后注漿鋼管樁樁-土界面力學特性及微觀結構

李 偉，張 楷，郭超溢，崔 強，張傳慶，馬海輝

(1.國網河北省電力有限公司滄州供電分公司，滄州 061000；2.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，石家莊 050021; 3.沈陽工業大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870；4.中國科學院武漢巖土力學研究所，武漢 430071; 5.中國電力科學研究院有限公司，北京 102401)

后注漿微型鋼管樁是指樁徑小于300 mm，長細比大于30的鋼管，通過鉆孔或者靜壓施工貫入土體，采用壓力注漿工藝施工形成“內注漿體+鋼管樁+外注漿水泥土”的一種新型微型樁[1-2]。這種樁型與普通灌注樁相比具有施工速度快、布置形式靈活、承載力較高等優點，可以滿足新時期電網建設“保質、保速、保優”的要求，因此在輸電線路基礎工程中具有廣闊的應用前景。后注漿微型鋼管樁的承載力主要由樁側摩阻力提供，樁側摩阻力在很大程度上取決了兩個方面：一方面，通過壓樁和壓力注漿增加了樁側土的密實度；另一方面，水泥漿滲入土體，提高了水泥漿-土界面的抗剪強度，水泥漿與鋼管樁界面的抗剪強度也高于土體與鋼管樁界面。近年來中外學者針對該樁型的承載性狀開展了相關研究。通過開展抗拔、抗壓承載特性的現場試驗，分析了后注漿微型鋼管樁的荷載-沉降規律及傳力機理[3-6]。宗鐘凌等[7]基于實測荷載-沉降曲線，研究壓力注漿工藝及注漿體積比對微型樁抗壓、抗拔極限承載力以及極限側阻力的影響，認為軟土地基中，注漿較未注漿情況下樁基極限承載力提高顯著，抗拔性能良好。文磊等[8]基于現場試驗結果得出，后注漿微型鋼管樁較常規微型鋼管樁的豎向抗壓承載力提高了約2.4倍，指出注漿作用明顯提高了微型鋼管樁的承載力、減小了樁基沉降效果。朱彥鵬等[9]對黃土地區的微型鋼管水泥樁開展了現場單樁靜載試驗，認為樁周土經水泥漿加固使單樁承載力顯著提高。馬忠政[10]分析了深厚軟土層中不同注漿情況下鋼管樁的荷載-沉降曲線，提出了注漿可改善樁土接觸面使鋼管樁的抗拔承載力得到了顯著提升。上述研究重視了注漿后樁的承載力問題，所給出的承載力提高機制的定性分析對掌握該樁型的承載性能具有重要指導意義。注漿后樁的承載力的提高取決于樁-土界面強度特性和力學響應方式的改變，然而針對注漿前后樁側土及樁-土界面密實度和抗剪強度差異性的研究尚顯不足。因此，只有充分認識樁-土界面的力學特性才能從根本上掌握注漿后樁的承載機制，從而為施工工藝及設計參數優化提供指導。

針對后注漿微型鋼管樁-土界面力學特性與機制問題，依托河北滄州雙樓—交河π入東光北變220 kV線路工程，采用室內試驗和微觀掃描測試相結合的方法，對后注漿微型鋼管樁樁側土體、樁-土界面的物理力學特性進行系統研究，獲得注漿對微型鋼管樁承載特性的影響規律,以期能為該樁型的工程應用提供有益參考。

1 鋼管樁施工工藝

現場試驗場地位于滄州市東光縣擬建220 kV東光變電站站址附近，地貌上位于華北平原中東部，軟土分布廣泛。試驗選用材質Q235，外徑159 mm，壁厚6 mm，樁長5 m的鋼管樁。在此基礎上，后注漿微型鋼管樁在靠近樁底的樁側面沿樁周均勻布置4個12 mm孔徑的注漿孔。為了將樁周土排出空腔從而預留溢漿通道，在樁底焊接一個大小寬出鋼管外徑40 mm、厚度t0=20 mm的圓盤，結構示意圖如圖1所示。

圖1 微型鋼管樁結構示意圖

不注漿微型鋼管樁通過靜力壓樁技術壓至指定深度即可。后注漿微型鋼管樁壓入指定位置后，采用氣動力注漿機，選用P.O42.5水泥，以3.0 MPa的注漿壓力從鋼管樁頂部注入水灰比為0.6的水泥漿，以漿液返至地面作為注漿結束的條件。試驗采用錨樁法進行加載，加載方式為慢速維持荷載法。現場試驗結果表明，后注漿微型鋼管樁承載力相對于不注漿微型鋼管樁有明顯提高[11]。

