0 引言

　　 随着城市不断发展,地上用地逐渐紧张,地下空间结构的开发和利用更加广泛。为了有效地抵抗地下水的浮力,通常在地下结构中设置抗拔桩。然而,由于部分地区的土质情况较为复杂、施工工艺不成熟等因素,导致抗拔桩的承载力不满足要求。近年来,许多专家学者针对如何提高抗拔桩承载力提出了多种方法。其中,对抗拔桩进行后注浆是一个较为常用的方法,且效果明显,应用前景广阔 ^[1]。

　　 后注浆是指在灌注桩成桩后通过桩身的注浆导管对桩侧或桩端进行注浆,改善接触面的特性,从而提高承载力。本工程通过对复杂地层下承载力不足的抗拔桩进行后注浆,证实了后注浆对于抗拔桩承载力有提高作用。

1 工程概况

　　 郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程施工第三标段位于郑州东站东广场核心区域,即七里河南路、商鼎路、莆田路和博学路之间的围合区域。项目为地下三层框架结构,其中地下一层为商业和下沉广场,地下二、三层为停车场。拟建区内抗浮水位为地下0.5m。地层结构主要由人工堆填土、压实填土、全新统冲洪积层以及上更新统冲洪积层组成,全新统地层结构主要为粉土、粉砂以及粉质黏土; 上更新统地层结构主要为粉土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂组成。具体土层参数见表1。

　　 在场地地表处,实际地质条件为流塑状的黑色土质,含水量较大,深挖后自动塌落,状如黑色淤泥。现场土质情况图见图1。

　　 各土层力学参数 表1

层号	地层 名称	厚度 /m	黏聚力 /kPa	内摩擦 角/°	承载力特 征值/kPa
①	杂填土	4.00	3.0	10.0	—
②	粉土	3.60	14.0	16.0	145
③	粉质黏土	1.40	18.0	6.5	100
④	粉土	3.30	14.0	16.0	150
⑤	粉质黏土	3.10	19.5	8.0	120
⑥	粉土	1.10	15.0	16.5	160
⑦	细砂	8.90	0	28.0	260
⑧	粉质黏土	1.60	22.0	10.0	250
⑨	细砂	2.30	0	28.0	270
⑩	粉质黏土	2.70	22.0	10.5	250
(11)	细砂	3.00	0	29.0	300
(12)	粉土	5.50	16.2	19.0	280
(13)	粉质黏土	4.50	24.0	12.5	300
(14)	粉质黏土	3.00	24.5	14.0	310
(15)	粉质黏土	2.20	25.4	14.5	300

 

　　  

　　 图1 现场土质情况  

　　  

　　 场地内工程试桩施工工艺为回旋钻钻孔灌注桩,混凝土强度等级为C50。试桩检测内容为单桩抗拔承载力和桩身完整性检测。试桩中承载力不满足设计要求的桩汇总见表2。

　　 由于土层中含有部分较软的粉质黏土和松散的细砂层,为了防止成孔过程中孔壁坍塌,保持孔壁稳定,要进行泥浆护壁。泥浆颗粒吸附于孔壁形成泥皮,由于土层性质以及成孔机械为回旋钻机,采用泥浆循环成孔方式,导致泥皮过厚,桩侧摩阻力显著降低,桩抗拔承载力降低。

　　 又由表2的桩身完整性检测结果可知,承载力不满足要求的基桩20-D1-1桩底存在明显缺陷,应是由于土层性质或成桩过程中清孔工艺不到位造成桩底存在一定厚度的沉渣,导致桩端土对抗拔桩的锚固力极大地降低,桩端阻力很小。

　　 为了改善桩侧泥皮和加固桩底沉渣,本工程采用桩端桩侧复式后注浆工艺,以降低泥皮和沉渣对桩侧摩阻力和端阻力的影响,提高单桩抗拔承载力。

　　 承载力不满足设计要求基桩汇总 表2

桩号	桩长 /m	桩顶 高程/m	桩径 /m	抗拔承载力/kN		完整性判定
				设计值	检测值
50-M-K3	36.0	67.15	0.8	4 000	2 400	距桩头60cm处存在明显缺陷
11-E1-5	42.88	77.15	0.8	4 600	2 760	距桩头0～0.5m存在明显缺陷
20-D1-1	42.88	77.15	0.8	4 600	2 760	距桩头0～0.5m及38.5～42.88m均存在明显缺陷

