樁側注漿結石體定量表征物理模擬試驗

林澤耿, 侯振坤, 2, 張樹文, 黎劍華, 徐曉斌, 李祥新, 王曉偉

(1.廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司, 廣州 510440； 2.廣州市建筑科學研究院有限公司, 廣州 510440； 3.南華大學資源環境與安全工程學院, 衡陽 421001；4.廣州鐵路職業技術學院, 廣州 510430)

目前常用的樁基礎主要有高強度預應力混凝土(prestressed high-strength concrete,PHC)管樁和鉆孔灌注樁[1-2],PHC管樁一般采用錘擊法和靜壓法等施工工法,使用錘擊法和靜壓法進行沉樁時當遇到堅硬地層則沉樁難度較大，容易出現斷樁,對于大直徑的管樁,由于沉樁阻力較大,采用該方法將無法沉樁[3],現有的施工工藝造成可用的PHC管樁的樁徑較小,難以滿足大型的工程的需求[4]。雖然鉆孔灌注樁的樁徑較大[5],但鉆孔灌注樁施工過程中通常會產生樁周泥皮和樁底沉渣,施工過程中伴隨著塌孔、斷層等缺陷,造成成樁質量參差不齊。目前還未能找到能夠替代鉆孔灌注樁的經濟、環保的樁基礎,故鉆孔灌注樁仍然是中國樁基礎的主力軍。

統計資料顯示,PHC管樁樁身超高強度的優勢并沒有得到充分的利用[6]。如果能夠改變成樁工藝,擴大PHC管樁直徑,提高承載力,充分利用預制樁型樁身高強度的優勢,從而替代部分鉆孔灌注樁,解決其成樁質量問題,具有較為現實的意義。為了擴大PHC管樁的可用直徑,唐孟雄等[7-8]、Tang等[9]、楊曉松[10]研發出了隨鉆跟管樁施工工法。隨鉆跟管樁獨特的施工工藝造成其成孔孔徑大于管樁外徑約20 mm,即在成孔孔壁與PHC管樁外壁之間形成1個厚度10 mm左右的環形柱狀間隙(簡稱“樁-土間隙”),后期需要通過預埋在管樁管壁中的注漿管進行注漿,以充填該間隙并黏結樁側土體,樁-土間隙中注漿液流動的效果直接決定了樁側所形成的注漿結石體的摩阻力的大小。

在注漿液流動特性及注漿結石體表征等研究方面,鄒健[11]開展了黏土地層中不同注漿條件下樁端后注漿漿液擴散的物理模型試驗,通過開挖獲得了不同注漿條件下的結石體形態,定量表征了漿泡、漿脈的性狀和大小,表征方式主要依靠尺子測量,手段較為粗糙,表征不夠準確；沙飛等[12]研發了1套可視化砂土介質恒壓注漿滲透擴散與加固模擬試驗裝置,分析了不同注漿材料在砂土中的流動擴散特性,分析了不同漿液在不同注漿壓力條件下的流動擴散距離隨時間變化規律；張連震等[13]基于注漿控制模塊、動態監測模塊等研發了1套砂層中劈裂-壓密注漿漿液擴散過程的可視化試驗系統,實現了注漿擴散過程中劈裂通道形態的可視化分析；Gao等[14]開展了飽和砂土的可視化漿液擴散試驗,分析了飽和砂土中漿液的流動擴散過程,揭示了砂土中的滲透注漿擴散機理；曹兆虎等[15]通過粒子圖像測速技術和人工合成的透明土材料,開展了楔形管樁樁端后注漿施工過程的可視化模型試驗,分析了樁端后注漿過程中擴大頭的形狀和直徑等變化規律。關于漿脈定量表征的研究大多依靠尺子進行測量,精度低,難以反映漿脈的空間分布特征,難以定量表征三維空間尺寸。由于隨鉆跟管樁是1種新的樁型,目前針對大直徑隨鉆跟管樁的樁側注漿液流動特性及注漿結石體表征等方面的研究暫未見報道。

