張 鑫,林東明，李少和

(1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，浙江 紹興 312000)

鉆孔灌注樁以其深度易于控制、現(xiàn)場(chǎng)制作鋼筋籠以及承載力大、適合各種地層等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到廣泛應(yīng)用,但是任何一種樁型都有其優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也存在一些缺陷。比如,鉆孔灌注樁由于在施工中使用泥漿護(hù)壁而導(dǎo)致出現(xiàn)泥皮效應(yīng),樁底由于清孔不完全而存在沉渣,這些問(wèn)題都會(huì)引起鉆孔灌注樁承載力達(dá)不到預(yù)期效果,沉降量偏大等問(wèn)題。因此,工程中在樁端和樁側(cè)注入水泥漿液來(lái)克服上述問(wèn)題[1]。但是,由于該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較短,2008年樁基規(guī)范[2]第一次將樁端注漿和樁側(cè)注漿編入規(guī)范,因而在實(shí)際工程中還存在一系列問(wèn)題,比如注漿段增強(qiáng)系數(shù)的選取,漿液擴(kuò)散半徑以及承載性狀的研究等。在承載力研究方面,龔維明等[3]對(duì)試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn),研究樁底壓注漿灌注樁在各種地質(zhì)條件下的工作機(jī)理,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)樁基靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,確定了壓力注漿樁基的承載力較未壓漿樁基提高的具體區(qū)域范圍。何文安[4]基于實(shí)際工程,采用雙曲線(xiàn)模型荷載傳遞的方法對(duì)樁端后壓漿樁基的受力情況進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)樁端后壓漿樁荷載傳遞規(guī)律受多種因素的影響,并對(duì)主要因素進(jìn)行了詳細(xì)分析；馮定波[5]詳細(xì)分析了樁端后壓漿對(duì)提高樁端承載力和樁側(cè)阻力的影響,發(fā)現(xiàn)樁端后壓注漿能夠改善灌注樁荷載傳遞性能,提高灌注樁的承載力。而這些研究都沒(méi)有考慮到樁端土的級(jí)配不同,注入水泥漿的多少對(duì)漿泡強(qiáng)度的影響以及樁端進(jìn)入透水性較大的圓礫中深度不同而導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。本文將在分析載荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與ANSYS有限元進(jìn)行分析。

1 兩個(gè)地區(qū)樁的載荷試驗(yàn)

1.1 工程實(shí)例一

1.1.1 工程地質(zhì)條件

浙江紹興某小區(qū)二期G-31地塊屬杭州灣南岸蕭紹平原地貌,地基土屬蕭紹平原海灣—河流(陸)相沉積物。

1.1.2 試樁參數(shù)的確定及施工情況

該場(chǎng)地試樁1根,采用鉆孔灌注樁加樁端后注漿。樁徑1 000 mm,樁長(zhǎng)為48 m,以⑧-3b層作為樁基持力層；樁身混凝土強(qiáng)度為C40；注漿后31 d進(jìn)行破壞性載荷試驗(yàn),試驗(yàn)采用慢速維持荷載法；滿(mǎn)足規(guī)范要求后終止試驗(yàn)。最終確定樁極限承載力為9 600 kN,單樁承載力特征值可達(dá)到4 800 kN。樁所在土層位置見(jiàn)圖1。

圖1 樁體所處土層位置示意

1.2 工程實(shí)例二

1.2.1 工程地質(zhì)條件

紹興市上虞區(qū)濱江新城某地塊,該場(chǎng)地地勢(shì)較平坦,屬杭州灣南岸蕭紹濱海平原地貌。

1.2.2 試樁參數(shù)的確定及施工情況

本次載荷試驗(yàn)基樁類(lèi)型為φ1 000 mm鉆孔灌注樁,樁身混凝土強(qiáng)度為C40；樁長(zhǎng)為50 m,進(jìn)行樁端后注漿,樁終止荷載為12 000 kN,對(duì)應(yīng)沉降量為28.68 mm,在測(cè)試過(guò)程中各級(jí)沉降穩(wěn)定、連續(xù)、無(wú)特變,其單樁承載力特征值不小于6 000 kN。樁所在土層位置見(jiàn)圖1。

