基于注漿加固的橋梁樁基受力及變形特性研究

摘要：文章基于南湛高速公路南流江特大橋樁基施工案例，通過實地監測與數值模擬相結合的方法，探討了注漿加固技術對橋梁樁基受力及變形特性的影響，并通過有限元數值模擬及分析技術，從注漿加固的寬度、深度綜合分析了注漿加固在橋梁樁基工程中的實際應用效果。結果表明：注漿加固顯著降低了鄰近樁基的側向位移，降幅達44.6%；在工程橋梁樁基工程中，當加固寬度達到14.6 m時，加固深度最佳閾值為4 m。研究成果可為同類工程提供參考。

關鍵詞：注漿加固；橋梁樁基；受力；變形特性

中文分類號：U443.15A561863

0引言

隨著交通基礎設施建設的不斷推進，橋梁作為連接各地、促進區域經濟發展的重要構件，在現代交通網絡中占據著舉足輕重的地位［1］。橋梁樁基作為支撐橋梁結構的關鍵基礎，其穩定性和安全性直接關系到橋梁的整體性能和使用壽命。在實際施工過程中，橋梁樁基的穩定性和承載能力經常受到地質條件復雜、施工環境多變等因素的影響，這可能導致樁基出現受力不均、變形過大等問題，嚴重威脅橋梁的安全與穩定［2］。因此，探索有效的樁基加固技術顯得尤為重要。注漿加固技術作為一種能夠顯著提高土壤強度和穩定性的方法，近年來在橋梁樁基施工中得到了廣泛應用［3］。該技術通過向樁基周圍的土壤中注入特定的加固材料，以改善土壤的物理力學性能，進而提升樁基的承載能力和穩定性［4］。然而，盡管注漿加固技術在工程實踐中已有所應用，但關于其對橋梁樁基受力及變形特性的具體影響，仍需進一步深入探究。

基于此，本研究以實際工程案例為基礎，通過綜合運用實地監測與數值模擬的方法，系統分析注漿加固技術對橋梁樁基受力及變形特性的影響［5］。通過本研究，期望能夠更深入地理解注漿加固技術對橋梁樁基性能的影響機制，為橋梁樁基的設計與施工提供科學的理論指導和實踐建議。同時，為注漿加固技術的進一步優化和推廣提供有力支持，從而提升我國橋梁建設的質量和安全性，保障交通運輸的順暢與高效。

1工程概況

廣西南湛高速公路是《廣西高速公路網規劃（2018—2030）》中“1環12橫13縱25聯”中的“聯13”線，也是廣東省高速公路網連通廣西的11條出省通道之一。其連接了廣西壯族自治區南寧市和廣東省湛江市，對提升兩廣地區的互聯互通水平具有重要意義。廣西南湛高速公路全長約為187.2 km，設計速度為120 km/h。本研究選取南湛高速公路的南流江特大橋為案例，其全長為335 m，主跨跨越南流江，跨徑組合為85 m+155 m+85 m，是一座大跨徑連續梁橋。該橋采用單箱單室截面設計，這種設計在保證橋梁結構強度的同時，也優化了橋梁的視覺效果。由于南流江特大橋河床跨徑大、地勢復雜，鋼筋與預應力管道交錯、密集，連續剛構橋跨度大，因此施工難度較高。此外，該大橋每個橋墩下方設置了4根樁基，采用的是鉆孔灌注樁或預制樁等類型的樁基，且直徑和長度會根據地質條件和設計要求來確定，施工模型圖見圖1。

2橋梁樁基受力及變形分析

2.1數值模擬計算

本研究采用Abaqus有限元軟件進行數值模擬計算。依據工程實際概況建立施工模型，模擬計算橋梁樁基在施工中受力及變形特性，對詳細數據進行收集、整理。將數值模擬得出的數據與實際施工的數據進行對比，誤差越小說明本次數值模擬的可行性越高。施工現場樁基分布詳見圖2。

在施工現場，為了更為準確地模擬注漿加固對橋梁樁基的影響，本研究在進行數值模擬分析時嚴格按照施工現場注漿加固材料的具體范圍和強度參數，對樁基的周圍土壤進行了深入的注漿加固數值模擬研究。在此之中，通過增加土體的彈性模量，成功地模擬了注漿后土體的實際狀態。為了更準確地描述注漿加固土體的機械屬性，本研究引入摩爾-庫侖的本構模型為基礎，相關材料參數詳見表1。

