基于注漿加固的橋梁樁基承載特性研究

中圖分類號：U443.15文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.025

文章編號：1673-4874（2025）01-0085-04

0 引言

隨著我國城市化進程不斷加速，交通基礎設施建設不斷完善，橋梁工程作為連接城市交通的重要組成部分，承載著越來越重要的交通運輸任務。樁基作為橋梁結構中的重要支撐構件，其受力性能和變形特性對整個橋梁結構的安全性和穩定性起著至關重要的作用，然而在實際工程中，樁基常常受到地基土質條件、地下水位變化等因素的影響，導致其受力性能和變形特性存在不確定性。因此，尋求一種有效的樁基加固方案提高橋梁樁基的承載能力和變形穩定性，具有重要的工程實踐意義。

近年來，注漿加固技術作為一種常用的橋梁樁基加固手段，得到了廣泛的應用和研究。通過在樁基周圍注入混凝土或其他材料，可以有效地改善樁基的受力性能和變形特性，提高其承載能力和穩定性，從而增強整個橋梁結構的安全性和可靠性。戴國亮等2在鉆孔灌注樁現場靜載試驗的基礎上提出了組合后注漿樁以提高承載力的設計方法。萬志輝等3-4基于注漿加固樁基現場試驗建立了大直徑樁注漿加固后的承載力及沉降計算方法。隨著計算機技術的快速發展，通過數值計算方法對橋梁樁基注漿加固的效果和機理進行研究成為了現場試驗的有力補充，楊磊、王偉等5-6分別通過有限元法和有限差分法進行樁基注漿加固研究，結合現場試驗數據，分析了橋梁樁基注漿加固效果的影響因素。

本文依托廣西某粉土地區高速公路橋梁樁基注漿加固工程，利用有限元軟件進行數值模擬，設置不同計算工況，分析了不同樁基參數和注漿參數對橋梁樁基承載特性的影響，以期為橋梁樁基的設計及施工提供參考。

1工程背景與數值建模

本文依托廣西某粉土地區高速公路橋梁樁基礎注漿加固工程，利用有限元軟件進行數值模擬研究，分析了樁側注漿對橋梁樁基的力學性能的影響。研究區域地勢較為平緩，地層組成較為簡單，地表出露地層為深厚的第四紀全新統粉土及粉質黏土地層，屬典型軟土地區，地層力學性質較差，且具有明顯的沉積層理。研究區水資源較為豐富，水流通道較復雜，地層富水性強。通過詳細的地質勘察，得到橋梁樁基礎加固區的現場地層物理力學參數如表1所示。

該橋梁工程的樁基礎形式為單樁，樁長為22.0 m，樁徑為1.2m，利用有限元軟件建立樁-土數值模型。為盡量減少模型邊界效應對計算結果的影響，對計算模型范圍進行適當放大，模型高度選為2倍樁長，模型長度和寬度均選為50倍樁徑，即設計模型尺寸為 60.0m× （長 × 寬 × 高）。數值模型如圖1所示。

巖土體本構模型采用摩爾一庫侖模型，具體參數取值如表1所示。橋梁樁基采用實體單元進行建模，由于樁身彈性模量遠大于土體彈性模量，樁體變形在數值計算中幾乎可忽略不計，故可將樁體變形視為彈性變形。樁體處于彈性狀態，采用線彈性本構模型，樁長為22.0m，樁徑為 1.2m ，樁身彈性模量為 32.5GPa ，泊松比為0.3。模型邊界條件為：模型頂面設置為自由邊界，在模型底面施加全約束，限制其切向和法向位移；在模型側面施加法向約束，限制其法向位移。數值模型的物理力學參數取值與表1一致。

2樁基參數對樁基承載特性的影響

2.1樁長對樁基承載特性的影響

為研究樁長對樁基承載力的影響，設置樁徑為1.2m 、注漿深度為 注漿段長 注漿半徑為1.6m，選取樁長分別為16.0m、22.0m、28.0m和34.0m的4種工況進行數值計算，得到不同樁長下樁基荷載一沉降曲線如圖2所示。