為探明漿液在隨鉆跟管樁樁-土間隙中的流動規律,驗證樁-土間隙注漿液流動擴散力學模型,定量表征注漿體的三維幾何尺寸,自主研發了隨鉆跟管樁樁-土間隙注漿液流動規律物理模型試驗系統,開展了樁側注漿液流動規律物理模型試驗研究,為掌握漿液的動態流動過程提供了技術保障和研究思路。

1 樁側注漿效果對隨鉆跟管樁承載性能的影響

圖1所示為樁徑1 m的隨鉆跟管樁現場施工Q-S(力-位移)曲線[6,10,16-17],1號樁和2號樁的極限承載力分別為20 571 kN、15 100 kN,二者的極限承載力相差為5 471 kN,主要原因如下:①二者樁-土間隙注漿液的流動效果差距較大,經開挖注漿界面后發現,1號樁的注漿效果(注漿液幾乎覆蓋樁身全部，漿土咬合緊密)明顯好于2號樁(注漿液覆蓋面積不足60%，漿土咬合一般)；②通過抽芯取樣的室內抗壓試驗分析,1號樁樁底混凝土沉渣層混合體強度為46.5 MPa,2號樁樁底混凝土沉渣層混合體強度為14.7 MPa,造成2號樁的端承力明顯低于1號樁。以上充分說明隨鉆跟管樁樁側注漿液流動擴散的好壞以及樁側注漿加固樁底土體圍巖的性能在一定程度上決定了其樁側摩阻力和極限承載力[18]。

圖1 Q-S曲線及注漿界面開挖Fig.1 Q-S curve and its grouting interface excavation

2 物理模擬試驗方案及試驗系統

理論計算研究往往根據經驗對參數進行取值,可以給出漿液擴散的初步輪廓和擴散的范圍,可為注漿設計和工程應用提供科學指導,但理論計算結果不是特別準確；數值模擬在研究中往往做了很多假設且土體性質及地下環境較為復雜,難以準確計算；物理模型試驗作為重要的科研手段得到了廣泛的應用,按照原型以一定的比例縮小,所需空間小，對加載設備要求低,操作簡便,且可重復進行試驗消除誤差,結果可靠,省事，經濟可控,針對性強[19-20]。為了能準確研究隨鉆跟管樁樁側注漿液流動規律,開展精細化的物理模型試驗是十分必要的[21-23]。

現場施工中通過預埋在管樁管壁中的注漿管在樁-土間隙中進行注漿,漿液在注漿壓力作用下從出漿口流出,沿著樁-土間隙上下流動的同時向土體內部擴散,漿液流動擴散的效果直接決定了形成的注漿結石體產生的摩阻力。為了對注漿效果進行定量評價,搭建了隨鉆跟管樁樁側注漿液流動規律物理模擬試驗系統,定量表征了注漿體的三維幾何尺寸,試驗結果對于指導現場注漿工程具有較為現實的意義。

2.1 試驗方案

為了研究注漿壓力對隨鉆跟管樁樁側注漿液流動規律的影響,開展了單孔靜壓注漿試驗,注漿壓力分別為0.1、0.3、0.5、1、1.2 MPa,注漿材料采用水灰比為0.5的水泥漿液。

2.2 試驗過程及相關設備

隨鉆跟管樁樁側注漿液流動規律物理模擬試驗系統主要由空氣壓縮機、多功能注漿箱、模型樁、護筒、模型箱組成。其中空氣壓縮機氣壓在0～2 MPa可調,可滿足不同注漿壓力條件下的注漿模擬,多功能注漿箱由4個出漿口,可以滿足單孔和多孔同時注漿的需求。

2.2.1 模型樁制作

如圖2所示,選擇高強度的亞克力管或透明的PVC管作為模型樁,在模型樁的出漿口設計位置切方形口(出漿口的位置可以在模型樁的底部或者中部),其大小、數量和具體位置根據試驗方案確定；同樣,在注漿管靠近末端2～3 cm處切1個匹配的方形口,并用高強度膠水密封未切口的末端(灌注2～3 cm高度的膠水),然后將注漿管插入模型樁的內腔,達到出漿口位置后,用高強度密封膠水黏結注漿管方形切口和模型樁的方形切口,切口朝向模型樁外側,以便形成樁側注漿通道并可有效防止漏漿；模型樁的底部采用混凝土或者水泥漿封底,防止漿液從模型樁內腔倒流導致注漿失敗。