在實際工程施工現場，本研究采用了3 m×2 m的群樁基礎布局。樁基礎與承臺緊密相連，而承臺則進一步與橋墩相接，從而有效地承載上部荷載。為了科學評估注漿加固對橋梁樁基所產生的效能影響，本研究將一組未進行注漿加固施工的橋梁樁基進行實際施工，并實時監測施工數據，以此作為研究對照。通過對數值模擬及實際施工的數據進行深入對比分析，能夠更精確地掌握注漿加固技術的實際效用。

2.2數值模擬結果與實測結果對比

在實際基坑注漿加固施工后，本研究對實測受力及變形情況展開了詳細監測及記錄（詳見圖3）。從圖3可看出，在注漿加固之后，橋梁的最大水平位移之處主要出現在樁頂以及承臺的下底面位置。為此，本研究采用了C50混凝土來構造中橫梁，這種材料的高彈性模量顯著提升了中橫梁的剛度，從而有效地控制了橋墩上部的水平位移。數據顯示，中橫梁上部的橋墩水平位移均保持在1 mm以下，這樣的微小位移在實際工程中幾乎可以忽略不計。

經過精確計算，可以得出承臺的最大水平位移量為4.2 mm。與此同時，現場實時監測數據顯示，水平位移的平均值為3.8 mm。通過對比分析，能夠發現數值計算的結果略高于現場監測值。這種細微的差異可能源于土體參數的多樣性、所采用的本構模型的特異性以及其他可能的影響因素。然而，在全面考慮各種因素后，可以證實本研究中采用的數值模型在取值上具有一定的可行性，且其預測結果與實際觀測數據之間的偏差處于可接受范圍內。

2.3基于注漿加固的橋梁樁基受力及變形特性分析

如圖4所示為注漿加固和未注漿加固橋梁樁基受力位移的幅度對比分析。由圖4可以看出，兩種樁基礎的樁身位移分布展現出高度的相似性，都隨著深度的遞增而逐漸減小。通常情況下，樁頂或其相鄰區域會出現最大的位移，無論是近樁還是遠樁，在樁頂的位置，位移的量都是相同的。在沒有進行注漿加固的前提下，遠外樁的位移最為明顯，其次是近外樁，而遠內樁的位移則相對較小。但是，在對樁的周圍土壤進行注漿加固之后，可以清晰地看到相鄰樁基的樁身位移明顯減少，與未加固的情況相比，降幅相當大。這一觀察結果有力地證明了注漿加固技術在控制樁身位移變形方面的卓越效果。

3注漿加固對橋梁樁基受力及變形的影響因素分析

通過對注漿加固與未加固土體的樁身位移特性進行深入分析，發現在基坑的挖掘過程中，采用注漿加固方法可以明顯地控制相鄰樁基的受力和變形。由于漿液本身性質和土體物理力學特性的復雜性以及施工工藝等方面因素的影響，使得注漿工藝與樁身結構之間存在著復雜關系，進而會直接影響到鄰近樁基的穩定性。但是，在實際的施工過程中，確定注漿參數往往依賴于傳統的經驗，這種基于經驗的取值可能會導致參數過大或過小，從而給工程造成不必要的損失。因此，有必要通過數值模擬手段來探究注漿參數與鄰近樁基應力、應變和位移等方面的關系。為了更加科學地研究不同加固參數對相鄰樁基受力變形的影響，本研究采用了Abaqus有限元分析軟件，對注漿加固的寬度和深度進行了深入的研究。通過模擬結果分析，得出了一些有價值的結論，以期能為類似的工程項目提供有價值的參照。

