不同注漿工況對砂土-混凝土接觸面剪切特性影響

吳 悅，趙春風，劉 帆，王有寶，費 逸

(1.巖土與地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092； 2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；3.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

樁的后注漿技術是指在成樁完成后，將水泥漿液通過注漿裝置注入樁端或樁側(cè)以改善樁端和樁側(cè)土體力學特性進而改善樁的承載性能的一項技術.近年來，隨著工程建設的發(fā)展，樁基礎尤其是灌注樁基礎被大量應用于實際工程中，由于地質(zhì)、施工等原因可能對樁基礎的承載特性產(chǎn)生不利影響，后注漿技術得以應用于此并得到一定的發(fā)展[1-3].

張忠苗等[4-9]均從現(xiàn)場試驗以及理論方面等對樁端后注漿樁基的承載特性展開了大量研究，揭示了樁端后注漿對樁承載特性改善機制、后注漿樁荷載傳遞特性以及漿液上返高度特性；Thiyyakkandi等[10-11]結(jié)合室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬的方法研究了后注漿樁的承載特性；張忠苗等[12]通過室內(nèi)模擬注漿裝置研究了黏土體中壓密注漿和劈裂注漿產(chǎn)生和發(fā)展過程；此外，戴國亮等[13-17]均從不同角度研究了后注漿樁的豎向承載特性，對后注漿技術在樁基領域的應用做出了貢獻.

在注漿土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學特性方面的研究，Hossain等[18]針對全風化花崗巖和水泥漿液接觸面在不同注漿壓力和法向應力條件下展開直剪試驗研究，發(fā)現(xiàn)接觸面內(nèi)摩擦角大小不受注漿壓力影響，而黏聚力隨著注漿壓力增大而增大，接觸面抗剪強度與注漿壓力近似呈線性變化；Yin等[19]通過土釘拉拔試驗研究了注漿壓力和上覆壓力對土釘與土體接觸面力學特性的影響，給出了土釘抗拔承載力與注漿壓力和上覆壓力之間的經(jīng)驗公式；錢建固等[20]開展了注漿成型螺紋樁的接觸面力學特性大型直剪試驗，發(fā)現(xiàn)注漿形成的螺紋主要通過增大接觸面黏聚力進而提高接觸面抗剪強度.

由于地質(zhì)條件的多樣性以及施工工況的復雜性等因素，目前，后注漿技術在理論研究方面落后于實際工程應用，對于后注漿土體與樁體本身的相互作用機制的研究尚不夠成熟，現(xiàn)有研究也多側(cè)重于后注漿對樁承載力和沉降方面的影響，而對后注漿樁土接觸面軟化特性以及剪脹(縮)特性等方面研究較少涉及.實際工程中樁的后注漿是指在一定注漿壓力下將設計的注漿量注入樁端或樁側(cè)，因此，注漿壓力和注漿量是控制注漿效果的兩個重要因素.本文采用自主研發(fā)的注漿裝置和可注漿的大型直剪儀進行砂土-混凝土接觸面后注漿大型直剪試驗以模擬研究后注漿樁-土接觸面力學特性，通過不同注漿壓力、不同注漿量以及不同荷載工況對后注漿砂土-混凝土接觸面剪切力學特性、剪脹(縮)性以及強度參數(shù)等的影響，綜合分析后注漿對砂土-混凝土接觸面力學特性改善機理，以期為后注漿技術在實際工程中的進一步應用提供參考.

1 試 驗

1.1 試驗設備和注漿方法

試驗儀器主要采用改進的可用于注漿的大型多功能界面直剪儀和自主研發(fā)的注漿設備，其儀器原理圖和注漿方法可見本課題組申請的相關發(fā)明專利(申請?zhí)枺?018102091304，201810210197X，均已公開)[21-22].

