile with single layer
注漿后,側(cè)阻力分布提升最明顯的依舊是第6層強(qiáng)化體。當(dāng)強(qiáng)化體剛度為150 MPa時,其最大側(cè)阻力相對于未注漿時40 kPa提升至120 kPa。側(cè)阻力集中和衰減最明顯的仍舊是第7層粉細(xì)砂層,中段側(cè)阻力由20 kPa衰減,但上接觸面應(yīng)力集中提升至80 kPa左右。
結(jié)果顯示,相比于樁側(cè)單層注漿,當(dāng)樁端設(shè)置同樣強(qiáng)化體作用后,各層強(qiáng)化體對側(cè)阻力分布的影響方式基本不變。但隨著強(qiáng)化體剛度增加,原始樁基和強(qiáng)化體間的側(cè)阻力軟化衰減與應(yīng)力傳遞集中均進(jìn)一步加強(qiáng)。
結(jié)合兩者亦可得出,無論樁端是否注漿,樁側(cè)的單側(cè)強(qiáng)化體對該層側(cè)阻力的作用是相對獨立的,除了樁端附近側(cè)阻力穩(wěn)定提高外,對整體其余地層的側(cè)阻力分布規(guī)律影響并不大。
本階段試驗,在原有地層條件基礎(chǔ)上,分別在除持力層外的每一層樁側(cè)逐級置換強(qiáng)化體建立模型,強(qiáng)化體性質(zhì)與前例一致,剛度依舊梯度設(shè)置。討論樁側(cè)按地層逐級注漿對側(cè)阻力分布規(guī)律的影響,整理后如圖5所示。
由圖5可知,由樁側(cè)從樁端附近逐級向上注漿,側(cè)阻力分布提升非常顯著,樁側(cè)分布的最大側(cè)阻力從未注漿樁端處的90 kPa提升到330 kPa左右。注漿從第8層逐漸加至第5層過程中側(cè)阻力分布從原本的“L”型逐漸接近“R”型,而各層注漿的中段相應(yīng)均有所衰減并向兩端集中。這種衰減與單層注漿時有所相似,但中段沒有歸零,兩端的集中也更大。當(dāng)注漿到第4層以上即樁身的上部時,樁端附近側(cè)阻力分布趨勢不再發(fā)生明顯變化,樁身側(cè)阻力分布基本一致,整體呈現(xiàn)為“R”型分布。
隨著注漿接近頂部土層,當(dāng)注漿至第4、5層土,強(qiáng)化體附近粉質(zhì)粘土層粘聚力最小,強(qiáng)化體作用段也較長,對應(yīng)在層中的分布優(yōu)勢均明顯。強(qiáng)化體剛度從150 MPa梯度增加后,側(cè)阻力分布整體開始向樁端趨近,粉質(zhì)粘土層峰值由43 m逐漸到46 m位置,同時各強(qiáng)化體地層上部也表現(xiàn)出相同的軟化性質(zhì)。當(dāng)注漿至第3層時,對應(yīng)土層上部側(cè)阻力出現(xiàn)明顯衰減而側(cè)阻力分布與注漿至4層時變化不大,說明此時對應(yīng)側(cè)阻力已充分發(fā)揮,這種衰減也隨強(qiáng)化體剛度增加向下轉(zhuǎn)移。
圖5 樁側(cè)分層逐級注漿側(cè)阻力分布對比圖
Fig.5 Comparison of distribution of lateral resistance of side grouting pile layer by layer
相比于未注漿樁,不考慮接觸面集中的側(cè)阻力,逐級設(shè)置強(qiáng)化體后樁側(cè)所呈現(xiàn)的“R”型側(cè)阻力分布曲線在第4、5層處也即是粉質(zhì)粘土層,獲得最大增幅;隨強(qiáng)化體剛度增加分別在43、45、46、46 m樁深處從30 kPa提升到到最大161 kPa,增加約436%,樁端附近在61 m左右樁深處最大側(cè)阻力最大增幅也提升了約196%。
結(jié)果表明,樁側(cè)逐級注漿相比于單層注漿,依舊保有了樁與強(qiáng)化體接觸面?zhèn)茸柢浕奶匦?。同時,與單層注漿時相同,隨著強(qiáng)化體逐級設(shè)置,側(cè)阻力分布在中下段粉質(zhì)粘土中呈現(xiàn)出巨大優(yōu)勢,使分布曲線從“L”型逐漸趨于“R”型。此外,隨著強(qiáng)化體剛度增加,樁身側(cè)阻力“R”型分布向樁端方向趨進(jìn)。
本階段試驗,在除持力層外各層樁側(cè)逐級注漿模型的基礎(chǔ)上,設(shè)置樁端注漿體建立模型,強(qiáng)化體性質(zhì)與樁側(cè)及前例一致,剛度依舊梯度設(shè)置。討論樁端注漿時,按地層從樁端向上逐級注漿,對側(cè)阻力分布規(guī)律的影響整理后如圖6所示。