由圖2可知，樁頂沉降隨荷載的增大而逐漸增大，在相同荷載下的樁頂沉降值隨著樁長的增大而逐漸減小。取樁頂沉降值陡降前的荷載為樁基極限承載力，樁基極限承載力隨樁長增大而逐漸增大。相同樁長條件下，注漿加固后的樁基沉降明顯小于未注漿工況，樁基極限承載力明顯高于未注漿工況。在未注漿工況下，當樁長分別為16.0m、22.0m、28.0m和34.0m時，樁基的極限承載力分別為6000KN、6500KN、7000KN和8000KN，與樁長為16.0m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 0.8.3% 、16. 7% 和33. 3% ；在注漿工況下，當樁長分別為16.0m、22. 28.0m和34.0m時，樁基的極限承載力分別為 18000k N.8500k N.10000k N.11000k N， 與樁長為16.0m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 0.6.25%.25.0%.37.5% 。

2.2樁徑對樁基承載特性的影響

為研究樁徑對樁基承載力的影響，設置樁長為22. 注漿深度為 注漿段長 注漿半徑為 1.6m ，選取樁徑分別為 0.8m.1.2m.1.6m 和 2.0m 4種工況進行數值計算，得到不同樁徑下樁基荷載一沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著樁徑的增大，在相同荷載下的樁頂沉降值逐漸減小，樁基極限承載力逐漸增大，相同樁徑條件下，注漿加固后的樁基沉降明顯小于未注漿工況，樁基極限承載力明顯高于未注漿工況。在未注漿工況下，當樁徑分別為0.8m、1.2m、1.6m和2.0m時，樁基的極限承載力分別為5000kN、6 000KN、7500kN和9000KN，與樁徑為0.8m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 0.20.0% ，50.0%.80 0 0% ；在注漿工況下，當樁徑分別為0 m和2.0m時，樁基的極限承載力分別為7500kN、9500kN、10000KN和11000KN，與樁徑為0.8m的工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為0.26.7%.33.3%.46.7% 。

綜上，樁長和樁徑均在很大程度上影響樁基承載力。分析其原因為：增大樁基的樁長和樁徑均可增大樁基的體積與表面積，樁基體積增大可擴大樁基的加固范圍，樁基表面積增大可使樁基的側摩阻力增大，提升樁基加固效果，二者共同作用，可顯著提高樁基的極限承載力。然而，在實際工程中，增大樁基的樁長和樁徑均會在很大程度上提高工程造價，綜合考慮經濟因素，參考注漿加固工況下不同樁長和樁徑的樁基極限承載力，選取最優樁長為28.0m、最優樁徑為1.2m。

3注漿參數對樁基承載特性的影響

3.1注漿深度對樁基承載特性的影響

為研究注漿深度對樁基承載力的影響，設置樁長22.0m、樁徑為1.2m、注漿段長 5m 注漿半徑為1.6m選取注漿深度分別為 和 20m4 種工況進行數值計算，得到不同注漿深度下樁基荷載一沉降曲線如圖4所示。

由圖4可知，在注漿段長相同的條件下，注漿深度對樁基極限承載力存在較大影響，隨著注漿位置的下移，樁基極限承載力逐漸增大。在未注漿條件下，樁基的極限承載力為6000KN，當注漿深度分別為 和 時，樁基的極限承載力分別為6500k N，7000k N，7500k N，8000k N， 與未注漿工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 8.3% 、 16.7% 、25. 0% 、33. 3% 。分析其原因為：注漿位置的變化會導致樁身側摩阻力的分布出現變化，當注漿位置位于樁身下部時，樁身側摩阻力的提升效果較為明顯。隨著注漿位置的抬升，側摩阻力提升的幅度逐漸減小，對樁基極限承載力的提升效果逐漸減弱。