本試驗中，混凝土板用作模擬灌注樁樁身，混凝土板上部土體和通過加壓鋼板施加在土體上的不同法向應力，則用于模擬不同深度處的樁身表面承受周圍土體的荷載工況.不同于之前相關研究多將水泥漿液預先鋪設于結(jié)構(gòu)物與土體接觸表面或是直接采用水泥土進行試驗，這兩種方法均無法分析漿液在土與結(jié)構(gòu)物接觸面滲透擴散形式，與實際工程中的注漿工藝也差別很大.本次試驗中，由于漿液是通過空氣壓縮機和大型多功能界面剪切儀中的注漿管路將水泥漿液直接注入土與混凝土接觸面，現(xiàn)場灌注樁后注漿亦通過樁身埋置的注漿管將水泥漿液注入樁端或樁側(cè)，本試驗能夠模擬現(xiàn)場注漿過程中漿液的擴散，不通過預先鋪設漿液或水泥土也更能接近工程實際中的注漿工藝，因此，漿液的滲透方式(包括滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿)與實際工程注漿的漿液滲透方式可以形成相似對比，從而能夠分析不同工況下的漿液滲透方式、注漿模式等變化規(guī)律.

1.2 試驗材料

試驗土體采用上海某工程第③2層灰色粉砂，其基本物理力學指標為：重度γ=19.50 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=31.50°，含水率ω=20%，孔隙比e=0.75，壓縮模量ES1-2=11.23 MPa.試驗土樣顆粒級配見表1.

表1 試驗土樣顆粒分析

試驗混凝土板采用光滑預制混凝土板，其凈尺寸為長×寬×高=590 mm×390 mm×50 mm.水泥采用普通硅酸鹽水泥，標號為P.O 42.5，根據(jù)預試驗試注結(jié)果并綜合考慮漿液可注性確定漿液水灰比為0.6，漿液中添加早強劑和染色劑，便于后續(xù)漿體早期強度的提高和對漿液擴散特性的觀察以確定注漿模式.

1.3 試驗過程

在正式開展本試驗之前，進行了大量的預試驗研究，開展預試驗主要是為了確定本次試驗的3個變量，即注漿壓力、注漿量、接觸面法向應力的具體取值.按照設計的試驗裝置空氣壓縮機的壓力量程，可提供最大壓力為800 kPa，注漿壓力分別嘗試了100，200，300，400，500，600以及700 kPa，注漿量嘗試了100，200，300，400以及500 mL，法向應力從100 kPa開始嘗試.通過預試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注漿壓力在100～400 kPa時，難以將設定的這5種注漿量全部注入土與混凝土接觸面處.當注漿壓力提升至500～700 kPa時，能夠?qū)⒃O定的注漿量注入接觸面處.并且注漿模式會呈現(xiàn)滲透、壓密和劈裂這一變化規(guī)律，因此，最終確定注漿壓力為500～700 kPa，注漿量取中間3個值，即200～400 mL.進一步嘗試更高的法向應力時，在設定的3種注漿壓力下難以將設定的注漿量注入接觸面，因此，本次試驗確定最大接觸面法向應力為100 kPa.為了研究法向應力變化對注漿接觸面力學特性和漿液擴散特性的影響，按照25 kPa的梯度設定了4個法向應力級別，即25，50，75和100 kPa.具體試驗方案為：1)在固結(jié)法向應力為25，50，75 kPa 3種荷載工況下分別進行注漿壓力為500 kPa對應的3種注漿量的后注漿試驗；2)固結(jié)法向應力為100 kPa下進行3種不同注漿量和3種不同注漿壓力的正交后注漿試驗；3)在固結(jié)法向應力為25，50，75 和100 kPa下分別進行未注漿對比試驗.