由圖6可知,當(dāng)樁端樁側(cè)共同分層逐級向上注漿時,側(cè)阻力沿樁側(cè)分布的趨勢除樁端附近外,與圖5基本一致。同時,樁端部分附近的最大側(cè)阻力顯著提高,從僅樁側(cè)逐級注漿時330 kPa左右提升至550 kPa左右。當(dāng)強(qiáng)化體與持力層剛度相同即150 MPa時,樁端附近最大側(cè)阻力隨注漿逐級變化從323 kPa提升至407 kPa;當(dāng)強(qiáng)化體梯度提升至持力層兩倍即300 MPa時,相應(yīng)樁端附近的最大側(cè)阻力從411 kPa提升至551 kPa。樁端附近最大側(cè)阻力均出現(xiàn)在累計注漿到第5層土?xí)r。同時,當(dāng)注漿到5層以上地層時,樁身下部包括樁端附近側(cè)阻力分布基本一致,整體呈現(xiàn)為“R”型分布,對應(yīng)的粉質(zhì)粘土層仍有巨大優(yōu)勢。當(dāng)注漿至第4、5層土?xí)r,隨著強(qiáng)化體剛度梯度變大,側(cè)阻力分布各層頂部軟化與樁端附近側(cè)阻力均逐漸增加。
圖6 含樁端分層逐級注漿側(cè)阻力分布對比圖
Fig.6 Comparison of distribution of lateral resistance of both end and side grouting pile layer by layer
相比于未注漿樁,樁端注漿且逐級設(shè)置強(qiáng)化體后樁側(cè)所呈現(xiàn)的“R”型側(cè)阻力分布曲線依舊在第4、5層處獲得較大增幅,隨強(qiáng)化體剛度增加分別在43、45、46、46 m樁深處從30 kPa提升到最大162 kPa,增加了約436%,而樁端附近在61 m左右樁深處最大側(cè)阻力最大增幅由90 kPa提升到551 kPa左右,增加了約512%。
結(jié)果顯示,樁端樁側(cè)后注漿相比于僅樁側(cè)注漿,對整體側(cè)阻力分布均有影響,側(cè)阻力分布不僅在各層充分發(fā)揮作用,也在樁端提升明顯。此外,通過對比以上案例,樁身最大側(cè)阻力增幅均先在注漿至第4、5層粉質(zhì)粘土層時出現(xiàn),而第7層粉細(xì)砂層也同樣隨著強(qiáng)化體剛度增加也出現(xiàn)了一定增幅。這說明,逐級注漿時較軟弱地層側(cè)阻力提升整體仍有著巨大的優(yōu)勢。同時,隨著強(qiáng)化體剛度增加,樁端附近的側(cè)阻力越發(fā)向樁端集中,側(cè)阻力分布從“R”型向樁端方向趨進(jìn)的趨勢,相較于僅樁側(cè)逐級注漿時基本保持不變。與圖4樁端及單層樁側(cè)注漿時所呈現(xiàn)的對比,這種側(cè)阻力分布的趨近也說明了逐級注漿時,原始樁基與強(qiáng)化體間應(yīng)力的軟化集中會沿樁身繼續(xù)傳遞下去,而非在各層獨立作用。
綜合以上兩種情況,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)從樁端開始逐級注漿時,樁端附近側(cè)阻力獲得極大增幅。同樣是樁端和附近的第8層強(qiáng)化體,不含樁端逐級注漿的增幅僅有后者的1/3左右,說明適當(dāng)壓力下的充分注漿對樁端附近側(cè)阻力提升影響巨大。
本文通過數(shù)值模型試驗,基于南京河西地區(qū)超長現(xiàn)場灌注試樁,改變注漿位置及強(qiáng)化體參數(shù),對其進(jìn)行側(cè)阻力分布分析,得出以下幾點結(jié)論:
1) 單層注漿時,單層強(qiáng)化體對側(cè)阻力的影響具有一定獨立性。樁中下段第6層側(cè)阻力增幅最大,隨著注漿強(qiáng)化體剛度提升,原始樁基表面與強(qiáng)化體間的側(cè)阻力會有所衰減并向兩端傳遞集中,整體側(cè)阻力的傳遞集中會向樁端附近土層趨近。當(dāng)樁端也設(shè)置有注漿強(qiáng)化體時,側(cè)阻力的衰減軟化與傳遞集中均會得到進(jìn)一步強(qiáng)化。這種衰減與強(qiáng)化作用在樁側(cè)樁端注漿中依然存在,但側(cè)阻力的傳遞與集中在逐級注漿中得到更具體的體現(xiàn)。
2) 樁側(cè)與樁端逐級注漿時,樁身側(cè)阻力分布由下向上傳遞,其在粘聚力較小的粉質(zhì)粘土層有更大優(yōu)勢,使得“L”型逐漸轉(zhuǎn)化為“R”型,此時側(cè)阻力最大增幅出現(xiàn)在第4、5層。當(dāng)注漿到達(dá)第4層后,該地層注漿體對側(cè)阻力的影響已充分發(fā)揮作用。同時,當(dāng)從樁端開始逐級注漿時,原始樁基表面分布的側(cè)阻力會隨應(yīng)力傳遞集中向樁端地層趨近。結(jié)合單層注漿時的情況,較軟土層在注漿后側(cè)阻力提升有明顯的優(yōu)勢。
3) 本文通過改變注漿地層位置,對樁端樁側(cè)共同注漿時的側(cè)阻力分布變化研究,得出南京河西地區(qū)該案例相對有效的注漿位置。分別與僅樁側(cè)注漿和單層注漿時進(jìn)行對比,并計算了不同工況下側(cè)阻力分布變化的具體增幅,為相關(guān)實際工程施工提供一定參考,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。