中粗砂層樁端注漿工程實例及數值模擬研究

李 俊，李糧綱，丁耀勝

(中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074)

隨著城市建設的發展，中大型建筑物及重要工程不斷興建，對于地基基礎的規模和單樁承載力有了更高的要求。傳統的灌注樁雖有諸多優點，但限于其成孔工藝的固有缺陷，使得樁端、樁側阻力不能充分發揮。為了改善灌注樁的施工工藝，后注漿技術便應運而生，該技術作為我國灌注樁施工中的重點施工技術之一，不但保留了傳統灌注樁的優點，還有效彌補了其施工工藝造成的缺陷和不足。此外，灌注樁后注漿技術還能夠克服傳統樁基施工過程中產生的泥皮和沉渣情況的出現,提高樁基的承載力,控制地基基礎的沉降量，從而有效提高了灌注樁的質量[1-6]。在很多的大型工程灌注樁施工中，工程地質條件良好的中粗砂層常常作為樁端持力層[7]，因而研究在中粗砂層樁端的注漿形式、注漿機理、注漿效果等具有重要意義。

在土體注漿后，可以通過研究其內在的細觀特征來對應其宏觀變化以達到更加深入細致的研究，因此通過散體介質顆粒流的方法對中粗砂層樁端注漿過程進行數值模擬研究是一種新的思路。周健等[8]運用顆粒流程序對滲流現象進行了顆粒流的細觀模擬，定義了流體域的概念并將顆粒體與流體域耦合；孫鋒等[9]運用顆粒流的方法模擬了劈裂注漿過程，驗證了顆粒流模擬土體劈裂注漿過程的可行性；黃生根等[10]運用顆粒流的方法研究了樁端后壓漿的細觀機理。

基于上述研究，本文通過實際的工程案例來說明在中粗砂層樁端注漿的作用效果，并通過樁端注漿顆粒流的數值模擬研究，在細觀上分析中粗砂層樁端注漿的作用形式、作用機理等，以為類似工程在中粗砂層樁端注漿的設計和施工提供參考。

1 中粗砂層樁端注漿的作用機理

樁端后注漿技術,是指成樁時在樁底預埋注漿管路和注漿裝置，待樁身達到一定強度后，通過注漿管路，利用高壓注漿泵壓注以水泥為主劑的漿液[11]。漿液壓入樁底，在樁周附近的地層中往往以充填、滲透、擠密、劈裂和固化作用等多種形式與土體相互作用，改善地層性質，從而提高樁基的承載性能[12]。

中粗砂層注漿一般以滲透注漿為主，尤其在注漿前期，注漿壓力相對較小，漿液以滲透的形式在砂層中擴散。在孔隙率較大、滲透通道順通的砂層中，漿液僅以滲透的形式在砂層中擴散，隨著注漿壓力及注漿量的增加，漿液擴散半徑逐漸增大；在較密實的砂層中，隨著注漿壓力的增大，漿液會壓密劈裂砂層，形成以滲透注漿為主、壓密劈裂注漿為輔的形式。

(1) 滲透注漿：是指在壓力作用下使漿液充填空隙和巖石的裂隙，排擠出孔隙中存在的自由水和氣體，通過物理化學反應，漿液滲入樁端土體一定距離，形成具有一定強度和低透水性的結石體，堵塞或充填孔隙，起到加固和防滲作用，增大樁端承載面積，使得樁基的承載力得以增強。滲透注漿基本不會改變原狀土的結構和體積，所用的注漿壓力相對較小。

(2) 壓密注漿：是指漿液通過注漿管擠向土體，在注漿處形成球形漿泡漿體的擴散，靠對周圍土體的壓縮，漿體完全取代了注漿范圍的土體，在注漿鄰近處存在大的塑性變形帶；離漿泡較遠的區域土體發生彈性變形，從而使得土的密度增加。

(3) 劈裂注漿：是指在較高壓力作用下，似利斧劈入土層，產生劈裂面，破壞土體結構，在形成的劈裂縫中充填漿液并形成扁平球體或板狀固結，以此加固土體。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本文選取的工程項目位于廣東省揭陽市，用地面積為11 733.9 m2，用地性質為二類住宅用地，擬規劃多棟高層、超高層住宅樓及多層商業、幼兒園等配套設施，采用樁基礎。

