端帽式碎石注漿樁在路堤荷載下工作性狀

邱紅勝， 鄭俊杰

(1．華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074;2．武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

1 端帽式碎石注漿樁

碎石樁在地基處理中應用廣泛，但因碎石樁本身沒有粘結強度，對軟土進行加固時，其效果不理想，無法將上部荷載傳遞到深層地基中。針對這一問題，無砂混凝土碎石樁被開發出來，后來進一步發展為現在的碎石注漿樁，并廣泛地應用于道路工程中［1～4］。

1．1 復合地基組成

高速鐵路對路基的工后沉降要求嚴格，筆者對碎石注漿樁進行改進，提出端帽式碎石注漿樁(圖1)，以減少樁體的上下刺入，達到提高復合地基承載力、減小地基沉降的目的。

圖1 端帽式碎石注漿樁復合地基組成

現有碎石注漿樁由碎石和水泥砂漿膠結而成，從成樁工藝看，類似于鉆孔灌注樁，從樁的材料看，又屬于膠結體樁。樁體的直徑一般為30～70 cm，適用樁長 30 m 以內［4～6］。

1．2 樁體施工步驟

(1)小型鉆機按設計樁徑，鉆進至設計深度成孔;樁頂以下1 m范圍內將土體斜切成45度擴大頭。(2)將注漿管放至孔底，投放碎石料。利用注漿管放水清洗孔壁。(3)進行注漿，漿液由下向上逆行，先樁底0．50～1．0 m范圍壓密微膨脹注漿液，形成下端樁帽，再滲透注漿樁體，至樁上頂端，上頂端二次注漿形成上端帽(或直接澆筑混凝土)，形成上下均帶樁帽的樁體，見圖2。

1．3 上下端帽的作用

在道路工程中為了防止樁端過度向上刺入，設計剛性承壓樁帽，減弱樁頂應力集中。因樁帽作用及土拱效應，樁身承擔大部分的荷載，提高了樁體的荷載分擔比［7～9］。

在樁體下端約500～1000 mm范圍，投放約1．5～2倍體積的高稠度微膨脹注漿液，壓密樁底松散體并形成微擴大頭的下端樁帽，提高單樁承載力，減少樁體下端沉降量。

圖2 端帽式碎石注漿施工步驟

1．4 注漿在樁體膠結中的作用

碎石注漿的漿液除在鉆孔中滲透固結碎石成樁外，也向周圍土體滲透，使樁體與土體間形成一個土和砂漿結合的過渡帶，增加了樁與周圍土體的摩擦力。

水灰比大的水泥砂漿漿液流動性能好，有利于漿液對樁周土的滲透，但水灰比過大不僅不能提高漿液的流動性，還會使其強度和密度下降;水灰比較小，漿液膠結后強度高，注漿時易發生堵管現象，必要時可以加入外加劑以提高漿液的和易性，提高漿液的早期強度。漿液的水灰比約為1∶1．5，泵的最大工作壓力不應低于 2．5 MPa，開始注漿時，需要1．5～2．5 MPa(與深度及土質有關)的起始壓力，將漿液經注漿管從孔底壓出后，注漿壓力宜為0．3 MPa，每小段回注壓力宜為0．3～0．7 MPa，使漿液逐漸上冒，直至漿液泛出孔口停止注漿。飽和土有必要采用微膨脹注漿液二次壓密注漿，壓力宜為 1．0～1．3 MPa，需要增大注漿加固區時，可在地面負載并加大二次注漿壓力［9］。底端壓密注漿段泵的最大工作壓力不應低于3 ～5 MPa，注漿壓力提高到 2．5 MPa［7～10］。試驗結果表明，未注漿樁的單位摩阻力約為0．05～0．2 MPa，樁側注漿樁的單位摩阻力為 0．1～0．3 MPa，即注漿后比注漿前可提高約1．5倍。

2 路堤荷載特征

加固軟土路基時，路堤為樁體的向上刺入提供了較大空間，路堤荷載為柔性荷載，樁與樁間土主要通過樁體的刺入變形來實現共同作用，在樁周上部區域，產生負摩阻力;當樁端為非堅硬持力層時，樁體也產生向下的刺入變形，因而在樁的下部產生正摩阻力。

