巖溶區橋梁工程后注漿樁承載特性研究

文/宋勁松、王作豐、王曉鳴、李海濤

1 前言

后注漿技術為地下隱蔽工程，對后注漿樁基承載特性的研究，大部分還是通過現場試驗以及模型試驗等方法。劉彥峰[1]等通過現場靜載試驗得出樁側注漿后，樁基承載和控制變形能力得到提升。錢建固等[2]基于大型接觸面剪切試驗建立了樁-土界面接觸模型。隨著計算機技術的發展，有限元分析成為樁基設計計算中的常用方法，黃吉龍等[3]采用數值模擬分析樁端后注漿樁的承載性能。本文將模擬樁側后注漿樁的樁土位移及荷載沉降，并分析其承載性能。

2 有限元分析過程

2.1 模型的建立及模擬方案設計

為簡化計算，對模型做出如下假定：

簡化為軸對稱模型；

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；

后注漿只考慮漿液對土體的滲透。

樁定義為彈性材料，土體與注漿定義為理想彈塑性材料，本構模型采用莫爾-庫倫模型。材料參數見表1。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。

表1 數值模擬材料參數

2.2 接觸定義

后注漿樁的有限元模擬涉及樁-土、樁-注漿加固體以及土-注漿加固體間的接觸。有限元軟件采用主-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[1]。

2.3 網格劃分

在數值模擬分析中，網格劃分的方式不同，其計算的進程以及結果的收斂性也不同。

未注漿樁和樁側后注漿樁網格化完成后的模型如圖1 所示。

圖1 網格劃分示意圖

2.4 荷載和邊界條件

對于二維軸對稱模型，需要在其側面限制水平位移以及在其底部限制兩個方向的位移。本次計算將樁頂集中荷載換算為樁頂截面與之對應的均布荷載，并設置一系列的分級加載值[2]，見表2。

表2 荷載分級

3 數值模擬結果分析

3.1 注漿前后樁土位移場分析

以豎向荷載為5000kN 時為例，未注漿樁和樁側后注漿樁在樁頂受豎向荷載作用時，樁土位移場分別如圖2（a）和圖2（b）所示，樁基通過注漿方式增強樁土間的相互作用，減小樁周土沉降，提高樁基承載能力。

圖2 位移云圖

3.2 注漿前后單樁荷載-沉降關系分析

以豎向荷載為5000kN 時為例，未注漿樁和樁側后注漿樁在樁頂受豎向荷載作用時，樁的受力變形特性如圖3 所示。

圖3 受力變形特性

未注漿樁和樁側后注漿樁的荷載-沉降曲線如圖4 和 圖5 所 示。

圖4 未注漿樁荷載-沉降曲線

圖5 樁側后注漿樁荷載-沉降曲線

由圖4 和圖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。未注漿樁荷載-沉降曲線的斜率要比注漿樁的斜率要大。未注漿樁的極限承載力為4000kN，樁側后注漿樁的極限承載力為6000kN，即樁側注漿后其極限承載力提升約為50%[3]。

3.3 不同注漿參數條件下后注漿樁單樁荷載-沉降關系分析

通過對不同注漿加固體尺寸的樁側后注漿樁數值模擬，得到不同注漿參數條件下的后注漿樁的荷載-沉降關系曲線，如圖6 所示。

圖6 不同注漿參數下后注漿樁Q-s 曲線

由圖6 可知，以樁頂荷載為6000kN 時為例，注漿加固體尺寸為rd=1.5m，h=5m，rc=1m 時，樁側后注漿樁的樁頂沉降為16.016mm。而當注漿加固體尺寸增大為rd=2m，h=6m，rc=1.5m 時，樁側后注漿樁的樁頂沉降為5.071mm。因此，當注漿加固體尺寸增大時，相同荷載作用下的樁頂沉降均明顯減小。樁側后注漿樁極限荷載的提升幅度與注漿加固體的尺寸成正相關關系。

4 結語

通過數值模擬研究未注漿樁和樁側后注漿樁的樁土位移和荷載沉降，得出以下結論：

樁側后注漿樁基相對未注漿樁基可以減小樁周土體沉降，提高樁基的承載能力。樁側后注漿樁基相對未注漿樁基極限承載力提升約為50%。樁側后注漿樁極限荷載的提升幅度與注漿加固體的尺寸成正相關關系。