2 試驗結(jié)果

2.1 不同注漿量下砂土-混凝土接觸面力學特性

圖1給出了4種法向應力下，注漿壓力為500 kPa對應的3種不同注漿量和未注漿下得到的砂土-混凝土接觸面剪切應力-剪切位移關系曲線.可以看出，漿液的注入顯著改善了砂土-混凝土接觸面的力學特性；與未注漿接觸面剪切應力-剪切位移曲線比較，經(jīng)過注漿的接觸面其曲線初始段斜率較大，即漿液提高了砂土-混凝土接觸面的初始剪切模量；同一剪切位移對應的剪切應力，后注漿接觸面明顯大于未注漿接觸面并且其值隨著注漿量的增大而增大；當法向應力為25 kPa時，3種注漿量下的接觸面剪切應力-剪切位移曲線差異較大，并且與未注漿接觸面曲線相比差異同樣較大.而隨著法向應力的增大，曲線差異逐漸縮小，例如，當法向應力為25 kPa時，未注漿接觸面和3種注漿量(200，300和400 mL)下接觸面的峰值剪切應力分別為20.95，31.93，39.90和43.73 kPa，而當法向應力為100 kPa時，對應的接觸面峰值剪切應力分別為70.95，77.99，80.82和82.94 kPa，不同注漿量接觸面之間以及注漿與未注漿接觸面之間的峰值剪切應力差異性均隨著法向應力的增大而明顯減小，說明隨著法向應力的增大，增加注漿量對接觸面力學特性的改善效果逐漸減弱；無論是注漿還是未注漿，隨著剪切位移的增大，接觸面剪切應力-剪切位移曲線均未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，呈現(xiàn)為理想彈塑性.

圖1 注漿壓力500 kPa下不同注漿量接觸面剪切應力-剪切位移關系

上述現(xiàn)象所產(chǎn)生的原因，可能是漿液的注入通過滲透效應進入接觸面處土體從而形成漿-土混合體，此外，注漿壓力產(chǎn)生的壓密效應使接觸面土體密實度增大，孔隙率降低，并且新形成的漿-土混合體其強度以及剪切模量都要優(yōu)于原先未注漿砂土，因此，提高了后注漿砂土-混凝土接觸面的初始剪切模量和剪切強度；在法向應力較低時，固結(jié)階段結(jié)束后土體的初始密實度較低，孔隙率也相應較大，因此，漿液注入后更容易發(fā)生滲透，注漿量越大，滲透形成的漿-土混合體占比越大，從而導致不同注漿量下的接觸面剪切應力-剪切位移曲線差異較大；而隨著法向應力的增大，固結(jié)階段結(jié)束后接觸面處土體密實度較大，孔隙率較小，同一注漿壓力下注入的漿液相對較難滲透進入土體中形成漿-土混合體，注漿模式將以壓密注漿為主，而由于土體變形的非線性特性，土體密實度變化量逐漸減小，因此，隨著接觸面法向應力的增大，注漿量的增大對接觸面力學特性的改善效果逐漸減弱.

2.2 不同注漿壓力下砂土-混凝土接觸面力學特性

圖2給出了3種注漿量下，法向應力100 kPa對應的3種不同注漿壓力和未注漿下得到的砂土-混凝土接觸面剪切應力-剪切位移關系曲線.可以看出：同一法向應力和注漿量下，不同注漿壓力對接觸面力學特性的改善效果隨著注漿壓力的增大而增大；注漿壓力為500和600 kPa對應的接觸面剪切應力-剪切位移曲線差異很小，例如，注漿量為200 mL時對應的接觸面峰值剪切應力分別為77.99和79.83 kPa，注漿量300 mL時分別為80.82和82.70 kPa，注漿量400 mL時分別為82.94和85.88 kPa，說明在這兩種注漿壓力下后注漿漿液對接觸面峰值剪切應力的提高差異不大；而當注漿壓力為700 kPa時，3種注漿量對應的接觸面峰值剪切應力分別為88.95，95.88和98.67 kPa，相較于注漿壓力為500和600 kPa的情況，其對接觸面力學特性的改善效果發(fā)生明顯變化，因此，在實際注漿過程中注漿壓力的選擇對注漿效果有很顯著的影響.但這并不意味著能夠憑借不斷增加注漿壓力來改善接觸面力學特性，應當綜合考慮實際土體荷載工況、預期改善效果、經(jīng)濟等因素確定一最優(yōu)注漿壓力，這將在另外一項研究中進行闡述.

