巖溶區(qū)鐵路橋梁樁端和樁側(cè)聯(lián)合注漿樁承載特性研究

王志遠 WANG Zhi-yuan；李海濤 LI Hai-tao

（①山東省路橋集團有限公司，濟南 250014；②山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟南 250061）

0 引言

鉆孔灌注樁因其承載力高、沉降小、適用性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用至高層建筑、橋梁和高速鐵路的基礎(chǔ)中。然而，鉆孔灌注樁在施工中存在的樁側(cè)泥皮和樁底沉渣等問題將會削弱單樁的承載力。為提高鉆孔灌注樁的承載力，降低鉆孔灌注樁的沉降，開發(fā)了樁基后注漿技術(shù)。樁底后注漿技術(shù)可通過固化樁側(cè)泥皮和樁底沉渣達到提高樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的目的，大大提高樁的極限承載能力。目前，后注漿技術(shù)提高承載能力多體現(xiàn)在極限承載能力的估算方面，未能體現(xiàn)精確的計算，且數(shù)值計算方面不能體現(xiàn)上述相關(guān)特點。巖溶區(qū)后注漿樁的承載特性分析是后注漿樁設(shè)計計算中的重要部分。

目前對后注漿樁基承載特性的分析并未深入，大部分還是通過現(xiàn)場靜載試驗以及室內(nèi)模型試驗等方法進行研究。樁側(cè)和樁端后注漿技術(shù)的相互作用機理非常復(fù)雜，樁側(cè)和樁端相互作用機理尚不明確，增強作用未明確，其對樁的極限承載能力的貢獻還未弄明白。因此，工程上對巖溶區(qū)鐵路橋梁樁端和樁側(cè)聯(lián)合注漿樁承載特性研究還處于摸索階段，沒有明確的設(shè)計思路和明確的計算方法。亟待明確巖溶區(qū)鐵路橋梁樁端和樁側(cè)聯(lián)合注漿樁承載機理，獲得相關(guān)計算或分析方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元分析逐漸成為樁基設(shè)計計算中的常用方法，眾多學(xué)者[1-5]利用數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值軟件中分析后注漿抗拔樁的承載性能，并得到較滿意的結(jié)論。

1 有限元分析過程

1.1 模型的建立及模擬方案設(shè)計

為簡化計算，對模型做出如下假定：

①模型簡化為軸對稱問題，取軸對稱平面的一半進行分析；

②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；

③后注漿不考慮漿液的劈裂作用，只考慮漿液對土體的滲透。

樁定義為彈性材料，土體與注漿體定義為理想彈塑性材料，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。對于注漿加固體的參數(shù)選擇，根據(jù)張忠苗等[6，7]的研究表明，注漿加固體的變形模量E50=（25～140）fcu，本章取其彈性模量為150MPa，粘聚力為45kPa，內(nèi)摩擦角為35°。土層材料為細砂。模型材料參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

計算模型中，樁長L為20m，樁徑D為1m。土體計算范圍水平方向取10D，豎直方向取2L。注漿加固體在假定條件下可作簡化：樁側(cè)注漿加固體位于樁中段，所建模型見圖1。

圖1 模型示意圖

1.2 接觸及網(wǎng)格劃分

接觸面即為不同材料的分界面，不同材料的接觸定義是否準(zhǔn)確直接決定模擬結(jié)果收斂與否。后注漿樁的有限元模擬涉及到樁-土、樁-注漿加固體以及土-注漿加固體之間的接觸。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。

通過在相互作用模塊執(zhí)行【相互作用】/【屬性】/【創(chuàng)建】命令，在創(chuàng)建相互作用屬性對話框的類型區(qū)域選擇接觸選項，建立接觸名稱或接受默認(rèn)，單擊【繼續(xù)】。在彈出的編輯接觸屬性對話框執(zhí)行對話框的【力學(xué)】/【切向行為】命令，在編輯接觸屬性對話框下的切向行為區(qū)域中的【摩擦公式】列表里選擇用戶自定義，即用戶自定義接觸模型。

模型采用CAX4四結(jié)點雙線性軸對稱四邊形單元，為保證計算的收斂性，對樁-土、樁-注漿體以及土-注漿體接觸部分周圍的單元需要進行布種加密處理，組合后注漿樁模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 組合后注漿樁模型網(wǎng)格劃分

1.3 荷載和邊界條件

本次計算主要設(shè)置位移邊界條件，對于二維軸對稱模型，在其側(cè)面限制水平位移，底部限制其兩個方向的位移，頂部自由無任何約束。設(shè)置一系列的分級加載值，以獲得不同荷載水平條件下后注漿樁的沉降情況。第一級荷載為等效1000kN集中荷載，換算為樁頂截面與之對應(yīng)的均布荷載施加在樁頂，此后每級增加1000kN，分10級加載。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 注漿前后樁土位移場分析