3.2注漿段長度對樁基承載特性的影響

為研究注漿段長度對樁基承載力的影響，設置樁長為22.0m、樁徑為1.2m注漿深度為0～Xm（X為注漿段長度）注漿半徑為1.6m，選取注漿段長度分別為 5m 10m、15m和20m4種工況進行數值計算，得到不同注漿段長度下樁基荷載一沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知，以樁頂為起點向下進行注漿，隨著注漿段長度的增大，樁基極限承載力逐漸增大。未注漿條件下樁基的極限承載力為6000KN，注漿段長度分別為5m、10m、15m和20m時，樁基的極限承載力分別為6500KN、7500KN、8000KN、9000KN，與未注漿工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 8.3% 、25. 0% 、33.3%.50.0% 。這是因為注漿段長度的增大會明顯增大樁基的側摩阻力，從而提高樁基的極限承載力。

綜上，在實際工程中，應優先選擇在樁身下部的位置進行注漿加固，可考慮以樁底為加固起點，盡量向上延長注漿加固段，以期獲得更好的加固效果。

3.3注漿半徑對樁基承載特性的影響

為研究注漿半徑對樁基承載力的影響，設置樁長為22.0m 樁徑為 1.2m 注漿深度為 注漿段長度為 20m ，選取注漿半徑分別為 和3.0m4 種工況進行數值計算，得到不同注漿半徑下樁基荷載一沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著注漿半徑的增大，樁基極限承載力逐漸減小。未注漿條件下樁基的極限承載力為6000KN，注漿半徑分別為 m和3.0m時，樁基的極限承載力分別為 9000k N，8000k N，7000k N， 6500kN，與未注漿工況相比，樁基極限承載力增加比例分別為 50.0%、33.3%、16.7%、8.3% 。這是因為注漿半徑越小時，注漿加固時的擠密作用更加顯著，對樁基的極限承載力提升效果越明顯。根據計算結果，當注漿孔與樁體中心小于2倍樁徑時，注漿加固的效果較好。在實際工程中，在保證注漿擾動不會對樁體產生不利影響的前提下，應盡量選取較小的注漿半徑。

4樁側注漿加固效果現場試驗驗證

根據數值計算結果，在工程現場設置了三根相同的試驗樁，分別進行未注漿工況、初始方案的注漿加固工況以及優化方案的注漿加固工況下的樁基承載力靜載試驗。工況設置如表2所示，得到不同工況下試樁的荷載一沉降曲線如圖7所示。

由圖7可知，未進行注漿加固的 試樁的樁基極限承載力僅為6000KN，通過初始方案進行注漿加固的 試樁的樁基極限承載力提升至9000KN，通過優化方案進行注漿加固的 試樁的樁基極限承載力達到10000KN。與未注漿加固的 試樁相比， 和 試樁的樁基極限承載力提升幅度分別為50. 0% 和66. 7% ，這與數值計算得到的結果基本一致。

5結語

（1）樁頂沉降隨荷載的增大而逐漸增大，在相同荷載下的樁頂沉降值隨樁長和樁徑的增大而逐漸減小，樁基極限承載力隨樁長和樁徑的增大而逐漸增大。在實際工程中，增大樁基的樁長和樁徑均會在很大程度上提高工程造價，綜合經濟因素考慮，選取最優樁長為28. 最優樁徑為1.2m。

（2）在注漿段長度相同的條件下，隨著注漿位置的下移，樁基極限承載力逐漸增大，在注漿起始位置相同時，樁基極限承載力隨著注漿段長度的增大而逐漸增大。在實際工程中，應優先選擇以樁底為加固起點，盡量向上延長注漿加固段。

（3）隨著注漿半徑的增大，樁基極限承載力逐漸減小，這是因為注漿半徑越小時，注漿加固時的擠密作用更加顯著，對樁基的極限承載力提升效果越明顯。在實際工程中，在保證注漿擾動不會對樁體產生不利影響的前提下，應盡量選取較小的注漿半徑。

參考文獻

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