圖2 法向應力100 kPa下不同注漿壓力接觸面剪切應力-剪切位移關系

上述現(xiàn)象所產(chǎn)生的原因，可能是在本試驗中當法向應力為100 kPa時，漿液對土體的作用主要以壓密注漿為主，當注漿壓力較小時，對接觸面土體密實程度的改變較小，隨著注漿壓力的增大，漿液對土體密實程度改變也越來越大，因此，接觸面力學特性的改善效果隨著注漿壓力的增大而增大；接觸面土體所受的法向應力為100 kPa時，接觸面土體密實度較低法向應力固結(jié)下的土體高，在較低的注漿壓力下漿液將不易滲透進入土體中或者滲透形成的漿-土混合體比例也較低，當注漿壓力增大時，漿液能夠借助較高的注漿壓力進入土體中從而形成更多的漿-土混合體，因此，當注漿壓力達到一定值時，其對接觸面力學特性的改善效果可能會發(fā)生明顯變化.

2.3 不同法向應力下砂土-混凝土接觸面力學特性

圖3給出了未注漿和注漿壓力500 kPa時，不同法向應力下的接觸面剪切應力-剪切位移關系曲線.

圖3 注漿壓力500 kPa下不同法向應力下接觸面剪切應力-剪切位移關系

由圖3可以看出：無論注漿還是未注漿接觸面，曲線初始段斜率隨著法向應力的增大而增大，表明砂土-混凝土接觸面初始剪切模量隨著法向應力的增大而增大，這與接觸面土體密實度隨著法向應力的增大而增大有關；接觸面峰值剪切應力與法向應力之間關系曲線如圖4所示，可以看出，無論是注漿還是未注漿接觸面，其峰值剪切應力均隨著法向應力的增大而增大且近似呈線性關系，遵循摩爾-庫倫準則：

τp=σn·tanδ+ca.

(1)

式中：ca和δ分別為接觸面等效黏聚力和等效內(nèi)摩擦角，τp和σn分別為峰值剪切應力和法向應力.

圖4 注漿壓力500 kPa下接觸面峰值剪切應力-法向應力擬合曲線

2.4 抗剪強度指標分析

從圖4的摩爾-庫倫線性擬合曲線可以得到接觸面等效黏聚力和等效內(nèi)摩擦角值，如表2所示.可以看出，與未注漿接觸面相比，后注漿接觸面的等效黏聚力得到明顯提高，從本文試驗可以得到其提高范圍在4～7倍；接觸面等效黏聚力隨著注漿量的增大而增大，但增大幅度逐漸減??；而接觸面等效內(nèi)摩擦角隨著注漿量的變化近似在28°～32°，其值比未注漿情況下接觸面等效內(nèi)摩擦角(33.6°)略小，細微變化可根據(jù)Chen等[23]的研究進行解釋.Chen等研究發(fā)現(xiàn)，土與混凝土剪切破壞面的位置隨著法向壓力和接觸面粗糙程度的不同，主要可分為3種，即混凝土表面、土與混凝土界面和土體內(nèi)部剪切破壞，3種不同剪切破壞面形式導致接觸面等效內(nèi)摩擦角隨著不同接觸面粗糙度而產(chǎn)生波動.對于本文試驗來說，隨著漿液的注入，接觸面由原先未注漿情況下砂-混凝土接觸面剪切形式向砂-注漿體-混凝土的接觸面剪切形式轉(zhuǎn)變，注漿量的增大導致接觸面附近漿體厚度改變，而漿體厚度的變化亦可視為接觸面粗糙度的改變，從而導致注漿接觸面等效內(nèi)摩擦角的細微變化.

