0 引言

　　钻孔灌注桩是桥梁应用最广的桩基础形式，其承载性能与桩的几何尺寸、桩身强度、桩土间相互作用效应等因素有关。但大量工程实践和研究成果表明，由于施工质量不可控，在桩侧泥皮和桩端沉渣的影响下，桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥程度有限，造成桩基承载力大大降低，具有很大随机性和离散性^[1,2]。而桩端压浆能有效消除上述不利因素的影响，可提高桩基承载力，保证质量稳定性和可靠性^[1,2,3,4]。后压浆技术在工程领域已得到广泛应用，并取得良好的工程效益^[5,6]。当前桩端压浆的实施主要集中在建筑和公路工程中，在铁路桥桩中应用较少，而近年来随着高速铁路的快速发展，桥梁跨度越来越大，对桩承载力、沉降和质量稳定性的要求越来越高，因此从总体上看，后压浆在铁路桥桩中的应用仍有必要研究。

　　目前桩端压浆作用机理研究地层的多样性、复杂性影响，理论研究仍滞后于工程应用。刘念武等^[7]通过后注浆现场试验发现注浆后提高了一定高度的桩身侧阻力，对圆砾混卵层提高幅度达到18%，而且沉降量显著降低;李永辉等^[8]通过现场足尺试验实测郑州三环快速路的桩基得出桩端压浆有效处理桩端沉渣，形成水泥胶结体，提高了端承载性能;戴国亮等^[9,10]在台州湾大桥现场通过静载试验发现桩端压浆对土体有预压作用，使桩端阻力得以提前发挥;苏春辉等^[11,12]在京沪高速铁路桥梁桩基施工中得出后注浆起到减小基础两侧差异沉降和沉降稳定时间的作用;张伟等^[13]发现高速铁路岩溶地区桥梁桩基压浆后承载力提高约85%，沉降减小约57%。由此可见对超长大直径铁路桥桩后压浆技术的研究成果很少，且缺少浆液在土体中流动扩散加固的模式研究，因此高速铁路桩基后注浆研究具有重要的理论和实践意义，对提高桩基设计的可靠性和工程的投资效益有重大作用。本文基于甬江特大桥的超长大直径铁路桥桩基开展了自平衡静载试验，分析了压浆桩的荷载传递特性，并采用有限单元法深入研究了压浆后浆液运移扩散规律，明确浆液运移特性，为注浆工艺的选择提供依据。

　　1 现场试验研究

　　本文以宁波枢纽北环线甬江特大桥为例，主桥跨径为双线468m(钢-混凝土结合梁)，是一座大跨度铁路斜拉桥，该桩基工程采用超长超深大直径钻孔灌注桩和桩端压浆技术。为提高桩基承载力，完善施工工艺，优化质量控制标准，本次试验在直径为1.5m、桩长为85m的P10-6工程桩上采用自平衡法进行试验。

　　1.1 试验方法

　　自平衡法^[14]是将一种特制的加载设备即荷载箱与钢筋笼焊接为一体，埋入桩的指定位置后即可浇筑混凝土成桩。试验时，由高压油泵向荷载箱充油而加载，随着压力增加，桩侧摩阻力和端阻力随之发挥作用，如图1所示。荷载箱上部桩身的摩擦力与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡来维持加载，采用慢速维持荷载法，荷载加卸载方法按JT/T738—2009《基桩静载试验自平衡法》。本次对P10-6工程桩在压浆前后均进行加载测试，并根据Q(荷载)-s(位移)曲线及s(位移)-lgt(t为时间)曲线可求得桩的极限承载力。

　　1.2 压浆前后测试结果分析

　　根据自平衡静载测试得到的荷载箱向上及向下的荷载-位移关系曲线，可等效转换为桩顶位移-荷载关系曲线，如图2所示。根据测试结果，可得到压浆前P10-6极限承载力为18 111k N，允许值为9 056k N;压浆后P10-6极限承载力为29 065k N，允许值为14 532k N。这说明桩端压浆效果显著，可有效改善工程的不利影响，压浆后对桩基承载力有明显影响，提高幅度达60.5%，且增加了其承载力发挥的稳定性。

