缺陷樁基加固處理效果分析研究

肖立江 周云劍 喬 森

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

樁基礎廣泛應用于各類工民建及橋梁基礎中，在樁基澆筑過程中，由于各種原因，導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，根據有關數據統計，在所有成樁數據中，約四分之一的樁基礎存在不同程度的缺陷，缺陷的存在會導致樁基承載力的下降，從而進一步危及樁基的使用安全。

近年來，社會各界對樁基礎缺陷的研究主要集中在缺陷產生的機理、缺陷的形式、缺陷對樁基礎的影響程度。曹俊楠[1]利用相關編程軟件，編寫了以樁身長度、樁徑、缺陷位置等為控制變量的計算程序，用于計算分析樁基承載力的變化情況，同時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，對群樁基礎在樁底沉渣、擴徑、斷樁等因素影響下進行非線性計算，得到了缺陷影響下樁基承載力與樁基沉降的規律。蘇娟[3]采用模型試驗，對樁基斷樁位置進行分析，通過不同斷樁位置的荷載-位移曲線，進一步得到不同斷樁位置對樁基承載力的影響，結果表明，當斷樁位置接近樁基頂面時，斷樁對樁基承載力的影響越大。

本文主要作以下幾方面研究：

（1）對缺陷樁的工作性狀及工作機理的研究進行數值模擬，計算分析各類樁基缺陷導致的樁的承載力、剛度的變化情況。

（2）對各類加固方法加固后的樁基進行數值模擬，得出加固后缺陷樁的受力性能，進一步優化處理方案。

1 樁基缺陷對樁基承載力影響的研究

1.1 橋梁結構參數及土體參數

本文選取的模型基礎為某大橋工程，橋梁主跨為100m的剛構橋，基礎采用鉆孔灌注樁基礎（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，根據橋梁支承反力計算分配，樁基礎單樁承載上部結構傳遞荷載取整為12400kN，換算頂面壓力取整為3950kN/㎡。

模型中土體參數來自該工程項目，樁周土體性質如表1：

表1 樁周巖土體力學參數

1.2 ABAQUS模型

計算條件基本假定：

（1）土體底面的邊界條件為完全約束，兩側分別為X方向和Y方向的約束。

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

樁土模型劃分網格后的模型如圖1所示。

圖1 樁基-土共同作用模型

1.3 計算不同樁基缺陷對承載力的影響

根據建立的樁土模型，對以下內容進行計算分析：

（1）樁基缺陷位置對樁體應力的影響分析。

（2）不同樁基缺陷形式對樁體應力的影響分析。

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樁基影響最不利的位置。缺陷的模擬采用對樁基局部更換材料參數進行，即在原樁模型的基礎上，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范圍內的混凝土材料替換；環形缺陷模擬為以樁體圓心為原點，寬度為0.2m，外徑為樁體直徑的圓環型，缺陷加載高度為0.5m；扇形缺陷則模擬為樁體不同內角面積，加載高度為0.5m的扇形區域缺陷，通過三種缺陷的計算分析進行橫向對比，計算結果梳理如表2所示。

表2 不同缺陷形式下樁身應力應變計算結果

計算結果表明，當樁基存在缺陷時，在同樣的外部荷載下，樁體內部將承載更大的應力，同時樁體變形也增大，導致樁基承載力下降，進而對樁基的使用安全及可靠度產生影響。其中，在模擬的三種缺陷中，當缺陷位置發生在樁基底部時對樁基變形的影響最大。當缺陷發生在同一位置時，以環形缺陷對樁基承載力影響最大。另外，當扇形缺陷發生在樁基下部時，缺陷對樁身壓力的影響最大。

2 缺陷樁基加固模擬分析

應用有限元ABAQUS建立缺陷樁采用不同加固方式加固的模型，計算分析各種加固方式加固補強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、增強補樁法，其中注漿加固考慮注漿位置和注漿量兩個變量因素。最后將處理過后的樁與原設計在相同地質條件下的受力性能作對比，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、樁側土及注漿體，加固模型采用原計算模型，注漿漿體采用高標號硅酸鹽水泥制作，根據試驗數據，取加固后漿體強度為30MPa，樁側土假設為粘土，彈性模量擬定為18MPa，泊松比為0.35，分別計算不同位置注漿后樁土應力的計算結果如表3，截取上部注漿后結算云圖如圖2、圖3所示。

圖2 上部注漿后樁-土應力計算結果

圖3 上部注漿后樁-土應變計算結果

表3 不同缺陷樁身應力應變計算結果

從表3中可以看出，摩擦樁樁基注漿加固時，采用上部、中部、下部三種注漿形式對樁體缺陷進行補強后，樁體應力、應變值均有所減小。注漿量一定時對缺陷位置及以上部分加固，樁身應力應變值最小，最接近未缺陷前樁基的受力狀態，即加固效果最明顯，加固應從樁基缺陷位置以下1m～3m位置開始。

2.2 增強補樁法

增強補樁法又叫做樁基托換法，適用于樁身缺陷位置存在較深，且經計算樁身強度已不滿足使用要求或者使用性能不滿足規范要求的情況，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斷裂，計算出增加小直徑管樁的整體樁基承載力，并計算出原始設計有承臺時樁基的承載力，兩者對比。

2.3 增大截面法

在ABAQUS中對存在缺陷的樁基進行樁帽處的增大截面，補強混凝土選用C25混凝土，在樁帽處以樁圓心為中心環形增大直徑0.5m截面，高度1.0m，補強鋼筋選用Φ25mm的HRB335鋼筋，模型如圖4所示。

圖4 增大截面加固后應力計算結果

施工中常用的注漿法、增強補樁法、增大截面法均能有效的對缺陷樁進行處理，能夠降低缺陷樁基缺陷處的應力，如表4所示。

表4 缺陷樁加固處理結果對比

3 結束語

本文通過對不同樁基缺陷及加固進行模擬，計算分析樁基應力及應變情況，從而判斷缺陷及加固情況下樁基承載力的變化情況，得到以下主要結論：

（1）樁基缺陷的存在，會導致樁基內部應力狀態增大，變形增大，使樁基的使用安全、可靠度存在較大影響，其中，較缺陷發生在上部、中部時當缺陷發生在樁體下部時對樁體影響最大。

（2）不同缺陷形式對樁基的影響不一，在模擬的扇形缺陷、環形缺陷、全斷面缺陷中，在同樣的發生位置，環形缺陷對樁基的影響最大，而當樁基上部發生扇形缺陷時，對樁體應力相對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樁基加固后的結果影響較大，對于摩擦樁，增大截面法對樁基缺陷的加固最為有效。