 

　　  

2 后注浆试验

2.1 后注浆加固机理分析

　　 本试验后注浆为桩端及桩侧复合后注浆。桩端后注浆是在钻孔灌注桩成桩后,通过预埋在桩身的注浆管,利用压力作用,经桩端的预留压力注浆装置均匀地向桩端土层注入浆液。浆液通过渗透、挤密、充填及固结作用,使桩端沉渣得到加固,并形成扩大头,提高桩端所受的握裹力,从而提高桩端阻力。同时当注浆压力提高时,注浆量不断增加,浆液沿桩土接触面向上“返浆”,在一定程度上减小泥皮带来的不良效应,使桩侧摩阻力得到提高,从而提高了抗拔承载能力。

　　 桩侧后注浆与桩端后注浆类似,通过桩身预埋的注浆管将浆液注入,浆液注入桩周一定范围的土体中,从而对桩周土进行加固,减小了泥皮对桩侧摩阻力的影响,提高单桩抗拔承载力 ^[2,3]。

2.2 后注浆施工工艺

　　 后注浆施工工艺流程:灌注桩成孔→钢筋笼制作→注浆管制作→灌注桩清孔→注浆管绑扎→下钢筋笼→灌注混凝土→灌注桩后压浆施工 ^[4]。

　　 图2 注浆面布置图  

　　  

　　 注浆采用环式注浆工艺,将注浆管沿桩周环向布置,通过不同标高多个环形注浆面实现整个桩身注浆。注浆时,浆液由纵向注浆管经环形管直接注入土层。由于每一个环形注浆面需对应一个注浆管与地面注浆装置连通,因此注浆面不宜设置过多,本试验设置三个注浆面。应通过加大注浆量提高注浆面的影响范围。

　　 注浆面布置见图2,桩侧面有6根直径32mm、壁厚3mm的钢管环形对称布置,注入浆液为水灰比0.55的P.O.42.5普通硅酸盐水泥。终止注浆压力:桩端为3MPa,桩侧为2MPa; 注浆流量为75L/min,单桩注浆量为4.3t。

2.3 后注浆试验结果

　　 为了更加直观地说明后注浆对抗拔桩抗拔承载力的提高作用,在注浆后30d时对注浆桩进行了单桩抗拔静载试验,将注浆桩与之前的未注浆桩根据桩所在的区域不同分为两组,试验结果见表3。从两组试桩中分别挑出一根未注浆桩和一根注浆桩,将两根桩的荷载-位移(U-δ)曲线进行对比,如图3、图4所示。

　　 单桩竖向抗拔静载荷试验结果 表3

分组	桩号	桩径 /m	桩长 /m	最大加载 荷载/kN	最大沉 降/mm	单桩抗拔极限 承载力/kN	备注
第 一 组	11-E1-5	0.8	42.88	3 220	89.87	2 760	未注浆
	20-D1-1	0.8	42.88	3 680	60.26	2 760	未注浆
	11-E1-1	0.8	42.88	4 600	4.24	4 600	后注浆
	20-D1-5	0.8	42.88	4 600	6.01	4 600	后注浆
第 二 组	43-D1-3	0.8	45.16	4 600	19.44	4 600	未注浆
	43-H1-3	0.8	45.65	4 600	12.95	4 600	未注浆
	50-D1-3	0.8	45.25	4 600	8.68	4 600	未注浆
	88-G1-4	0.8	46.35	4 600	5.27	4 600	后注浆
	90-C-1	0.8	46.55	4 600	5.16	4 600	后注浆

 

　　  

　　 图3 第一组未注浆桩与注浆桩U-δ曲线图 

　　  

　　 图4 第二组未注浆桩与注浆桩U-δ曲线图  

　　  