圖2 模型樁、護筒及U型出漿口Fig.2 Model pile, guard tube and U-shaped slurry outlet

2.2.2 填土并制作樁-土間隙(注漿間隙)

如圖3所示,用2個半圓形護筒(直徑大于模型樁徑20 mm)夾住制作好的模型樁,然后放入圓柱形模型箱的中心位置并固定,隨后向模型箱與護筒之間的空隙中填土。試驗所用土體為砂土,該砂土的顆粒級配良好,屬于中細砂。每15 cm填土1次,每1層填土結束后采用小型壓實機分層壓實,壓實機的力度均勻波動較小,可保證每層土體密實度相當。填土總高度為1.8 m,填土的密實度平均值為4.78；填土結束后分別拔出2個半圓形護筒,在模型樁與樁周土體之間形成1個10 mm左右的樁-土間隙。此外,根據需要可在模型樁上部設置止漿板,保證順利排出空氣且不漏漿,從而實施不同壓力注漿。

圖3 填土及樁-土間隙制作Fig.3 Filling and pile-soil gap production

2.2.3 樁側注漿及注漿系統

完成上述2個步驟后,開展樁側注漿試驗。注漿系統主要有空氣壓縮機和自主研發的多功能注漿箱組成。注漿箱包含1個倒漿口、1個進氣口、1個出氣口、4個出漿口,容量可達80 L,每個出漿口均可自由開關,可以模擬多孔同時注漿、單孔注漿、脈動注漿、分段聯合注漿等；空氣壓縮機可以持續提供0～2 MPa的任意注漿壓力,可模擬不同注漿壓力對樁基承載性能的影響。

首先將注漿管與多功能注漿箱上的出漿口通過帶有開關的球閥進行連接和密封,其次將空氣壓縮機的出氣孔與多功能注漿箱上的進氣口通過高壓氣管進行連接,并關閉除進氣口以外的所有開關,隨后通過倒漿口將按照配比攪拌均勻的注漿液倒入多功能注漿箱中,打開空氣壓縮機給注漿箱提供壓力P,待壓力表讀數穩定后,開啟出漿口的開關進行樁側注漿，如圖4所示。

3 試驗結果分析

3.1 注漿體開挖及漿液分布特征

按照2.2節步驟開展隨鉆跟管樁樁側注漿物理模型試驗,待漿液凝固后開挖注漿體并用清水沖洗注漿體表面,清理樁側殘留土體以便直接觀測隨鉆跟管樁的樁側漿液流動性及擴散規律。為了方便,以0.5 MPa下的注漿壓力為例進行分析(單孔靜壓注漿并關閉排氣孔),定義出漿口一側為正面,出漿口對面一側為背面,如圖5所示。

圖5 注漿結石體Fig.5 Grouting stones

(1)0.5水灰比的注漿液在0.5 MPa的注漿壓力作用下從正面一側的出漿口流出后,向上流動的同時向注漿口的兩側流動,并在出漿口處形成了端部擴大頭,該擴大頭的存在提高了端部承載力。

(2)向兩側擴散的注漿液在出漿口的對面一側(背面)匯合形成回路,從而將樁-土間隙中的空隙密封在背面的樁底處(注漿口對面的樁體預先設計有排氣孔,為研究無排氣孔的影響,本試驗將其關閉),隨著漿液流動高度的增加,背面的注漿液在重力和側向壓力的作用下向下流動,造成下部厚度越來越大,上部厚度較小,底部由于空氣被密封形成較大的壓力,漿液無法流入,造成該側注漿效果較差,這充分說明了隨鉆跟管樁樁側布置出氣管的重要性；

(3)整體上看,豎向上,隨著高度的增加,漿液的厚度逐漸降低,橫向上,隨著距離出漿口的水平距離越來越遠,漿液的厚度也越來越小。如果模型樁的直徑足夠大,1個注漿口就很難滿足注漿的要求。

(4)上部靠近地面位置,正面一側漿液填充飽滿,背面一側幾乎沒有漿液。這是因為漿液流到地面位置,從上部間隙流出,壓力迅速降低,導致背面的漿液驅動壓力不夠,從而無法充填,這充分地說明在樁頂位置布置止漿板從而形成憋壓,更有利于背面漿液的流動以及漿液擴散至土體。