表2 接觸面等效黏聚力和等效內(nèi)摩擦角

上述現(xiàn)象說明漿液主要通過顯著提高砂土-混凝土接觸面的等效黏聚力進而改善接觸面力學特性，對接觸面等效內(nèi)摩擦角的改變不是很明顯，在沒有相關試驗測試情況下可近似認為與未注漿接觸面等效內(nèi)摩擦角一致.

表3，4給出了注漿接觸面與未注漿接觸面峰值剪切應力比值，該比值可作為不同注漿工況和荷載工況下砂土-混凝土接觸面抗剪強度增強系數(shù).從表3可以看出，強度增強系數(shù)介于1.1～2.0，與建筑樁基技術規(guī)范[24]給定的粉砂土后注漿側(cè)摩阻力增強系數(shù)建議值1.6～2.0基本接近.通過本文的試驗成果分析可以發(fā)現(xiàn)，后注漿增強系數(shù)與接觸面上覆法向應力、注漿量和注漿壓力均相關，并且隨著注漿量和注漿壓力的增大，增強系數(shù)逐漸增大，但隨著法向應力的增大，增強系數(shù)逐漸減小.因此，在實際工程中，對于后注漿增強系數(shù)的取值，在同一注漿量和注漿壓力下，埋深較大位置處，增強系數(shù)宜取小值.

表3 注漿壓力500 kPa下后注漿側(cè)阻力增強系數(shù)

表4 法向應力100 kPa下后注漿側(cè)阻力增強系數(shù)

2.5 剪脹性分析

為了分析不同注漿工況和法向應力下砂土-混凝土接觸面剪脹(縮)性，圖5給出了注漿壓力500 kPa不同法向應力和注漿量下接觸面法向位移-剪切位移關系曲線.

圖5 注漿壓力500 kPa不同法向應力下接觸面法向位移-剪切位移關系

圖6給出了砂土-混凝土接觸面最大剪脹(縮)量隨不同注漿量和不同注漿壓力的變化曲線.本文約定接觸面土體發(fā)生剪脹時法向位移值為負，剪縮為正，并將接觸面剪切時對應的法向位移值變化量定義為接觸面剪脹(縮)量.從圖5和圖6(a)可以看出：未注漿工況在4種法向應力條件下接觸面均從剪切開始即發(fā)生剪縮，法向位移隨著剪切位移的增加逐漸趨于平穩(wěn)，接觸面最大剪縮量隨著法向應力的增大而增大；對于后注漿砂土-混凝土接觸面，同一注漿工況下，當法向應力較低時(σn<75 kPa)，接觸面均以剪脹為主并且最大剪脹量隨著法向應力的增大而減??；當法向應力為100 kPa，注漿量較低時(小于300 mL)，接觸面則從剪切開始即發(fā)生剪縮，無剪脹出現(xiàn)，最大剪縮量隨著注漿量的增大而減小，注漿量較高時(400 mL)，隨著剪切位移的增加，接觸面逐漸由剪縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘?，并基本以剪脹為主；無論法向應力大小，接觸面最大剪脹量均隨著注漿量的增加而增大.

圖6 接觸面最大剪脹(縮)量與不同注漿工況關系

從圖6(b)可以看出：在法向應力100 kPa下，當注漿量較低時(200 mL)，與未注漿接觸面類似，不同注漿壓力下接觸面只發(fā)生剪縮，并且最大剪縮量隨著注漿壓力的增大逐漸減?。浑S著注漿量的增大，接觸面由剪縮逐漸轉(zhuǎn)向為剪脹，不同注漿壓力下的接觸面最大剪縮量差異不大，基本趨近零，而最大剪脹量則隨著注漿壓力的增大而逐漸增大.