圖3和圖4所示的是端帽式碎石注漿樁在路堤荷載作用下的荷載傳遞及復合地基變形。

圖3 復合地基荷載傳遞特性

圖4 路堤荷載下復合地基變形

現有的復合地基理論大都采用“樁土等應變”假設，實際路堤的剛度介于剛性基礎和理想柔性基礎之間［11～13］。吳慧明等［14］通過單樁復合地基的模型試驗證明了柔性基礎下復合地基的承載力和樁土應力比分別小于剛性基礎下的對應值，而沉降量的變化規律則相反。因此，剛性基礎下復合地基理論一般情況下不能直接應用于柔性基礎下的復合地基。

3 復合地基數值分析

利用數值分析方法，考慮復合地基、墊層和基礎之間的共同作用，對柔性基礎下剛性樁復合地基的工作性狀進行研究，討論不同基礎相對剛度下樁端上、下刺入變形的變化趨勢。為研究端帽式碎石注漿樁復合地基工作性狀，選用與文獻［2］相似的模型，對比端帽式碎石注漿樁沿深度側摩阻分布、樁身軸向應力，在不同的地基土彈性模量下樁體的上下刺入變形的變化規律，分析中置換率m為4%，樁土間的摩擦系數為0．20(比實際偏小)。為了更符合工程實際，樁仍采用線彈性體，利用ABAQUS軟件建立平面模型，在蓋板和土體、樁側和土體之間建立主從接觸對，接觸分析采用庫侖摩擦模型，摩擦系數 0．2［15］，具體參數見表1。模型研究了三種典型樁:碎石樁、水泥攪拌樁、碎石注漿樁(三種模量)，對剛性端帽碎石注漿樁(彈性模量約5000 MPa)沿深度側摩阻分布、樁身軸向應力，以及在不同的地基土彈性模量下樁體的上下刺入變形進行比較。

表1 材料物理力學計算參數

圖5 加固區土模量為5 MPa時的樁身軸線應力

綜合圖5可看出，三種模量的樁體的軸力變化規律在上部較一致，在中下部有一定差異，上部樁頂軸力由小變大，柔性基礎由于剛度小，樁間土沉降量大于樁頂的沉降量，使得樁頂產生向上的刺入變形，一定深度范圍內，樁間土相對樁體產生負摩阻力，直至某深度處中性點，柔性基礎下復合地基中樁身軸向應力最大點出現在中性點處，呈現隨樁體模量增加而樁身軸力增幅加大。

比較端帽樁體(圖5)，在樁頭處的應力大于無端帽的狀況，且整個深度范圍內的樁體承載力高于無端帽者，隨樁身剛度增加其軸力提高幅度增大。樁體模量為15 MPa時，端帽樁體與一般樁體的軸力曲線基本重合，上端帽的作用不明顯。樁的模量為250 MPa時，端帽樁體軸力明顯增加，上端帽軸力增幅較下端略小。樁的模量為5000 MPa時，上端帽(承壓板)，下端帽(擴大體)的效用明顯，基本上呈等幅增加。從圖5可明顯看出端帽對提高樁土荷載分擔比的效果。由于上端帽的作用，樁間土形成的土拱拱跨減小，降低樁間土沉降。

圖6 樁體模量5000M Pa時刺入量隨加固區土模量的變化

本數值分析按樁底1．25倍擴大分析其工作效應，圖6顯示，樁在底部減少刺入量隨土模量的增大由大變小。當土的模量為1～3 MPa時，端帽樁體較一般樁體減小樁體下刺入變形的效果非常明顯;當土的模量為3～5 MPa時，效果明顯，只是土的影響相對變小。樁底的壓密注漿可對持力層進行適當擠密，其擠密的效果與注漿壓力、持力層土體有關，樁底注漿擴大體對減小下刺入變形的作用明顯。

隨著地基土模量的提高，土體分擔上部荷載加大，表現出樁體上下刺入量減小。結合文獻［1，2］可知，對應樁體的摩擦阻力、樁身軸力也隨模量的提高而減小。

圖6顯示，當地基土的模量偏低時，承壓板及注漿樁對減小復合地基的沉降效果明顯。當模量增加到一定程度后，上端帽及樁底擠密的效用降低。

為了進一步研究端帽式碎石注漿樁樁距的影響，本文對某路基［16］分別計算了樁距 2 m、2．5 m、3 m、4 m四種工況，樁頂和樁周土總沉降隨樁距的變化規律(圖7)。隨著樁距增大，樁和樁間土的沉降隨之增大，但樁間土的沉降明顯要大于樁的沉降。在樁距3 m和4 m工況下，樁土沉降差異更明顯。實際工程中應避免樁間距過大。

