基于有限元的樁端后注漿單樁注漿量研究

戴憶帆

(福建省二建建設集團有限公司 福建福州 350003)

引 言

樁端后注漿是指鉆孔灌注樁在成樁后，由預埋的注漿通道用高壓注漿泵將一定壓力的水泥漿壓入樁端土層和樁側土層，通過漿液對樁端沉渣和樁端持力層及樁周泥皮起到滲透、填充、壓密、劈裂、固結等作用來增強樁端土和樁側土的強度，從而達到提高樁基極限承載力、減少群樁沉降量的一項技術措施。

由于樁端后注漿的復雜性和隱蔽性，使得樁底沉渣情況、樁端持力層情況及漿液的擴散方式難以得知，這導致目前樁端后注漿的承載力及注漿參數(注漿量、注漿壓力)的設計大多只能依靠工程經驗。本文采用有限元方法，對樁端后注漿的單樁注漿量及其他參數進行研究，通過對大量工程實踐統計數據進行分析的基礎上，提出了樁端后注漿量的經驗設計值。

1 樁端后注漿樁的有限元分析

1.1 基本假定與計算參數

本文利用有限元分析軟件ABAQUS，并結合工程經驗對樁端后注漿樁進行建模分析。在建模和計算過程中，采用了以下假定:

(1)由于模型為軸對稱體，外荷載也是軸對稱，所以可進行軸對稱分析，樁體與土體都采用四節點軸對稱線性減縮積分單元CAX4R單元模擬。

(2)材料的本構模型:樁身及注漿體為線彈性材料，樁周土及樁底土為彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則。

(3)樁土界面的接觸定義為庫倫摩擦，摩擦系數取0.3。

(4)漿液的擴散半徑以內，注漿土的強度取決于水泥摻量，其值通過室內試驗確定[1]，材料參數取值見表1，其中樁側土的計算參數參照粘土取值，樁端土的計算參數參照礫砂取值。

(5)忽略注漿對擴散半徑以外土體的壓密效應。

(6)為了滿足邊界條件，取水平方向寬度25倍樁徑，豎直方向長度2.5倍樁長作為分析區域。

表1 有限元分析材料參數

1.2 計算模型

在計算中，取樁長為20m，樁徑為1000mm，入持力層深度為4m，其中樁端注漿產生的注漿體為以樁底為球心的球體。注漿樁和未注漿樁的有限元網格劃分分別見(圖1、圖2)。

1.3 樁端注漿對樁承載力的影響

為了研究樁端注漿對樁承載力的影響，分別對未注漿樁和注漿樁進行有限元計算，其中注漿樁漿液擴散半徑為1.47m，注漿量為2.793噸(水泥摻量10%)，不同荷載下兩樁的Q-s曲線如(圖3)所示。從(圖3)中可以看出，通過樁端后注漿，灌注樁的單樁承載力得到顯著的提高。取40mm樁頂位移對應的荷載進行比較，若不考慮樁身強度的影響，未注漿樁的樁頂荷載為 8700kN，注漿樁的樁頂荷載為19100kN，比相同直徑的未注漿樁提高了120%。考慮到樁身強度的影響，取20mm樁頂位移對應的荷載進行比較，未注漿樁的樁頂荷載為5300kN，注漿樁的樁頂荷載為12000kN，比相同直徑的未注漿樁提高了126%。

圖1 未注漿樁有限元網格圖

(圖4)給出了8000kN樁頂荷載的作用下，未注漿樁和注漿樁的樁周土體豎向位移等值線圖。

從(圖4)中可以看出，在相同的樁頂荷載作用下，注漿樁的沉降遠小于未注漿樁。同時還可以看出，注漿樁樁側土體豎向位移的影響范圍小于未注漿樁，而注漿樁樁端土體豎向位移的影響范圍大于未注漿樁，這說明注漿樁通過加固樁端土體，能更好的發揮樁端持力層的承載能力。

1.4 注漿量對樁承載力的影響

圖2 注漿樁有限元網格圖

圖3 未注漿樁與注漿樁Q－s曲線

圖4 8000kN樁頂荷載下樁周土體豎向位移等值線圖

圖5 注漿量對單樁承載力的影響曲線

圖6 漿液分布對樁承載力的影響曲線

在樁底持力層可注性一定的條件下，注漿量的增大意味著漿液擴散半徑的增大。為了研究注漿量對樁承載力的影響，分別對注漿量為 0.11t、0.70t、2.79t、3.53t、4.71t、7.03t 的注漿樁進行有限元計算，其中注漿體的水泥摻量為10%，即對應的擴散半徑分別為0.5m、0.93m、1.47m、1.59m、1.75m 和 2m，不同注漿量下40mm樁頂位移對應的單樁承載力如(圖5)所示。