　　 由表3的试验结果可知,第一组后注浆桩相比未注浆桩的单桩抗拔极限承载力提高66.7%。总体来看,注浆后的各桩的最大沉降相比未注浆桩均有大幅度减小,且抗拔极限承载力均满足设计要求。由此可见,桩端桩侧复式后注浆工艺可以提高抗拔桩抗拔承载力。

3 后注浆结果分析

　　 根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008) ^[5](简称桩基规范)规定:单桩注浆量的设计应根据桩径、桩长、桩端桩侧土层性质、单桩承载力增幅及是否为复式注浆等因素确定,可按下式估算:

　　 Gc=αpd+αsnd         (1)Gc=αpd+αsnd         (1)

　　 式中:G_c为注浆量,以水泥质量计,t; α_p,α_s分别为桩端、桩侧注浆量经验系数,α_p=1.5～1.8,α_s=0.5～0.7,对于卵石、砾石、中粗砂取较高值; d为桩设计直径,m; n为桩侧注浆面数。

　　 对独立单桩、桩距大于6d的群桩和桩距小于6d的群桩中初始注浆的数根桩的注浆量应按上述估算值乘以1.2的系数 ^[5]。

　　 对于本工程后注浆试验来说,实际注浆以注浆量为主,但达到设计注浆量后,注浆压力并未达到3MPa。因此继续注浆,终止注浆时的实际注浆水泥量达到4.25～4.40t。

　　 由于对后注浆抗拔桩所进行的单桩抗拔静载试验并非破坏性试验,则后注浆抗拔桩的抗拔极限承载力还有一定的安全储备。因此,考虑经济因素,可以在抗拔桩抗拔极限承载力满足设计要求的前提下,将单桩实际注浆量在4.25～4.40t的基础上进一步减小。在终止注浆压力达不到3MPa的情况下,调整注浆安全系数保证注浆量满足要求。

　　 根据式(1),并结合桩端、桩侧注浆量经验系数和本工程实际地质情况进行如下计算:

　　 由于土层中含细砂,则式(1)中的桩端、桩侧注浆量经验系数取上限,即取桩端注浆量经验系数α_p=1.8、桩侧注浆量经验系数α_s=0.7; 根据图2的注浆面布置图可知,取桩侧注浆面数n=2、桩径d=0.8m,同时还要考虑充盈率修正系数1.2。考虑若按照设计注浆量来注浆,终止注浆压力达不到设计的3MPa,因此为使注浆量满足要求,将注浆安全系数提高至1.2。计算得G_c=(1.8×0.8×1.2+0.7×2×0.8×1.2)×1.2=3.6 864t≈3.7t。

　　 因此,根据桩基规范的注浆量经验公(式(1))计算,并结合实际地质条件,当终止注浆压力小于3MPa时,实际注浆量可减少至3.7t。之后对两根未注浆桩,按照单桩实际注浆量3.7t进行注浆,通过单桩抗拔静载试验测得该两根桩的单桩抗拔极限承载力依然满足4 600kN的设计要求。

　　 综上所述,考虑经济因素,并通过试验验证,桩基规范的注浆量可适当减小。

4 对未注浆桩和注浆桩桩侧摩阻力和端阻力的分析

　　 桩周第i层土平均侧摩阻力q_sik的测定是根据桩的荷载传递机理,在桩身的各土层分界面处安装钢筋应力计,在极限承载力作用下读取相应数值。

　　 由于钢筋应力计应变量与桩身混凝土应变量相等,可以根据实测钢筋轴力和对应的桩身弹性模量等来计算桩身轴力,公式如下:

　　 Qi=Ej⋅QsEsAs⋅Ai         (2)Qi=Ej⋅QsEsAs⋅Ai         (2)

　　 式中:Q_i为第i层土处桩身轴力,kN; Q_s为钢筋轴力,kN; E_j为j级荷载作用下的桩身弹性模量,kPa; E_s为钢筋的弹性模量,kPa; A_i为第i层土处桩身截面面积,m²; A_s为钢筋的截面面积,m²。