2 取樣方案

為了分析注漿前后試驗樁樁周土體力學特性的差異，從而開展現場取樣工作。所取的土樣有未經擾動的原狀土樣、不注漿微型鋼管樁樁側土樣(簡稱“不注漿樁側土樣”)、后注漿微型鋼管樁樁側土樣(簡稱“后注漿樁側土樣”)、后注漿微型鋼管樁樁-土界面試樣。為保持土樣的原狀結構及天然含水率，并使其不受擾動，采用環刀法取樣。取樣深度根據微型鋼管樁的長度及地層條件，確定最關心的一種類型土體。水平向則根據樁側距離由近到遠選擇3個不同位置，一個目的是研究壓樁擠密作用對不同位置土體的影響，另一個目的是研究水泥漿的滲入深度。取樣示意圖如圖2所示，本次取樣深度統一為2 m，該層土體為粉質黏土，取樣水平距離為鋼管樁樁側距離5、15、25 cm。

圖2 取樣位置示意圖

取樣之后，立即用保鮮膜包裹土樣，以防水分散失，密封完成后的試樣如圖3所示，試樣包裹完成后放置在泡沫箱內再用膠帶密封，土樣間空隙宜以擾動土填緊，減小外界對土樣的干擾。

圖3 包裝好的土樣

3 原狀土物理特性測試

對現場取樣得到的原狀土樣進行土工試驗，包括顆粒分析、界限含水率、含水率、密度等試驗，試驗獲得的物理性質參數如表1所示。圖4為土的顆粒級配曲線，根據圖4及表1中的塑性指數值，可判定該試驗土樣為級配良好的非均粒粉質黏土[12-13]。在天然含水量下，原狀土的壓縮系數a1-2=0.41 MPa-1，介于0.1～0.5 MPa-1,故為中壓縮性土。

表1 原狀土基本物理性質指標

圖4 原狀土的顆粒級配曲線

4 試驗方案及試驗過程

4.1 壓縮固結試驗

為了探究注漿作用對微型鋼管樁不同樁側距離的擠密效應和土的壓縮性指標，試驗采用單軸固結儀對原狀土、不注漿樁側土樣、后注漿樁側土樣進行室內固結試驗。共有7組土樣，每組土樣取1個，試驗時在土樣上逐級加載，固結穩定的標準是每級加載時間不小于24 h，最后1 h變形量不超過0.01 mm，加載等級分別為50、100、200、400 kPa。根據測得的豎向壓力和變形值繪制壓縮曲線，并求出壓縮系數。

4.2 直接剪切試驗

為研究注漿作用下微型鋼管樁不同樁側距離土樣的抗剪強度指標，試驗采用應變控制式直剪儀原狀土、不注漿樁側土、后注漿樁側土樣進行直剪試驗。共有7組土樣，每組土樣取4個，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力進行固結快剪試驗，剪切速率控制在0.8 mm/min。試驗結束后繪制峰值剪應力-垂直應力關系曲線，經線性擬合后得到土的黏聚力和內摩擦角。

4.3 CT掃描試驗

為了觀測樁側不同位置土樣內部真實細觀結構和漿液滲入后的變化情況，采用微觀CT技術開展了樁側土樣內部結構的掃描測試。試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所的微米CT掃描儀(型號：Zeiss Xradia 410Versa)對原狀土、不注漿樁側5 cm土樣，后注漿樁側5 cm樣進行掃描，共有3組土樣，每組土樣取1個。微米CT掃描儀的主要參數為：掃描電壓為140 kV，電流為71 μA，分辨率為0.3 mm。

4.4 SEM掃描試驗

為了觀察水泥漿與土接觸面的細觀結構特征，采用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)技術進行觀察，為漿液分布及滲透情況分析提供依據。試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所的電子掃描顯微鏡(型號：Quanta250)對現場取回的樁土接觸面試樣進行掃描，試樣如圖5所示。因為試驗的樣品要求為固態，所以對其進行干燥處理。為了減少對微觀結構的擾動，采用手掰的方法選取代表該土樣結構特征的1 cm3左右的試樣。選取較平整的新鮮觀察斷面，清除松動顆粒之后進行鍍金處理增強試樣的導電性。最后載入掃描電鏡進行試驗。掃描電子顯微鏡的主要參數為：電鏡的放大倍數6～100 000倍，二次電子的點像分辨率為3.5 nm，加速電壓為0.1～30 kV連續可調。