表1 場地地層性質表

本工程項目樁基的樁端持力層為⑦中粗砂層(P-1)和⑨粗砂層(P-2)，主樁基采用泥漿護壁后壓漿鉆孔灌注樁，為端承摩擦樁，P-1、P-2設計樁徑均為0.8 m，P-1設計樁長為35 m，P-2設計樁長為55 m，樁基設計參數見表2。

表2 某工程項目樁基設計參數

2.2 鉆孔灌注樁后注漿施工

2.2.1 鉆孔灌注樁施工

鉆孔灌注樁施工過程主要包括4個步驟:成孔工藝、鋼筋籠制作與安裝、混凝土配制和混凝土灌注[13]。鉆進成孔采用正循環回旋鉆機，孔徑為800 mm，孔深入持力層不小于3 m，P-1樁孔深根據樁頂標高和地層變化，其范圍為35～42 m，P-2樁孔深根據樁頂標高和地層變化，其范圍為50～59 m；鋼筋籠主筋5Φ20(貫通整個鋼筋籠)+5Φ18(2/3樁長設置)，螺旋筋選用8@100/150/200，頂籠前5 m采用@100，依次為11 m@150，其余采用@200，加勁筋采用12Φ2 000，一節鋼筋籠通長為12 m，焊接端為0.6 m；混凝土采用商用預制混凝土，強度等級為C35，且摻入阻銹劑，出廠前需做級配試驗，灌注前需做塌落度試驗，塌落度控制在180～220；工程樁采用導管灌注水下混凝土，超灌高度控制在0.8～1.0 m，混凝土灌注充盈系數為1.10～1.25。

2.2.2 后注漿施工

注漿工作于成樁2 d后進行。注漿管采用Φ25(內徑為Φ20，壁厚為2.5 mm)無縫鋼管，且與鋼筋籠加勁筋焊接，注漿管沿鋼筋籠圓周對稱設置2根；注漿閥設置于鋼筋籠底端粗砂層中，其能夠承受1.0 MPa以上的靜水壓力和逆止功能，且在施工過程中使用防水膠帶進行保護；注漿水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5 MPa；注漿水灰比控制在0.50～0.60；單樁注漿水泥用量不小于1 400 kg/根；注漿終止壓力為3～4 MPa，見表3。結合工程實際施工情況，后注漿施工過程以控制注漿量為主、注漿壓力為輔。

表3 試樁樁端注漿參數

2.3 試樁靜載試驗數據分析

本工程項目共14棟樓，灌注樁共有588根，其中P-1樁有156根，P-2樁有432根。為了研究在不同深度的粗砂層樁端的注漿效果以及對比樁端注漿后對樁基沉降量的影響，本次選取5根工程樁(均樁端注漿)，分別為2根P-1樁(Y-23、S-17)和3根P-2樁(3-52、5-43、7-45)，并選取3根試驗樁(均未樁端注漿)，分別為1根P-1樁(S1)和2根P-2樁(S2、S3)，共8根樁作為研究分析對象，開展了試樁的靜載試驗，其試驗結果見表4和圖1。

表4 試樁靜載試驗結果統計

圖1 試樁荷載-沉降曲線圖

由試樁的靜載試驗結果(見表4)可知，5根樁端注漿工程樁均加載至設計荷載且未達到破壞極限，3根未注漿試驗樁均加載至破壞極限從而破壞；對于P-1樁，樁端后注漿單樁極限承載力提升達到50%，對于P-2樁，樁端后注漿單樁極限承載力提升達到76%。

由試樁荷載-沉降曲線(見圖1)可知，在靜載試驗施加荷載前期，試樁荷載-沉降曲線呈平緩型，且注漿樁樁頂沉降量較小，變化不明顯，注漿樁樁頂沉降量較未注漿樁普遍相對較??；隨著荷載的增加，P-1、P-2未注漿樁首先出現曲線陡變，達到破壞極限；而樁端注漿樁均能滿足設計要求，在設計荷載下未出現曲線陡變，即未到達破壞極限。說明試樁的破壞并不是因為灌注樁本身強度不夠而破壞，而是由于持力層強度不夠，在荷載作用下破壞而引起樁基的大幅度沉降。由此說明樁端注漿能夠有效地改善樁端地基土的條件，提高其承載性能。