從圖2和圖3樁端注漿后的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果看,工程實(shí)例一樁的承載力小于工程實(shí)例二。成樁環(huán)境相似,樁的直徑相同,但兩者樁端圓礫的級(jí)配不同,工程實(shí)例一的級(jí)配良好,工程實(shí)例二的級(jí)配不良；其次是樁進(jìn)入持力層的深度不同,工程實(shí)例一進(jìn)入持力層深度為2 m,而工程實(shí)例二進(jìn)入持力層的深度為10 m；最終導(dǎo)致樁端注漿后承載力有很大差異,出現(xiàn)承載差異是由漿泡模量及漿泡形成的形式?jīng)Q定的。

圖2 工程一靜載荷試驗(yàn)N-S曲線(xiàn)

圖3 工程二靜載荷試驗(yàn)N-S曲線(xiàn)

2 樁端水泥土的室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

靜載荷試驗(yàn)的兩個(gè)地區(qū),樁端土持力層均為圓礫,而土的顆粒級(jí)配不同。因此,分別取兩個(gè)地區(qū)的圓礫,制作成水泥土,進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析不同級(jí)配條件下水泥土的強(qiáng)度變化。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別在兩個(gè)場(chǎng)地取圓礫,水泥摻入量分別為10%、20%、25%、30%,齡期達(dá)到28 d后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用建材實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。土的級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 土的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果是：相同摻入量條件下,工程實(shí)例一 的土級(jí)配良好,但抗壓強(qiáng)度卻低于工程實(shí)例二級(jí)配相對(duì)不良的土?？箟航Y(jié)果見(jiàn)表1。由此可知,土的級(jí)配對(duì)水泥土的強(qiáng)度有一定的影響,主要是級(jí)配不良的土,孔隙較大,而水泥漿能夠進(jìn)入孔隙,將顆粒牢固粘接在一起；而級(jí)配良好的土,本身孔隙較小,需要的漿量不是很多。表1還說(shuō)明,在水泥摻入量較小的情況下,兩種土的強(qiáng)度沒(méi)有太大變化,但是當(dāng)水泥漿摻入量增加時(shí),強(qiáng)度發(fā)生明顯變化,這與分析中土的孔隙大小有很大關(guān)系。

表1 級(jí)配不同的水泥土抗壓強(qiáng)度

3 樁的有限元分析

3.1 ANSYS有限元模型的建立

模型的計(jì)算參數(shù),對(duì)于單樁,樁、土、漿泡均采用節(jié)點(diǎn) SOLID42 單元；模型大小取40.8 m×80.1 m。樁徑為1 000 mm,樁長(zhǎng)按與實(shí)際工程的載荷試驗(yàn)樁長(zhǎng)一致,取48.2 m。邊界條件為: 兩側(cè)邊均無(wú)水平位移,底邊完全固定。土的本構(gòu)模型采用 Drucker-Prager 模型。計(jì)算采用的各材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[6-7]。對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行影響作用分析時(shí),它的取值有所變化。有限元分析時(shí)的選定方案：1)為樁端持力層漿泡模量不變,而樁體進(jìn)入持力層深度與承載力的關(guān)系；2)樁的深度不變,樁端持力層漿泡模量變化對(duì)樁承載力的影響。

表2 有限元模型參數(shù)

3.2 ANSYS有限元結(jié)果的分析

本方案首先分析樁端持力層深度不同和土的級(jí)配不同情況下有限元的分析。根據(jù)前述不同級(jí)配的土和水泥配合后水泥土抗壓強(qiáng)度得出結(jié)論是,級(jí)配良好的土由于土體孔隙較小,土顆粒與土顆粒接觸的面積較大,水泥漿液進(jìn)入的較少,抗壓強(qiáng)度相對(duì)較?。欢?jí)配不良的土孔隙較大,漿液進(jìn)入土中時(shí)水泥漿液進(jìn)入的量較大,抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大。以此室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論設(shè)置漿泡的模量,一個(gè)是較小的模量，代表級(jí)配良好的土層,一個(gè)是較大的模量,代表級(jí)配不良的土層,通過(guò)有限元分析得出荷載和變形關(guān)系曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖5；圖6是分析樁端進(jìn)入持力層不同深度下的有限元分析后的變形云圖。工程一進(jìn)入持力層深度為2 m,工程二進(jìn)入持力層深度為10 m。