(5)漿液的厚度表現出了下部厚上部薄、遠離出漿口位置薄、靠近注漿口位置厚的變化規律,與漿液的黏度造成的壓力損失和漿液的自重等密切相關。

3.2 基于室內手動測量的注漿體定量表征

3.1節對漿液的流動擴散的效果進行了定性的描述,得出了宏觀的結論,但是無法表征漿液沿著縱向和橫向的分布規律,為此,定量表征漿液的厚度是十分必要的。如圖6所示，沿著橫向切割注漿結石體,以出漿口所在軸線為基準線,以圖中的藍色原點為坐標原點,向左右兩側每隔2 cm(采用卷尺記錄)采用數顯式游標卡尺測量一次漿液的厚度,并做好記錄。

圖6 手動測量注漿結石體Fig.6 Manual measurement of grouting stones

沿著距離樁底出漿口50、80、95、125 cm高程位置,如圖5(c)所示，對漿液的厚度進行測量,測量結果如圖7所示。以高程50 cm和95 cm為例對采用游標卡尺進行的手動測試結果進行分析。

(1)手動測量可以定量表征注漿結石體沿著樁身的厚度分布特征。以高程50 cm為例,漿液的厚度隨著距離坐標原點(注漿口所在軸線位置)的距離的增加逐漸下降。

(2)高程50 cm的下降速度明顯小于高程95 cm的下降速度,這說明底部(高程50 cm)注漿液在自重及高注漿壓力下的縱向和橫向流動更加均勻和充分,上部(高程95 cm)注漿液的自重小、注漿壓力小,漿液橫向流動不充分,導致注漿口的對面(背面)漿液的流動效果較差。

(3)由于漿液和土體的非均質性,以注漿口軸線為對稱軸,兩側漿液的厚度并不是嚴格的對稱關系,從圖7可以看出,右側漿液的厚度大于左側漿液的厚度,在進行簡化計算時,可近似將其看成軸對稱。

“Shou,50 cm”“Shou,80 cm”“Shou,95 cm”“Shou,125 cm”分別表示采用手動測試方式高程50、80、95、125 cm處漿液的厚度分布規律圖7 注漿體厚度沿著樁身的分布規律Fig.7 Distribution law of grouting stone thickness along pile body

(4)在出漿口所在位置的軸線上,隨著距離出漿口的距離的增加,漿液的厚度逐漸減小,這主要與漿液流動過程中需要克服漿液的黏滯力及摩阻力造成底部漿液的注漿壓力大于上部漿液、底部漿液累計的自重較大等有關。

(5)底部漿液的厚度明顯大于上部漿液,在與該軸線平行的位置上,也表現出了類似的變化規律,且隨著距離注漿口距離越大的軸線上漿液的厚度差也越大。

圖6中注漿結石體形態展現了漿液的厚度變化特征,從側面印證了本文結論的準確性。

4 結論

(1)現場原位試驗表明,隨鉆跟管樁是1種以發揮樁側摩阻力為主的端承摩擦型PHC管樁,樁側注漿效果較差時可大幅降低樁側摩阻力,從而導致極限承載力的大幅下降。

(2)豎向上,隨著高度的增加,漿液的厚度逐漸降低,橫向上,隨著距離出漿口的水平距離越來越遠,漿液的厚度也越來越小,高程50 cm的漿液厚度下降速度明顯小于高程95 cm的下降速度；如果模型樁的直徑足夠大,1個注漿口就很難滿足注漿的要求。

(3)底部漿液的厚度明顯大于上部漿液,隨著距離注漿口距離越大的軸線上漿液的厚度差也越大；以注漿口軸線為對稱軸,兩側漿液的厚度并不是嚴格的對稱關系,右側漿液的厚度大于左側漿液的厚度,這與漿液和土體的非均質性有關。

(4)單孔靜壓注漿時,如果未設置排氣孔,則在出漿口對面的一側空氣容易被漿液密封從而導致出漿口對面一側注漿效果較差,這充分說明了隨鉆跟管樁樁側布置出氣管的重要性。