3 樁端注漿顆粒流數值模擬分析

為了更深入地研究在中粗砂層樁端注漿的作用效果，本文采用二維顆粒流的方法對中粗砂層樁端注漿過程進行了數值模擬研究，從細觀的角度來分析中粗砂層樁端注漿的作用形式、作用機理和特點。

3.1 流固耦合原理

在顆粒流程序的模型中沒有真實的流體存在，而是假想顆粒接觸處存在一個相切于兩個顆粒的管道，而顆粒間的孔隙形成一個貯存流體的流體域[11]?！坝颉笔怯脕韮Υ媪黧w壓力的，并將壓力等效為體力施加在周圍顆粒上，壓力在計算過程中會不斷地更新。其本質是以顆粒接觸作為鏈接從而形成一系列封閉的顆粒鏈，“域”的形狀各異，會隨計算時間步合并或斷開。在樁端注漿過程的模擬中，流體是通過顆粒接觸處的“管道”流動，而“管道”和“域”的大小會隨著顆粒的運動而不斷變化，其中的流體壓力會在計算過程中不斷更新，并實時作用在周邊的顆粒上，而顆粒間管道的直徑也會對流體的流速產生影響，因此可通過“域”和“管道”的連接來模擬顆粒與流體的耦合作用。

3.1.1 流動方程

管道相當于一個長度為L、直徑為a的單位寬度的平板通道。根據流體光滑平板縫隙流動模型，在垂直平面方向平板縫隙內的流量(單位時間體積)為

(1)

式中:k為傳導系數;(p2-p1)為兩個相鄰域之間的壓力差。

3.1.2 壓力方程

假定每個域從周圍管道獲得的流體流量總值為∑q，則在一個時間步長Δt下，流體壓力的增加值為(流入為正)

(2)

式中:Kf為流體的體積模量;Vd為域的表觀系數。

3.1.3 求解方法

計算時應用顯式求解方法，在“管道”和“域”中分別使用流動方程和壓力方程不斷地交替求解?？紤]某個域存在擾動壓力Δpp，因此由于擾動壓力流入域的流量通過公式(1)計算可得：

(3)

式中：R為域周圍顆粒的平均半徑；N為與單個域連接的管道數量。

由公式(3)可計算得出由于流體流入引起的響應壓力Δpr變化為

(4)

根據穩定時的條件響應壓力小于擾動壓力，即Δpr<Δpp，可以得出模擬計算的臨界時間步長為

(5)

3.2 顆粒流模型建立

設定土體由圓形顆粒組成，顆粒流模型尺寸為80 cm×80 cm，顆粒單元半徑R從Rmin到Rmax隨機生成并均勻分布；在顆粒生成后，在區域中心挖除半徑3 cm的顆粒，以此模擬注漿孔，見圖2。以區域中心為圓心設置半徑分別為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm的測量圓系統，以此來記錄一定范圍內土體的平均應力、應變、孔隙率等變化情況，并用來推斷漿液壓力擴散范圍等情況。結合該工程中粗砂層的性質和宿輝等[14]的研究成果，確定了土體顆粒的細觀參數，具體參數取值見表5。

圖2 顆粒流模型

表5 土體顆粒的細觀參數取值

3.3 注漿方案

建立顆粒流模型后，在注漿孔施加注漿壓力，為了進行對比分析，采用注漿壓力分別為0.2 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa進行模擬試驗，主要研究在樁端注漿過程中不同注漿壓力下注漿形式的變化、注漿漿液及注漿壓力的擴散范圍、注漿后土體性質的變化等。

3.4 模擬結果與分析

3.4.1 不同注漿壓力下注漿形式的變化

在樁端注漿的過程中，不同注漿壓力下注漿形式變化的數值模擬結果，見圖3。

由圖3可以看出：

(1) 在以注漿壓力為0.3 MPa的樁端注漿過程中，注漿的漿液壓力近似以同心圓的形式向四周擴散直至注漿結束，注漿前期漿液壓力首先擴散速率較快，隨著注漿時間的推移，其擴散速率逐漸降低直至擴散半徑為11 cm；注漿孔周圍出現小范圍顆粒的位移，該附近的顆粒孔隙有所增加[見圖3(a)]，通過測量系統得知土體正應力有所增加但顆粒接觸黏結并未發生破壞，且土體中拉力的分布范圍較少。由此可以得出在注漿壓力較小的情況下，樁端注漿以滲透注漿為主并伴隨小范圍的壓密注漿。