從(圖5)中可以看出，隨著樁底注漿量的增加，單樁承載力隨之增大，但其增大幅度逐漸變小。當注漿量處于3噸以下時，平均每噸水泥能提高3917kN的單樁承載力，當注漿量處于3-7噸之間時，平均每噸水泥只能提高1135kN的承載力，即隨著注漿量的增大，樁端注漿的收益不斷遞減。

1.5 樁底漿液分布對樁承載力的影響

在注漿量一定的條件下，樁底漿液的分布也會影響注漿樁的承載力。為此，在注漿量為7噸水泥條件下，分別對擴散半徑為2m(10%水泥摻量)、1.75m(15%水泥摻量)、1.59m(20%水泥摻量)、1.47m(25%水泥摻量)、0.93m(壓密注漿，注漿體為純水泥土)的5根樁進行有限元計算，計算結果如圖6所示，此處為了消除彈、彈塑性假定的影響，將持力層和注漿體都視為彈性體。從(圖6)中可以看出，在注漿量一定的條件下，當擴散半徑小于1.59m時，注漿樁的承載力隨擴散半徑的增大而增大，當擴散半徑大于1.59m時，注漿樁的承載力隨擴散半徑的增大而減小。這是因為過小的擴散半徑無法充分加固樁端受力區域，而過大的擴散半徑使漿液流出樁端受力區域，做無效擴散，因此實際工程中必須根據注漿量對漿液的擴散半徑做控制。

2 合理注漿量的選擇

樁底后注漿參數設計中，注漿量是主控因素，應根據樁端持力層的厚度、擴散性、滲透性、樁承載力的提高要求、樁徑大小、樁端沉渣的控制程度等來確定單樁注漿量。在實際工程中，建議通過試注試驗來確定。

以福州某辦公樓為例，該辦公樓采用鉆孔灌注樁，樁徑700mm，樁長41m，間距2.35m，樁身采用C25混凝土，持力層為含砂和粘土的卵石層，場地內地基土的物理學性質見(表2)，地層剖面及各層厚度如(圖7)所示。

圖7 地層綜合柱狀圖

表2 地基土物理力學性質指標

為了確定合適的注漿量，選取四根注漿量為400 kg、700kg、1000 kg 、1200 kg 的試樁分別進行現場靜載試驗以及有限元計算以確定單樁承載力，統一選取20mm樁頂位移對應的單樁承載力做比較，結果如(圖8)所示。

表3 實例計算材料參數

從(圖8)中可以看出，隨著注漿量的增大，單樁承載力隨之增大，但是當注漿量大于1000kg時，曲線趨于平緩，說明注漿量對單樁承載力的影響逐漸變小。有限元計算結果與靜載試驗結果吻合較好，但是在注漿量較小時，有限元計算所得的承載力偏大，這是由于有限元分析中沒有考慮樁端沉渣和樁側泥皮的影響，使計算結果偏大。同時，注漿量大于1000kg時，單樁承載力滿足設計要求的6500kN，因此該工程可以選用1000-1200kg水泥作為注漿量。

圖8 福州某辦公樓實測注漿量對單樁承載力的影響曲線

為了得到樁端后注漿樁的合理注漿量，筆者收集并總結了福建省30多個工地注漿實踐，所得的單樁注入水泥量設計值如(表4)所示。

表4 一般礫石地層注漿水泥量的設計經驗數據表(單位:水泥量kg)

3 結論

本文采用有限元分析軟件對樁端后注漿單樁注漿量進行了較為系統的計算與分析，結果表明:

(1)樁端后注漿樁通過加固樁底區域，能更好的將樁頂荷載傳遞到樁端土層中，從而顯著提高灌注樁的承載力;

(2)在樁底持力層可注性一定的條件下，單樁承載力隨注漿量的增大而增大，但隨著注漿量的增大，樁端注漿的收益不斷遞減;

(3)在注漿量一定的條件下，存在著一個最優漿液擴散半徑，在此擴散半徑下單樁承載力達到最大值;過小的擴散半徑無法充分加固樁端受力區域;過大的擴散半徑使漿液流出樁端受力區域，做無效擴散。因此，實際工程中必須根據注漿量對漿液的擴散半徑加以控制。

以福州某辦公樓為分析對象，分別進行有限元計算和靜載試驗，有限元計算和靜載試驗結果吻合較好。這說明有限元計算能可用于對注漿樁的承載力進行估算，且本文的相關有限元模型的選取和參數的設計是合理的，可為類似的分析提供參考。

根據福建省30多個工地的注漿實踐，得到了不同土層中單樁注入水泥量的經驗值。

[1]張忠苗.灌注樁后注漿技術及工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社，2009.

[2]張忠苗，辛公鋒.不同持力層鉆孔樁樁底后注漿應用效果分析[J]. 建筑結構學報，2002，23(6):85-94.

[3]吳鵬，龔維明，梁書亭.用三維有限元法對超長單樁樁端承載力的研究[J]，巖土力學，2006，27(10):1795-1799.