　　 根据各截面的桩身轴力可以计算桩周第i层土平均侧摩阻力q_sik,计算公式如下:

　　 qsik=(Qi−Qi+1)/Si         (3)qsik=(Qi-Qi+1)/Si         (3)

　　 式中:Q_i+1为第i+1层土处桩身轴力,kN; S_i为第i层土处桩的侧表面积,m²。

　　 未注浆桩与注浆桩桩周各土层平均极限侧摩阻力计算结果及地勘报告测得的各土层平均侧摩阻力汇总见表4。

　　 未注浆桩与注浆桩各土层平均极限侧摩阻力对比 表4

层号	地层名称	厚度 /m	平均极限侧摩阻力/kPa
			地勘报告值	未注浆桩计算值	注浆桩计算值
①	杂填土	4.00	20	9	15
②	粉土	3.60	40	19	27
③	粉质黏土	1.40	52	20	30
④	粉土	3.30	55	19	30
⑤	粉质黏土	3.10	55	20	30
⑥	粉土	1.10	58	20	30
⑦	细砂	8.90	62	22	35
⑧	粉质黏土	1.60	60	25	32
⑨	细砂	2.30	65	25	35
⑩	粉质黏土	2.70	80	25	35
(11)	细砂	3.00	65	25	35
(12)	粉土	5.50	62	20	30
(13)	粉质黏土	4.50	80	30	45
(14)	粉质黏土	3.00	85	30	50
(15)	粉质黏土	2.20	85	30	50

 

　　  

　　 单桩承载力特征值计算公式为 ^[5]:

　　 Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp         (4)Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp         (4)

　　 式中:Q_uk为单桩承载力特征值,kN; Q_sk为单桩侧摩阻力标准值,kN; Q_pk为单桩端阻力标准值,kN; u为桩身周长,m; l_i为桩穿越第i层土的厚度,m; q_pk为桩端单位面积阻力标准值,kN/m²; A_p为桩截面面积,m²。

　　 第一组试验桩中,未注浆桩实测单桩抗拔极限承载力为2 760kN,注浆桩为4 600kN。由式(3),(4)可算出桩端单位面积阻力标准值q_pk(位于(15)粉质黏土层):未注浆桩128kPa,注浆桩342kPa; 地勘报告给出的为300kPa。

　　 由表4数据可知,在桩侧泥皮存在的情况下,未注浆桩桩侧摩阻力计算值相比地勘报告测得的桩侧摩阻力减小,但经过后注浆后桩侧摩阻力实测值得到提高,具体减小及增强系数见表5。且未注浆桩桩端阻力为128kPa,注浆后桩端阻力提高至342kPa,桩端阻力大大提高。

　　 此外,由于注浆后抗拔桩的承载力并未到达极限,即注浆后抗拔桩的侧摩阻力并未到达极限,所以注浆后侧摩阻力增强系数尚有提高潜力。

　　 泥皮土侧摩阻力减小系数β₁及后注浆侧摩阻力增强系数β₂表5

土层名称	粉土	粉质黏土	细砂
β1	0.3～0.5	0.3～0.4	0.3～0.5
β2	1.4～1.6	1.4～1.5	1.4～1.6

 

　　  

5 后注浆抗拔桩有限元数值模拟

　　 为进一步验证后注浆对抗拔桩承载力的提高作用,运用有限元软件ABAQUS建立原桩土相互作用的有限元模型以及注浆后的桩土模型进行模拟分析。

5.1 模型参数选取

　　 土体选用Mohr-Coulomb弹塑性模型,各土层力学参数选取见表6。桩体和注浆加固体选用线弹性模型,桩体和注浆加固体的材料参数见表7。桩土、桩与加固区、加固区与土体之间的接触面均为面面接触,接触面参数见表8 ^[6,7]。

　　 各土层力学参数 表6

层号	地层名称	弹性 模量/MPa	泊松比	黏聚力 /kPa	内摩擦角 /°
②,④,⑥	粉土	20	0.25	14	16
③,⑤,⑧,⑩	粉质黏土	14	0.35	22	10
⑦,⑨,(11)	细砂	30	0.2	0	28
(12)	粉土	20	0.25	16	19
(13),(14),(15)	粉质黏土	26	0.25	25	14