圖5 樁-土界面試樣

5 力學特性試驗結果

5.1 壓縮系數變化規律

壓縮系數是評價土樣壓縮性高低的重要指標之一。壓縮系數越小，土的壓縮性越低。圖6為原狀土及樁側距離分別為5、15、25 cm情況下不注漿樁側土、后注漿樁側土的法向應力-壓縮系數曲線。可見，所有曲線初始較陡，土的壓縮量較大，而后逐漸平緩，土的壓縮量也隨之減小。這是因為壓力的增大使得孔隙比減小，土的密實度增加到一定程度后，土粒移動越來越趨于困難，壓縮也就減小。此外發現，所有試驗土樣的壓縮系數a1-2都介于0.1～0.5 MPa-1,均為中壓縮性土。由試驗結果的對比分析可見，樁側5 cm時不注漿試樣的壓縮系數略小于原狀土試樣，在樁側15、25 cm時，兩者的壓縮系數差異性不大。而在樁側5、15、25 cm時，后注漿樁側土的壓縮系數明顯小于不注漿樁側土試樣，且隨著樁側距離的增加壓縮系數的差異性也隨之減小。這說明壓樁入土的過程中樁側土被擠密，密度升高，所以不注漿樁側土的密實度略大于原狀土，發生擠密的土體范圍在樁側5 cm以內。注漿后漿液滲透土體使得樁側土更密實，所以后注漿樁側土密實度大于不注漿樁側土，距離樁身越遠，注漿效果越不顯著，因此后注漿樁側土密實度越接近于不注漿樁側土密實度。

圖6 土樣壓縮試驗結果

5.2 黏聚力和內摩擦角變化規律

黏性土的抗剪強度由摩阻力和土粒之間的黏聚力組成，黏聚力是土體微觀膠結強度的宏觀體現。圖7、圖8為利用直剪試驗得到原狀土及不同樁側距離下不注漿樁側土、后注漿樁側土的內摩擦角、黏聚力的結果。

圖7 土樣黏聚力試驗結果

圖8 土樣內摩擦角試驗結果

由圖7可見，注漿作用有效提高了樁側土黏聚力，并且提高的程度與樁側距離有關，即隨樁側距離的增加，樁側土黏聚力的變化越不顯著。這是因為水泥漿液本身為膠結材料，在壓力注漿作用下滲入到土顆粒的間隙和顆粒間的毛細管中，使得土顆粒之間的膠結作用增加，從而提高了土體的黏聚力。但以本文分析的注漿壓力、沉樁工藝以及樁側土的物理力學性質而言，漿液影響范圍在15 cm以內，由于取樣數量有限，精確的滲透深度尚難以獲得，這也表明注漿作用僅在有限范圍內對樁側土力學強度有影響。

由圖8可見，不注漿樁側土樣內摩擦角在樁側5 cm范圍內略有增加，而后注漿樁側土樣的摩擦角明顯減小，隨著樁側距離的增大，摩擦角接近于原狀土。根據土的摩擦強度形成機制，摩擦強度的主要由土顆粒間的滑動摩擦和咬合摩擦構成，其中對內摩擦角起到決定性作用的是滑動摩擦[14]。不注漿樁側5 cm土樣的內摩擦角增大是因為壓樁入土使得樁側5 cm范圍內的土體產生擠密效應，增加了土顆粒的咬合作用，因此擠密效應對抗剪強度的影響主要體現在內摩擦角上。后注漿樁側土體的內摩擦角減小是由于注漿作用使漿液滲入土體，進一步增大了粉質黏土中細粒含量的比例，弱化了相應的滑動摩擦，所以土體距離樁側越近，內摩擦角越小。

6 微觀結構分析

6.1 CT掃描試驗

本次試驗共完成3組土樣的CT掃描，掃描時從土樣端面開始，層間距為0.09 mm，每個土樣約獲得330張掃描斷面圖像。圖9為每種土樣中部橫切面對應的代表性圖像。CT圖像是基于密度成像，灰度反映被掃描土樣對X射線的吸收程度，灰度越淺則掃描材料的密度越高[15]。