圖7 樁間距對沉降的影響

樁土應力比、漿土應力比(漿土應力比為注漿加固區與未加固土的應力比值)隨樁距的變化規律如圖8所示。隨著樁間距的增大，樁間土的應力逐漸增大，即樁土應力比減小，但漿土應力比只是略有減小。

圖8 樁間距對應力比的影響

圖9 樁距對不同漿液擴散半徑工后沉降影響

圖9為路基中樁的樁頂在各種樁距下，不同漿液擴散半徑時的工后沉降。注意到樁距2 m、漿液擴散半徑0．2 m與樁距2．5 m、漿液擴散半徑0．4 m這兩種工況下，工后沉降幾乎相等，實際設計中從經濟的角度，可選用后者。

4 結論

(1)端帽式碎石注漿樁符合柔性基礎的變形特點，在柔性荷載作用下對軟土地基有良好的加固效果。

(2)端帽式碎石注漿樁的樁上端帽提高了樁體荷載分擔比，避免樁頂向上發生刺入破壞。樁底擴大頭可以提高樁的承載力，減小樁底的刺入量，充分發揮樁體效用，提高復合地基承載力及減小地基沉降，特別適用于對路基的工后沉降要求嚴格的工程。

(3)在本文條件下，樁距2 m、漿液擴散半徑0．2 m與樁間距2．5 m、漿液擴散半徑0．4 m這兩種工況加固效果相近，說明當漿液擴散半徑較大時，可適當增大樁距。

(4)設計過程中，應綜合考慮土層及樁體強度，調整端帽樁距、漿液擴散區置換率等設計參數，得出較優的方案。

［1］ 龔曉南．復合地基理論及其工程應用［M］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［2］ 俞建霖，龔曉南，江 璞，等．柔性基礎下剛性樁復合地基的工作性狀［J］．中國公路學報，2007，20(4):1-6．

［3］ 左威龍，劉漢龍，陳永輝，等．漿固碎石樁成樁注漿影響范圍現場試驗研究［J］．巖土力學，2008，29(12):3329-3332．

［4］ 王 玫．無砂混凝土碎石樁加固飽和軟黏土地基的方法［J］．河北理工學院學報，1998，20(2):83-86．

［5］ 趙鵬飛，楊書民．投石壓漿無砂砼小樁復合地基處理技術在雜填土地層的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2002，31(1):32-33．

［6］ 程華龍．注漿微型樁加固軟土地基的機理與設計計算［J］．地質科技情報，1999，18(S1):54-56．

［7］ 何 樣，司海寶．注漿混凝土樁在杭千高速公路路基處理中的應用［J］．北京工業職業技術學院學報，2004，3(4):70-74．

［8］ 韓金田．復合注漿技術在地基加固中的應用研究［D］．長沙:中南大學，2007．

［9］ 邱紅勝，韓德章，鄭俊杰．帶承壓板注漿工法研究及工程應用［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(7):1207-1210．

［10］ Alamgir M，Miura N，Poorrooshasb H B，et al．Deformation analysis of soft ground reinforced by columnar inclusions［J］．Computer and Geotechnics，1996，18(4):267-290．

［11］ 徐 靜，俞建霖．柔性基礎下復合地基解析分析方法現狀研究［J］．地基處理，2006，17(3):3-10．

［12］ 李海芳．路堤荷載下復合地基沉降計算方法研究［D］．杭州:浙江大學，2004．

［13］ 劉吉福．路堤下復合地基樁土應力比分析［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(4):674-677．

［14］ 吳慧明，龔曉南．剛性基礎與柔性基礎下復合地基模型試驗對比研究［J］．土木工程學報，2001，34(5):81-83．

［15］ 費 康，張 建．ABAQUS在巖土工程中的應用［M］．北京:中國水利水電出版社，2010．

［16］ Qiu Hongsheng，Chen Jianmei，Li Mei．Numerical analysis of settlement of composite foundation reinforced with crushed stone grouting pile and rigid bearing plate［J］．Journal of Southwest Jiaotong University(English Edition)，2010，18(2):99-106．