　　图1 自平衡法示意  

　　图2 压浆前后荷载-桩顶位移曲线  

　　对比压浆前后的离散型曲线，可发现压浆后的Q-s曲线更稳定，这表明浆液对桩端土层和桩侧下部土体起到渗透、压密、胶结、劈裂等作用，浆液在压力作用下不断向桩端持力层扩散，形成桩端扩大头，从而改善了桩端下部土体处薄弱层的工作性能，强度和刚度得到提高，从而桩基承载力有明显提升，进而桩基成桩质量的稳定性得到提高。

　　但加载初期，在相同的桩顶荷载下压浆后的位移略大于未压浆的位移，这表明压浆后对桩基荷载传递机理有明显影响，因此，为了深入研究浆液的加固机理、完善注浆工艺，有必要对浆液的运移进行分析。

　　2 浆液运移有限元分析

　　2.1 模型建立

　　根据工程实际数据，为了研究桩端压浆后浆液的扩散流动对土体参数的影响，对模型进行简化，进行如下假定:(1)桩体和土体看作是均质、各向同性的弹性体;(2)浆液视为不可压缩、均质、各向同性的牛顿流体，且渗流流速符合达西定律;(3)不考虑桩土界面物理厚度。

　　采用桩端注浆工艺，注浆口在桩底，采用定流量边界。采用流固耦合的控制方程和非对称求解器。建立轴对称计算模型，如图3所示。模型宽度与高度分别为10,30m，桩径2.0m，桩长20.0m。采用四结点轴对称单元，在桩端上、下5m范围内网格加密，模型单元数3 840，结点数3 969。

　　图3 有限元模型  

　　2.2 注浆全过程性状分析

　　计算参数为注浆流量0.004 5m³/s，桩及土体弹性模量分别为28GPa,400MPa，土体渗透系数为5.78×10^-5m/s，注浆时间为300s，根据有限元模拟结果，分析注浆过程中土体中场量变化。

　　2.2.1 孔压变化

　　不同时刻下模型内孔压分布云图如图4所示。孔压在一定程度上表征浆液在土体中的渗透能力，孔压越高，可认为水泥浆渗透越充分，固化后土体中水泥含量越大，加固性能越好，桩基承载力就越高。

　　图4 不同时间孔压变化云图  

　　由图4可知，开始注浆后孔压快速升高，10s内便已达到注浆结束后孔压终值的47%，此后孔压缓慢增加，这是由于离注浆口越近，水泥含量越高，越远水泥含量越小。这表明浆液以注浆口为中心，以近椭球状体向外扩张或形成球状浆泡挤密土体，不仅向桩端下渗透，还上返向桩侧土体渗透。对于不同方向孔压变化情况，桩端以下孔压梯度最大，流量最大，沿桩端平面水平向次之，桩侧方向变化最小。这是由于桩底沉渣的存在导致浆液侵入地层较深，在压力作用下，桩底扩散范围增大。

　　2.2.2 应力变化

　　由图5可知，随着注浆时间的增加，注浆压力逐渐增加，土体应力峰值由144.88k Pa增至6 985k Pa。注浆过程初期土体应力增加较快，后期增速变缓。10～100,100～300s 2个时间段，应力增加变化率分别为4.17,1.08k Pa/s。这是由于在10s刚开始注浆时浆液不断在端头累积，压密土体，随着浆液不断注入，土体开始劈裂，浆液开始充填裂缝，形成浆脉挤压土体，造成应力集中。后期由于土体加固程度的提高，应力增加变得相对缓慢。

　　图5 不同时间应力变化云图  

　　对比桩侧和桩端应力变化，可发现注浆初期，浆液的累积导致桩侧下部区域有较大应力集中，而当端部土体挤密，甚至开始劈裂，浆液流入充填后，桩侧应力逐渐减小，桩端应力明显上升，这说明注浆过程中浆液扩散阻力不同，桩侧泥皮相比于桩端土体的阻隔作用较弱，浆液扩散具有方向性，前期浆液在桩端沉渣中扩散，并劈破泥皮向桩侧微弱渗透，但由于桩端大量累积，桩端土体率先劈裂，从而浆液回流渗透，进一步提高桩端承载力，也改善了桩土界面泥皮层的工作性能。