 

　　 注:各参数的数值为同类土各地层参数的平均值。

　　  

　　 桩体和注浆加固体的材料参数 表7

名称	模型类型	重度/(kN/m3)	弹性模量/MPa	泊松比
桩体	线弹性	25.0	30 000	0.15
注浆加固体	线弹性	20.0	15 000	0.15

 

　　  

　　 接触面参数 表8

接触面类型	法向刚度Kn/kPa	切向刚度Ks/kPa	黏聚力/kPa
桩土接触面	2×105	2×105	120
桩与加固区接触面	2×105	2×105	160
加固区与土体接触面	2×105	2×105	80

 

　　  

　　 图5 原桩土模型与注浆后桩土模型位移及应力云图  

　　  

5.2 模型建立

　　 通过建立二维有限元桩土模型进行分析。设置桩侧注浆加固区厚度为10cm,桩端注浆加固区厚度为30cm。运用位移控制法对抗拔桩施加上拔荷载,控制桩顶最大位移为40mm,分15步施加上拔位移,以此模拟桩身上拔的过程。

　　 网格划分过程中,土体采用CPE4R单元划分,桩体采用CPS4R单元划分,注浆加固区采用CPS3单元划分。在模拟过程中,土体采用二维平面应变四节点实体单元进行模拟,桩体采用二维平面应力四节点实体单元进行模拟,注浆加固区采用二维平面应力三节点实体单元进行模拟。

5.3 模拟结果及分析

　　 原桩土模型的位移和应力云图及注浆后的桩土模型位移和应力云图见图5。

　　 在后处理过程中,将模拟的桩顶荷载及位移数据导出,并绘制未注浆桩及注浆桩的荷载-位移(Q-S)曲线,见图6 ^[8]。

　　 图6 未注浆桩与注浆桩Q-S曲线模拟   

　　  

　　 由图6的模拟结果可知,未注浆桩的抗拔极限承载力为2 500kN,后注浆桩的抗拔极限承载力为4 300kN,注浆桩比未注浆桩的抗拔极限承载力提高72%。模拟结果与试验情况基本相符,说明模型设置参数及所建立模型合理,计算结果可靠 ^[9,10]。

5.4 桩端注浆量对抗拔桩承载力的影响

　　 控制桩侧注浆区厚度10cm不变,通过改变桩端注浆区厚度来观察抗拔桩承载力的变化。将桩端注浆加固区的厚度由30cm分别改为50cm和70cm,并分别建立模型进行计算,绘制不同桩端加固区厚度的桩的荷载-位移曲线,见图7。

　　 图7 不同桩端注浆区厚度的桩Q-S曲线模拟   

　　  

　　 由图7的模拟结果可知,通过增大桩端注浆区厚度,抗拔桩承载力进一步提高。模拟结果与试验情况基本相符,说明模型及模拟结果合理。

6 结论

　　 通过对本工程承载力不足的抗拔桩进行后注浆,并对后注浆试验结果进行分析及对后注浆抗拔桩的有限元数值模拟分析,得出以下结论:

　　 (1)对承载力不足的抗拔桩进行桩端桩侧复式后注浆,可以使抗拔桩单桩抗拔极限承载力提高66.7%。注浆后抗拔桩的承载力均满足设计要求,且各桩的最大沉降均大幅度减小。

　　 (2)由对后注浆试验结果进行的分析可知,考虑经济因素,将注浆桩单桩实际注浆量由4.3t左右减少至3.7t后,注浆桩的抗拔承载力依然满足设计要求,说明通过试验验证,由桩基规范计算的注浆量可适当减小。

　　 (3)通过有限元模拟证实了后注浆对抗拔桩抗拔承载力的提高作用,且通过研究桩端注浆量对抗拔桩承载力的影响,说明增大桩端注浆区厚度、加强桩端注浆,抗拔桩的承载力将进一步提高。