缺陷樁基加固處理效果分析研究

肖立江 周云劍 喬 森

（浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于各類工民建及橋梁基礎(chǔ)中，在樁基澆筑過程中，由于各種原因，導(dǎo)致樁基成樁后形成不同的缺陷，常見的缺陷有：斷樁、空洞、混凝土離析等，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有成樁數(shù)據(jù)中，約四分之一的樁基礎(chǔ)存在不同程度的缺陷，缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致樁基承載力的下降，從而進(jìn)一步危及樁基的使用安全。

近年來，社會(huì)各界對(duì)樁基礎(chǔ)缺陷的研究主要集中在缺陷產(chǎn)生的機(jī)理、缺陷的形式、缺陷對(duì)樁基礎(chǔ)的影響程度。曹俊楠[1]利用相關(guān)編程軟件，編寫了以樁身長度、樁徑、缺陷位置等為控制變量的計(jì)算程序，用于計(jì)算分析樁基承載力的變化情況，同時(shí)分析了缺陷樁與成品樁承載力與沉降確定的方法。雷豐浩[2]采用有限元軟件，對(duì)群樁基礎(chǔ)在樁底沉渣、擴(kuò)徑、斷樁等因素影響下進(jìn)行非線性計(jì)算，得到了缺陷影響下樁基承載力與樁基沉降的規(guī)律。蘇娟[3]采用模型試驗(yàn)，對(duì)樁基斷樁位置進(jìn)行分析，通過不同斷樁位置的荷載-位移曲線，進(jìn)一步得到不同斷樁位置對(duì)樁基承載力的影響，結(jié)果表明，當(dāng)斷樁位置接近樁基頂面時(shí)，斷樁對(duì)樁基承載力的影響越大。

本文主要作以下幾方面研究：

（1）對(duì)缺陷樁的工作性狀及工作機(jī)理的研究進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算分析各類樁基缺陷導(dǎo)致的樁的承載力、剛度的變化情況。

（2）對(duì)各類加固方法加固后的樁基進(jìn)行數(shù)值模擬，得出加固后缺陷樁的受力性能，進(jìn)一步優(yōu)化處理方案。

1 樁基缺陷對(duì)樁基承載力影響的研究

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)及土體參數(shù)

本文選取的模型基礎(chǔ)為某大橋工程，橋梁主跨為100m的剛構(gòu)橋，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)（端承樁），樁體嵌入基巖2m，樁體直徑2.0m，樁身長20m，樁體采用C25混凝土，根據(jù)橋梁支承反力計(jì)算分配，樁基礎(chǔ)單樁承載上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載取整為12400kN，換算頂面壓力取整為3950kN/㎡。

模型中土體參數(shù)來自該工程項(xiàng)目，樁周土體性質(zhì)如表1：

表1 樁周巖土體力學(xué)參數(shù)

1.2 ABAQUS模型

計(jì)算條件基本假定：

（1）土體底面的邊界條件為完全約束，兩側(cè)分別為X方向和Y方向的約束。

（2）加載方式為樁頂加載，ABAQUS中考慮時(shí)間因素的線性加載方式進(jìn)行加載。

樁土模型劃分網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

圖1 樁基-土共同作用模型

1.3 計(jì)算不同樁基缺陷對(duì)承載力的影響

根據(jù)建立的樁土模型，對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算分析：

（1）樁基缺陷位置對(duì)樁體應(yīng)力的影響分析。

（2）不同樁基缺陷形式對(duì)樁體應(yīng)力的影響分析。

通過有限元模型，模擬在同一位置樁基扇形缺陷、環(huán)形缺陷及全斷面缺陷的三種不同形式的缺陷，以缺陷位置為控制變量，尋找不同缺陷類型對(duì)樁基影響最不利的位置。缺陷的模擬采用對(duì)樁基局部更換材料參數(shù)進(jìn)行，即在原樁模型的基礎(chǔ)上，替換不同位置上不同面積的材料，缺陷位置的材料模擬為：彈性模量E為10MPa，泊松比為0.23，模擬加載缺陷位置分別位移樁基頂部、中部及下部。全斷面缺陷模擬為樁體全斷面0.5m范圍內(nèi)的混凝土材料替換；環(huán)形缺陷模擬為以樁體圓心為原點(diǎn)，寬度為0.2m，外徑為樁體直徑的圓環(huán)型，缺陷加載高度為0.5m；扇形缺陷則模擬為樁體不同內(nèi)角面積，加載高度為0.5m的扇形區(qū)域缺陷，通過三種缺陷的計(jì)算分析進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?jì)算結(jié)果梳理如表2所示。