圖5 漿泡不同模量下變形分析云圖

圖6 樁端進(jìn)入持力層深度不同變形分析云圖

4 樁的承載力結(jié)果分析

上述分析的兩個(gè)工程地質(zhì)條件相似,樁長(zhǎng)和樁徑基本一樣,持力層同處于圓礫中,不同之處在于兩個(gè)工程實(shí)例的持力層的圓礫級(jí)配不同,以及樁端進(jìn)入持力層的深度不同,工程實(shí)例一樁端進(jìn)入持力層深度為2 m,工程實(shí)例二樁端進(jìn)入持力層深度為10 m,最后結(jié)果是載荷試驗(yàn)相差很大。筆者認(rèn)為,承載力的差異主要是與漿液和樁體周?chē)馏w形成的漿泡大小,或者說(shuō)注漿效果以及樁端水泥土的模量是有很大關(guān)系的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：樁端水泥土的模量與土的級(jí)配關(guān)系密切。

如圖7所示的是漿泡模量不同(土的級(jí)配不同,形成模量不同的漿泡)的情況在受到相同荷載作用下N-S曲線(xiàn)圖。通過(guò)該圖可知,樁端形成漿泡模量不同,則樁的承載力是模量大的高,模量小的低,但變化不是特別明顯。通過(guò)以往文獻(xiàn)可知[8]：如果漿泡模量一定,漿泡所在范圍越大,那么承載力越高。對(duì)于級(jí)配不良的圓礫,由于其孔隙比較大,在一定壓力下漿液滲入土中相對(duì)比較容易,擴(kuò)散的范圍也相對(duì)較大。因此,承載力比級(jí)配良好的土大。

圖7 樁端兩種級(jí)配土形成的漿泡N-S曲線(xiàn)

圖8中是樁端進(jìn)入持力層圓礫中不同深度形成的N-S曲線(xiàn),一根樁進(jìn)入持力層深度是2 m,一根樁進(jìn)入持力層深度為10 m,獲得圖中N-S曲線(xiàn)。通過(guò)曲線(xiàn)可知,樁體進(jìn)入持力層深度越深,樁的承載能力越大,主要的原因是樁端土層是圓礫,漿液很容易灌入土層,相應(yīng)的在一定壓力下漿液擴(kuò)散的距離也較遠(yuǎn)。而分析前述工程實(shí)例一和工程實(shí)例二中,兩者持力層上部都是黏性土,而漿液在黏性土中擴(kuò)散比較困難。因此,從注漿效果上來(lái)說(shuō),工程實(shí)例二的注漿效果比工程實(shí)例一的要好很多,因此也印證了兩個(gè)工程的靜載荷試驗(yàn),同樣的工程地質(zhì)條件下,工程實(shí)例二的承載力高于工程實(shí)例一的承載力。導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因還有：按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》中規(guī)定,樁端注漿過(guò)程中,一部分漿液會(huì)沿著樁的側(cè)壁向上爬升,一般對(duì)于鉆孔灌注樁而言,攀升的高度是6 m,但兩個(gè)工程的特點(diǎn)都是持力層上部有黏土層,而黏土具有滲透性差的特點(diǎn),漿液很難注入,在一定壓力情況下,漿液很難沿側(cè)壁向上爬升,更多的漿液將向持力層圓礫中滲透。由于樁端進(jìn)入持力層深度不同,工程實(shí)例二有很長(zhǎng)一段圓礫層,在一定注漿壓力作用下會(huì)向圓礫層中擴(kuò)散,沿樁體側(cè)壁爬升的高度也較高,而且形成漿泡的范圍從滲透的角度分析也會(huì)很大。因此,工程實(shí)例二的注漿效果好于工程實(shí)例一,相應(yīng)的承載力也很高。

圖8 樁端進(jìn)入持力層深度不同N-S曲線(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析,得到以下結(jié)論：

1)在室內(nèi)進(jìn)行摻入不同含量的水泥漿液試驗(yàn)并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試,實(shí)驗(yàn)得出兩種不同級(jí)配的圓礫模量是不同的,級(jí)配良好的圓礫模量較小,級(jí)配不良的圓礫模量較大。

2)由于兩個(gè)工程地質(zhì)條件相似,但樁端土的級(jí)配不同,并且工程實(shí)例一的樁端進(jìn)入持力層深度為2 m,工程實(shí)例二樁端進(jìn)入持力層深度為10 m,兩個(gè)工程持力層上部為黏性土。結(jié)果是：漿液在工程實(shí)例二級(jí)配不良的土中注漿效果比工程實(shí)例一的要好很多,樁的承載力也較大。

3)樁端注漿是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,影響注漿樁的承載力因素有很多,有土質(zhì)原因，也有樁端進(jìn)入持力層深度土位置不同而承載力不同。