上述現(xiàn)象可從能量角度進行解釋.接觸面發(fā)生剪脹可以認為是砂土-混凝土接觸面剪切過程中產(chǎn)生的摩擦勢能突破上部法向應力的束縛而產(chǎn)生能量釋放的過程[25-27]，接觸面發(fā)生剪縮可以認為在剪切過程中接觸面土體在法向應力作用下密實度增大能量累計的固結(jié)過程[25-26].根據(jù)前述，在注漿過程中，漿液通過滲透進入土體中形成漿-土混合體，以及在注漿壓力的作用下壓密土體，從而能夠增大接觸面處土體的密實度和強度.對于后注漿砂土-混凝土接觸面，注漿量和注漿壓力越大，接觸面處土體密實度越大，強度越高，接觸面處土體積累的能量也越多，因此，在剪切過程中，當發(fā)生剪脹時，接觸面用于突破剪切法向應力束縛的能量越高，故而接觸面最大剪脹量均隨著注漿壓力和注漿量的增大而增大；而當接觸面發(fā)生剪縮時，接觸面處土體在注漿壓力的壓密和漿液的滲透共同作用下密實度已經(jīng)達到一定程度，由于土體變形的非線性特性，剪切過程中接觸面土體在法向應力作用下進一步壓密的效果將會弱化，并且這種弱化性隨著注漿壓力和注漿量的增大更加明顯，因此，接觸面最大剪縮量隨著注漿壓力和注漿量的增大而減?。粡奈醋{接觸面法向位移-剪切位移曲線可以看出，在100 kPa法向應力下的接觸面最大剪縮量遠大于其他3種法向應力下的最大剪縮量，即砂土-混凝土接觸面剪切過程中在100 kPa法向應力作用下產(chǎn)生的剪縮性遠大于其他3種法向應力作用下，因此，對于后注漿接觸面，即使在漿液作用下接觸面土體密實度已得到提高，接觸面在法向應力為100 kPa作用下發(fā)生剪切時，接觸面土體依舊以剪縮為主，而在其他3種法向應力下的后注漿接觸面土體則已由未注漿下的剪縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘?

3 結(jié)論與建議

1)后注漿能明顯改善砂土-混凝土接觸面強度和初始剪切模量，在注漿壓力和法向應力一定的情況下，后注漿砂土-混凝土接觸面峰值剪切應力隨著注漿量的增大而增大，但隨著法向應力的增大，增加注漿量對接觸面力學特性的改善效果逐漸減弱.

2)在注漿量和法向應力一定的情況下，接觸面峰值剪切應力同樣隨著注漿壓力的增大而增大，但在注漿壓力較低時，峰值剪切應力變化不大，當注漿壓力達到一定值時，對接觸面峰值剪切應力提高效果較為明顯.

3)不同注漿和荷載工況下接觸面抗剪強度增強系數(shù)介于1.1～2.0，其值隨著注漿量和注漿壓力的增大而增大，但隨著法向應力的增大而減小，在實際注漿工程中，對于同一注漿量和注漿壓力下，在埋深較大位置處，增強系數(shù)宜取小值.

4)漿液主要通過提高砂土-混凝土接觸面的等效黏聚力進而改善接觸面力學特性，對接觸面等效內(nèi)摩擦角的改變不是很明顯，可近似認為與未注漿接觸面等效內(nèi)摩擦角一致.

5)接觸面在未注漿工況下均發(fā)生剪縮，且最大剪縮量隨著法向應力的增大而增大；而后注漿能夠轉(zhuǎn)變較低法向應力下的接觸面剪脹(縮)性，接觸面最大剪脹量均隨著注漿壓力和注漿量的增大而增大，而最大剪縮量則隨著注漿壓力和注漿量的增大而減小.

6)后注漿漿液能夠通過滲透和壓密注漿模式改變土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學特性，不同的注漿模式以及轉(zhuǎn)變規(guī)律均與注漿壓力、注漿量大小以及土體本身荷載工況相關.