表2 不同缺陷形式下樁身應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)樁基存在缺陷時(shí)，在同樣的外部荷載下，樁體內(nèi)部將承載更大的應(yīng)力，同時(shí)樁體變形也增大，導(dǎo)致樁基承載力下降，進(jìn)而對(duì)樁基的使用安全及可靠度產(chǎn)生影響。其中，在模擬的三種缺陷中，當(dāng)缺陷位置發(fā)生在樁基底部時(shí)對(duì)樁基變形的影響最大。當(dāng)缺陷發(fā)生在同一位置時(shí)，以環(huán)形缺陷對(duì)樁基承載力影響最大。另外，當(dāng)扇形缺陷發(fā)生在樁基下部時(shí)，缺陷對(duì)樁身壓力的影響最大。

2 缺陷樁基加固模擬分析

應(yīng)用有限元ABAQUS建立缺陷樁采用不同加固方式加固的模型，計(jì)算分析各種加固方式加固補(bǔ)強(qiáng)后樁基的受力性能的變化，加固的方式主要采用注漿法加固處理、增大截面法、增強(qiáng)補(bǔ)樁法，其中注漿加固考慮注漿位置和注漿量兩個(gè)變量因素。最后將處理過后的樁與原設(shè)計(jì)在相同地質(zhì)條件下的受力性能作對(duì)比，得到各類加固方法的理論效用。

2.1 注漿法

采用有限元模型分別模擬樁基、樁側(cè)土及注漿體，加固模型采用原計(jì)算模型，注漿漿體采用高標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥制作，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取加固后漿體強(qiáng)度為30MPa，樁側(cè)土假設(shè)為粘土，彈性模量擬定為18MPa，泊松比為0.35，分別計(jì)算不同位置注漿后樁土應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表3，截取上部注漿后結(jié)算云圖如圖2、圖3所示。

圖2 上部注漿后樁-土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 上部注漿后樁-土應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

表3 不同缺陷樁身應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

從表3中可以看出，摩擦樁樁基注漿加固時(shí)，采用上部、中部、下部三種注漿形式對(duì)樁體缺陷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，樁體應(yīng)力、應(yīng)變值均有所減小。注漿量一定時(shí)對(duì)缺陷位置及以上部分加固，樁身應(yīng)力應(yīng)變值最小，最接近未缺陷前樁基的受力狀態(tài)，即加固效果最明顯，加固應(yīng)從樁基缺陷位置以下1m～3m位置開始。

2.2 增強(qiáng)補(bǔ)樁法

增強(qiáng)補(bǔ)樁法又叫做樁基托換法，適用于樁身缺陷位置存在較深，且經(jīng)計(jì)算樁身強(qiáng)度已不滿足使用要求或者使用性能不滿足規(guī)范要求的情況，常常用于斷樁處理，處理方法徹底但資金耗費(fèi)大。使用6根直徑40cm的PC管樁，單根長度20m，樁基同樣是摩擦樁，原缺陷樁模擬為中部出現(xiàn)斷裂，計(jì)算出增加小直徑管樁的整體樁基承載力，并計(jì)算出原始設(shè)計(jì)有承臺(tái)時(shí)樁基的承載力，兩者對(duì)比。

2.3 增大截面法

在ABAQUS中對(duì)存在缺陷的樁基進(jìn)行樁帽處的增大截面，補(bǔ)強(qiáng)混凝土選用C25混凝土，在樁帽處以樁圓心為中心環(huán)形增大直徑0.5m截面，高度1.0m，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋選用Φ25mm的HRB335鋼筋，模型如圖4所示。

圖4 增大截面加固后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

施工中常用的注漿法、增強(qiáng)補(bǔ)樁法、增大截面法均能有效的對(duì)缺陷樁進(jìn)行處理，能夠降低缺陷樁基缺陷處的應(yīng)力，如表4所示。

表4 缺陷樁加固處理結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)不同樁基缺陷及加固進(jìn)行模擬，計(jì)算分析樁基應(yīng)力及應(yīng)變情況，從而判斷缺陷及加固情況下樁基承載力的變化情況，得到以下主要結(jié)論：

（1）樁基缺陷的存在，會(huì)導(dǎo)致樁基內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)增大，變形增大，使樁基的使用安全、可靠度存在較大影響，其中，較缺陷發(fā)生在上部、中部時(shí)當(dāng)缺陷發(fā)生在樁體下部時(shí)對(duì)樁體影響最大。

（2）不同缺陷形式對(duì)樁基的影響不一，在模擬的扇形缺陷、環(huán)形缺陷、全斷面缺陷中，在同樣的發(fā)生位置，環(huán)形缺陷對(duì)樁基的影響最大，而當(dāng)樁基上部發(fā)生扇形缺陷時(shí)，對(duì)樁體應(yīng)力相對(duì)其他兩種缺陷而言影響最大。

（3）不同的樁基缺陷加固方式對(duì)樁基加固后的結(jié)果影響較大，對(duì)于摩擦樁，增大截面法對(duì)樁基缺陷的加固最為有效。