3.1注漿加固寬度對橋梁樁基受力及變形的影響

本研究采用緊靠樁身的注漿技術，在注漿深度設定為8 m的基礎上，對不同注漿寬度進行了全面研究，包括未加固狀態（0 m）及5.4 m、10.6 m、14.6 m、20.6 m、24.6 m、30.6 m等多種寬度。基于下頁圖5所展示的結果，本研究詳細探討了不同注漿加固寬度下鄰近樁身位移隨深度的變化規律。研究結果揭示，在不同的注漿寬度條件下，樁身的側向移動趨勢大體一致，并且隨著注漿寬度的逐漸擴大，樁頂位置的樁身位移也逐步減少。對于不同長度和直徑的錨桿，其樁底沉降均隨注漿寬度增大而減小，并且錨桿越長，這種變化越明顯。尤其在注漿寬度相對較小的情況下，樁身位移更為明顯，并且最大的位移通常集中在樁頂附近的區域。然而，當注漿的寬度＞14.6 m時，其對樁身位移的作用變得微乎其微，此刻樁身位移逐漸穩定，而樁頂位移依然是最為顯著的。這項研究表明，注漿加固的效果與注漿的寬度是正向關聯的，但當寬度超出某個特定的界限時，加固的效果增長將變得不那么顯著。此外，如圖6所示也進一步揭示了樁身最大位移與加固寬度的相互關聯。從圖6可以清楚地觀察到，當注漿加固的寬度＜14.6 m時，樁身的最大位移以一個相對較大的斜率逐步降低；當加固的寬度＞14.6 m時，斜率的減少幅度明顯減小。由此可見，通過精確控制注漿寬度（當注漿寬度為14.6 m時），能夠有效地控制樁身位移，從而提升工程結構的整體穩定性。

3.2注漿加固深度對橋梁樁基受力及變形的影響

本次研究專注于探討注漿加固深度與樁身位移之間的關系。為了確保研究的全面性和準確性，設定了注漿加固寬度為14.6 m，并系統地改變了注漿深度，具體取值涵蓋了從0 m（即未進行注漿）到2 m、4 m、6 m、8 m以及12 m的一系列深度。這樣的設定旨在深入剖析注漿加固深度對樁身位移的影響。相關試驗結果已經詳細記錄在圖7中，以便進行深入的分析和討論。從宏觀的視角審視試驗結果，發現樁身位移隨著注漿加固深度的增加而逐漸減小。然而，當注漿加固深度＞4 m后，樁身位移量趨于穩定，不再隨注漿加固深度的進一步增加而明顯變化。這表明在一定深度范圍內增加注漿加固深度可以有效地減小樁身位移。但值得注意的是，當加固深度達到一定閾值后（即4 m），其對樁身位移的改善效果將逐漸減弱并趨于飽和。這一結論對于優化工程設計和確保結構穩定性具有重要意義。

根據圖8所呈現的數據趨勢可以清晰地觀察到，隨著注漿加固深度的不斷增加，曲線割線的斜率呈現出較大幅度的逐漸減小。但當加固深度超越4 m這一關鍵閾值時，曲線割線斜率的降低速度顯著減緩，同時其變化范圍也大幅縮減。這一重要觀測結果揭示了一個現象：在加固深度＞4 m后，注漿加固的效用開始顯著下降，其對增強結構穩定性的作用也相應大幅降低。

4結語

本研究以廣西南湛高速公路南流江特大橋為實際案例，通過Abaqus有限元軟件進行數值模擬及對比、分析注漿加固對橋梁樁基受力及變形的特性，并深入研究其影響因素，得出了在本項目的實際施工中，最佳注漿加固的寬度為14.6 m，最佳注漿加固的深度閾值為4 m的結論。本研究的實際工程案例應用可為今后類似研究提供理論資料，從而助力我國橋梁工程施工的進步，提升我國橋梁建設的質量和安全性，保障交通運輸的順暢與高效。

參考文獻：

［1］肖祖海.注漿加固技術在橋梁樁基施工中的應用［J］.科學技術創新，2024（10）：158-161.

［2］丁龍.基于樁側注漿的橋梁樁基加固研究［J］.建筑機械，2024（4）：182-185.

［3］伍京湘.橋梁樁基施工中注漿加固技術與優化控制方法［J］.上海公路，2023（4）：87-91，128，210.

［4］張鵬，趙騰躍，王月，等.注漿加固控制鄰近橋梁樁基側向變形分析［J］.施工技術（中英文），2022，51（19）：34-39.

［5］潘天睿.施工過程中橋梁樁基缺陷成因分析及加固方案研究［D］.貴陽：貴州大學，2021.

作者簡介：甘夏連（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設計量工作。