　　2.2.3 位移变化

　　由图6可知，注浆过程中土体一直处于隆起状态，注浆结束时隆起量约为4cm，发生在模型右上角;这是由于注浆是一个双向预压过程，一方面产生自上而下的压力逐渐压密土体，但从图中很难看出下沉现象，这是由于本次模拟的注浆时间短暂，端部仍存在大量浆液和土颗粒的混合液，而浆液的固结是一个长期过程;另一方面，又有自下而上的压力，使桩身有少许抬起，产生桩身上抬位移，甚至下段桩身会有微弱的压缩产生，从而带动桩周土体有不均匀性隆起。这种位移变化体现了浆液运移扩散的方向性。

　　图6 不同时刻竖向位移变化云图  

　　2.2.4 土体特征点孔压变化

　　由图7可知，对于桩端以下土体，孔压随着注浆时间逐渐增大，压浆量越大，孔压就越大，但孔压梯度变化很小，同时孔压沿深度方向逐渐减小，这说明浆液存在合理的扩散范围，且对于不同地层和压浆工艺存在合理的压浆量，图中在距桩端6m时孔压趋于稳定，可推断浆液的扩散范围是桩端下6m内土体。

　　由图8可知，对于桩端面以上土体，孔压沿深度方向逐渐减小，0～2m孔压梯度大，这说明浆液前期存在2m左右上返，但又很快回落，所以桩端注浆更多地向桩底渗透。对比图7a和图7b，可看出注浆后桩端和下半段桩侧的孔压都有很大提升，这说明桩端压浆在端部产生较多裂隙以供浆液充填来加固土体，所以加固机理以压密充填土体为主。由图8可知，孔压最大值在注浆口(图中1m处)，沿水平径向孔压逐渐减小，且注浆过程中孔压梯度基本一致，在1m内急剧消散，并逐渐趋于稳定，可推断桩端扩大头的半径有1m左右。

　　3 浆液运移影响因素分析

　　3.1 渗透系数

　　由上面分析可得，在浆液工艺和压浆量相同的情况下，浆液运移与地层参数有很大关系，所以本文从渗透系数和弹性模量2个因素来分析。由图9可知，不同渗透系数下，孔压随渗透系数减小而增加，土体上抬量也随渗透系数减小而增大。当渗透系数由5.78×10^-4m/s减小为5.78×10^-6m/s时，孔压由232k Pa变为11.5MPa，上抬量逐渐增大。这说明在地层渗透系数越大，浆液扩散越容易，扩散范围越大，因此地层因素对浆液运移起决定性作用，如果仅靠改变注浆参数和工艺无法保证精准控制。只有根据地层参数才能准确预测浆液的扩散状态，制订科学的注浆方案。

　　图7 不同时刻桩端下与桩端面以上土体孔压变化  

　　图8 不同时刻沿桩端水平面孔压分布  

　　3.2 弹性模量

　　不同弹性模量下孔压与竖向位移变化云图如图10所示。由图可知，孔压随土体弹性模量减小而减小，土体隆起量随弹性模量减小而增大。当弹性模量由500MPa变化为50MPa时，注浆压力由2.25MPa变为1.3MPa，土体最大隆起量由约0.04m变为0.12m。这也说明随着土体弹性模量减小，浆液挤密效应越来越明显，桩体作用面积增大，桩周土体的抗剪强度提高，地层加固程度在稳步提高。

　　4 结语

　　1)基于自平衡测桩法试验，分析了桩基承载力情况，桩端压浆增强了土体的强度和刚度，大幅度提高了桩基承载力，对桩基荷载传递产生明显影响。

　　图9 不同渗透系数下孔压云图与竖向位移云图  

　　图1 0 不同弹性模量下孔压变化云图与竖向位移变化云图  

　　2)采用有限元分析方法对桩端压浆浆液运移进行了数值模拟，深入分析了浆液在土中运动的规律，表明浆液以近椭球状体向外扩张，注浆过程中，桩侧应力先增大后减小，桩端应力不断上升，同时注浆压力的双向性导致土体隆起，浆液扩散表现出明显的方向性。

　　3)针对影响浆液运动的不同因素进行了模拟分析，结果表明，地层参数对浆液扩散起决定性作用，渗透系数越大，弹性模量越小，浆液扩散越容易。只有根据地层参数的特性，制订科学的注浆方案，才能准确预测浆液的扩散状态，更好地提高桩基承载力。