以豎向荷載為5000kN時為例，未注漿樁與樁端樁側(cè)組合后注漿樁的樁土位移場，可得以下結(jié)論：

①后注漿樁的樁土位移云圖都呈漏斗狀，由于樁的加固作用集中在樁側(cè)附近，且越遠離樁側(cè)其加固作用越不明顯，所以越靠近樁，土體的沉降越大；

②同一荷載水平作用下，由于漿液對樁側(cè)土層或樁側(cè)泥皮的固化或膠結(jié)作用，未注漿樁的沉降要明顯大于注漿樁的沉降，即樁側(cè)和樁端水泥漿對土體的固化作用顯著，聯(lián)合注漿可以通過固化樁側(cè)泥皮或樁端沉渣等作用顯著提高樁的承載能力，減低樁端的沉降；

③后注漿樁的樁土位移云圖在注漿部位有明顯的凸起，并向外延伸，說明注漿可以帶動更大范圍的土體共同承擔(dān)上部荷載，抵抗變形。注漿可以發(fā)揮周圍更大范圍內(nèi)的土體承載荷載，顯著增大樁周承擔(dān)荷載的土體，且最大限度提高樁的承載能力；

④樁側(cè)后注漿技術(shù)可以固化樁側(cè)泥皮或樁端沉渣，達到提高樁側(cè)承載能力或樁端承載能力的目的，最終達到提高總體樁端承載能力、減少樁端和樁頂沉降的目的，最大限度的提高單樁的極限承載能力。總的來說，樁端和樁側(cè)聯(lián)合后注漿技術(shù)可以通過漿液固化樁側(cè)泥皮和樁底沉渣等作用提高樁側(cè)和樁端承載能力，同時聯(lián)合注漿技術(shù)可以封填樁側(cè)和樁孔間的孔隙，減少混凝土的干縮作用提高樁側(cè)承載能力，最大限度的提高樁側(cè)極限承載能力[8]。

2.2 注漿前后單樁荷載-沉降關(guān)系分析

未注漿樁與組合后注漿樁的荷載-沉降曲線見圖3～圖5。

圖3 未注漿樁荷載-沉降曲線

圖5 不同樁型的荷載-沉降曲線

圖4 組合后注漿樁荷載-沉降曲線

由圖3～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p-s曲線斜率更大，當(dāng)加載量為3000kN～4000kN時，未注漿樁的p-s曲線出現(xiàn)明顯拐點，可取4000kN為其極限承載力。后注漿樁在各級荷載作用下的沉降變化較緩，其極限承載力可取8000kN，樁端樁側(cè)組合后注漿技術(shù)對樁基極限承載能力的提升幅度可達100%。

2.3 不同注漿參數(shù)后注漿樁荷載-沉降關(guān)系分析

用不同注漿體尺寸模擬不同注漿參數(shù)，得到不同注漿參數(shù)條件下后注漿樁的荷載-沉降關(guān)系曲線見圖6。

圖6 不同注漿參數(shù)下組合后注漿樁p-s曲線

當(dāng)注漿加固體尺寸增大時，相同荷載作用下的樁頂沉降明顯減小。同時，樁端樁側(cè)組合后注漿樁極限承載力與注漿加固體的尺寸正相關(guān)，在初始注漿參數(shù)條件下，組合后注漿樁的極限承載力在8000kN左右，增大注漿參數(shù)后，其極限承載力可達10000kN以上。增大注漿參數(shù)（注漿體尺寸或注漿用量等），注漿效果越明顯，其注漿帶來的樁側(cè)和樁端承載能力的增強作用將會越明顯，且單樁的承載能力提升幅度將會越顯著。

3 結(jié)論

通過上述數(shù)值模擬研究，本文對樁側(cè)樁端后注漿樁的承載特性進行了分析，得到以下結(jié)論：

①樁側(cè)樁端組合后注漿樁通過漿液對土體的擠密壓實作用，改變土體位移趨勢，有效降低樁土位移。后注漿樁的樁土位移云圖都呈漏斗狀，由于樁的加固作用集中在樁側(cè)附近，且越遠離樁側(cè)其加固作用越不明顯，所以越靠近樁，土體的沉降越大。②樁端和樁側(cè)聯(lián)合后注漿技術(shù)可以通過漿液固化樁側(cè)泥皮和樁底沉渣等作用提高樁側(cè)和樁端承載能力，同時聯(lián)合注漿技術(shù)可以封填樁側(cè)和樁孔間的孔隙，減少混凝土的干縮作用提高樁側(cè)承載能力，最大限度的提高樁側(cè)極限承載能力。組合后注漿樁在各級荷載作用下沉降變化較緩，其極限承載力可達未注漿樁的兩倍。③后注漿樁的極限承載力隨著注漿體尺寸的增大而增大，二者呈正相關(guān)關(guān)系。