土體的微觀結構特征之一是土體存在孔隙，孔隙結構的變化將直接影響土體的宏觀結構性質。圖9(a)可見，原狀土分布著大小不一的微觀孔隙，包括較大的空隙和細小的裂隙，內部結構最為疏松，孔隙率最大；圖9(b)所示的不注漿樁側5 cm土樣孔隙相比原狀土有所減少；而圖9(c)所示的后注漿樁側5 cm土樣內孔隙明顯減少，密實度增大，并且土樣兩側的密實程度形成鮮明的對比，一側結構密實，另一側多以小開口的裂隙為主。

圖9 CT掃描所得各土樣代表性圖像

這表明，壓樁擠密效應使得樁側土更密實，所以不注漿樁側土相比原狀土孔隙尺寸和面積減小。在壓力注漿作用下漿液滲入土體后，使得土體結構變得更為致密，孔隙含量明顯減少，因此，注漿后密實度比不注漿明顯提高。這也從微觀的角度進一步說明了注漿作用對樁側土體的加固作用。

6.2 SEM掃描試驗

SEM掃描采用高倍與低倍觀察相結合的方法，在不同尺度上觀察分析局部與整體的關系，從而更加全面地揭示注漿前后樁側土體微觀結構的差異。本次掃描對試樣代表性的位置進行100、400、800、2 000倍放大觀察。掃描結果如圖10所示。

土樣的顆粒形狀和膠結程度是能夠反應土體微觀結構特征的重要因素。在圖10(a)和圖10(b)所示的低倍數SEM圖像中可見，注漿后，在壓樁形成的樁周土界面上形成一層水泥漿凝固體，成為水泥漿與樁周土體明顯的“分界線”，“分界線”一側的水泥顆粒排列致密且分布均勻，“分界線”另一側的土顆粒形狀主要為棱角狀，邊-面接觸形式較多，面-面接觸形式較少，排列緊密程度較差，結構單元體和孔隙分布沒有表現定向性。圖10(c)和圖10(d)可見，隨著放大倍數的增加，可清楚看到漿液滲入并填充土體內空隙和裂隙，包裹在土顆粒外，形成一層水泥漿與土的固化體，并且通過大顆粒之間的空隙可觀察到漿液向內部滲入的痕跡，從而產生一定膠結聯結，使得接觸面處的骨架顆粒黏結成為整體。

圖10 樁-土界面試樣SEM掃描圖像

這表明，注漿將原來的鋼管與土接觸面轉變為水泥漿與土、水泥漿與鋼管的接觸面，顯然，水泥漿與鋼管接觸面的強度遠大于土與鋼管接觸面，且水泥漿與土接觸凝結形成固化體，并且滲入土體加強了土體的聯結力和膠結能力。從而顯著提高了界面強度，這也從微觀角度解釋了后注漿微型鋼管樁抗拔、抗壓強度顯著高于普通鋼管樁的原因。

7 結論

以后注漿微型鋼管樁樁-土界面的樁側土體為研究對象，對現場原狀土和不注漿樁、后注漿樁側不同水平距離土體及樁-土界面開展了室內試驗和微觀掃描試驗，探討了注漿作用對微型鋼管樁樁-土界面及樁側土體力學特性與微觀結構的影響，得出以下主要結論。

(1)由壓縮系數a1-2可知現場所有的試驗土樣均為中壓縮性土。通過對壓縮系數的分析可知，發生擠密的土體范圍在樁側5 cm以內。注漿后漿液滲透土體使得樁側土更密實。

(2)直剪試驗結果表明，不注漿樁側土樣黏聚力變化不大，內摩擦角增大，所以擠密效應對抗剪強度的影響主要體現在內摩擦角上。注漿后黏聚力增大，內摩擦角卻減小。因此，注漿作用對抗剪強度的提高主要體現在黏聚力的顯著提升。

(3)CT掃描圖像結果可以觀察到注漿后的土樣孔隙率明顯減小，壓密注漿后的土體結構更加致密。借助不同倍數的SEM圖像結果可以發現樁-土界面處漿液滲入土體并包裹在土顆粒外，注漿能有效加強土顆粒間膠結物黏結力，從而顯著增加界面強度。

(4)由于取樣數量有限，具體的滲入深度尚未可知。研究僅僅是對滄州當地的粉質黏土進行探討，對于其他地區和不同類型的土體在注漿情況下抗剪強度指標和微觀結構的變化規律是否符合本文總結出的試驗規律還有待于進一步深入探究。