(2) 在以注漿壓力為0.6 MPa的樁端注漿過程中，注漿前期過程與注漿壓力為0.3 MPa的相似，隨著注漿時間的推移，漿液的擴散范圍不斷增加，在注漿壓力的作用下，以注漿孔為中心顆粒的拉力區范圍不斷向外擴展，說明顆粒間的孔隙連通率在不斷增加，并且出現了明顯的擠密作用；注漿孔附近出現空白區且顆粒均出現了背離注漿孔的位移，隨著注漿的進行直至結束，顆粒的移動逐漸停止，漿液壓力的擴散區域也不再發展，擴散半徑為21 cm[見圖3(b)]。由此可以得出在該注漿壓力下，樁端注漿形式是以滲透注漿和和壓密注漿共同作用的。

圖3 樁端注漿過程中不同注漿壓力下注漿形式的變化情況

(3) 在以注漿壓力為1.0 MPa的樁端注漿過程中，注漿前期與上述兩種注漿壓力下相差不大，隨著注漿時間的推移，漿液的擴散范圍變化并不是很大，但在注漿孔附近顆粒間拉力區范圍增大，顆粒接觸黏結開始發生破壞且破壞逐漸向四周蔓延[見圖3(a)]。由此可以得出在1.0 MPa注漿壓力條件下，由于較大的注漿壓力作用會使得顆粒間發生劈裂破壞，并且隨著注漿的進行，劈裂裂縫逐漸向四周延伸形成注漿通道。

3.4.2 土體性質的變化

(1) 土體孔隙率的變化：在樁端注漿的過程中土體孔隙率的變化能夠直接地反映出注漿的作用效果。圖4為樁端注漿過程中，土體孔隙率變化云圖。

由圖4可見，在距離注漿孔附近，土體孔隙率的變化最大，而且從外向注漿孔土體孔隙率的變化程度逐漸減低，在注漿孔附近土體達到最大孔隙率，由此說明樁端注漿在該處達到最大強度，漿液充填最為密實。

圖4 樁端注漿過程中土體孔隙率變化云圖

(2) 土體應力的變化：在樁端注漿過程中，漿液的擴散會對土體產生滲透、壓密、劈裂固結等作用，同時漿液也通過顆粒運動和重新排列間接地影響樁身受力性質。通過研究土體顆粒間應力的變化情況，可以反映土體顆粒間在相互位置和應力狀態方面的調整。正應力反映了顆粒間的擠壓變形，剪應力則是顆粒間相互錯動的反映。圖5為測量圓的范圍內在樁端注漿過程中土體應力的變化情況。由圖5可見，在樁端注漿過程中，土體應力在注漿前期會迅速增加，且土體正應力的變化遠大于剪應力，說明在樁端注漿過程中土體顆粒位移以擠壓為主；隨著注漿時間的推移，土體應力增加速率逐漸降低直至穩定，其應力達到最大值。

圖5 樁端注漿過程中土體應力的變化情況

4 結 論

本文根據中粗砂層樁端注漿工程實例分析以及樁端注漿顆粒流數值模擬研究，可以得出以下結論：

(1) 由工程實例分析結果可知，樁端注漿是通過提升砂層強度，從而大幅度提高灌注樁樁基的承載性能。

(2) 在樁端注漿過程中會引起土體性質的變化，土體正應力的變化遠大于剪應力，說明在樁端注漿過程中土體顆粒位移以擠壓為主。

(3) 在樁端注漿過程中，距離注漿點越近，土體孔隙率越大，且沿直徑方向變化最為劇烈，說明樁端注漿對該區域土體的作用強烈。

(4) 注漿的漿液擴散半徑會隨著注漿壓力的增加而增加，但當達到一定的注漿壓力后，隨著注漿壓力的增加漿液擴散半徑的增加不再明顯。

(5) 樁端的注漿形式與注漿壓力有關，不同的注漿壓力，在中粗砂層樁端的注漿形式會發生變化，當注漿壓力較小時，樁端注漿主要以滲透注漿形式為主，隨著注漿壓力的增大，樁端注漿會出現滲透、壓密、劈裂并現的注漿形式。