粉質黏土地層樁側注漿對既有樁基承載力提升研究

房雷　羅金波　張永安　郝志斌

摘要：針對粉質黏土地層樁側注漿技術受樁周和樁基服役環境復雜性造成的注漿效果與樁基承載性能間的內在關聯機制不明確的問題，通過模型設計提出樁側注漿提升樁基承載力的理論計算方法。首先對注漿模型裝置進行研發，并通過該裝置對粉質黏土注漿加固作用規律進行分析。然后以樁基礎樁側注漿模擬實驗為基礎，對不用注漿條件影響承載特性作用規律進行分析，修正了樁基礎樁側注漿承載力的計算方法，為工程施工提供一些數據參考。

關鍵詞：樁基礎;粉質黏土;承載力;樁側注漿

中圖分類號：TU473

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0124-05

Study on the mechanism of pile side grouting in silty clay layer to improve the bearing capacity of existing pile foundation

FANG Lei LUO Jinbo ZHANG Yong’an HAO Zhibin

（Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Investigation Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China

）

Abstract： For silty clay stratum lateral pile grouting technique of pile and pile foundation service environment complexity caused by grouting effect and the inner relation between the pile foundation bearing capacity mechanism is not clear， a theoretical calculation method of pile side grouting to improve the bearing capacity of pile foundation is proposed through model design. Firstly， the grouting model device is developed， and the grouting reinforcement law of silty clay is analyzed through the device. Then， based on the pile side grouting simulation experiment of pile foundation， the action law of bearing characteristics without grouting conditions is analyzed， and the calculation method of pile side grouting bearing capacity of pile foundation is modified to provide some data references for engineering construction.

Key words：pile foundation; silty clay; bearing capacity; pile side grouting

樁基作為橋梁承載的主要結構，在橋梁建設中起重要作用。我國國土遼闊，土質情況較為復雜。處于粉土和粉質黏土等軟弱地層的橋梁樁基普遍存在有承載力不足，無法滿足當前承載要求。目前對

樁基承載力的研究還存在很多局限性，難以實現量化分析，使得工程設計和施工存在很大的盲目性。針對以上問題，國內很多學者進行了一系列研究，如以初始靜載和循環加載后靜載兩個獨立試驗，對析樁基承載力的循環弱化規律進行分析[1];采用樁基靜載試驗、孔徑測試與數值模擬結合的方法研究黃土地基擠密預處理后灌注樁承載特性，對單樁極限承載力變化規律變小[2]。以上學者的研究為樁基承載力的提升提供了一些方法，基于此，本文通過建立數據模型，對既有樁基承載力提升機理進行研究，為以后工程施工提供一些參考。

1既有樁基礎注漿模擬實驗系統

1.1樁基礎模擬實驗裝置

此次設計的試驗裝置總體劃分為多個部分，包括樁基礎模型箱、監測以及加載系統。其中模型箱屬于基礎的部分，其高度和直徑均為120 cm，具體是通過螺栓將4節高度為30 cm的鋼筒進行拼接，并設置注漿孔等。該裝置的基本結構如圖1所示。

將邊界效應的影響考慮在內[3-5]，實驗采用的模擬系統直徑為120 cm;模擬樁采用鋁管，直徑為2.8 cm，樁長為72 cm。

1.2試驗過程信息均監測系統

注漿時的力學特性等的監測包括承載力以及軸力等樁基礎參數，土抗剪強度等物理場信息等[6-8]。結合監測信息的類型設計監測系統，系統中劃分為多個部分，實現對于不同信息的有效監測，其中百分表主要對樁頂沉降位移等進行監測，精度為0.01 mm;土壓力盒用于對樁端阻力的監測，選擇的具體型號是YBJT型，量程、直徑分別是2 MPa、28 mm，精度是0.1%;除了上述部分之外，還需要采用應變片采集樁側摩阻力信息，選擇的型號是bx120-3AA型，基底長、寬分別是4.5、2.4 mm，敏感柵長、寬分別是2、1 mm，靈敏系數2.08，電阻120 Ω。在系統中需要根據監測要求將各個部件設置在合適的位置。

2樁周注漿模擬實驗

2.1樁周土體的充填

樁周土體均為粉質黏土，同時采用土工試驗獲取含水率等信息[9]。在充填過程中夯實法進行壓實，每次達到10 cm的填充高度。根據結果可知，樁周土體的密度、含水率分別是1.8 g/cm、20%。充填過程中，需添加適量的水分，其質量m：

式中：m、ω分別代表土體的質量、含水率。在監測系統設計中需要將位移計置于樁頂合適的位置，繼而實時獲取到樁基礎沉降信息。另外將應變片置于模擬樁內部位置，布設間隔為10 cm。具體布設方式以及參數如圖4所示。

2.2注漿試驗方法

在本次研究中需要分析樁側土體力學特性的影響因素，重點探討了注漿量的影響。結合樁周土體的注漿壓力上限來進行設計，注漿結束的控制標準主要是注漿量[10]。在此次試驗中劃分為不同注漿組和對照組，注漿量依次是25、35 kg，注漿壓力是1.0 MPa。試驗中采用的是水泥單液漿，基本的參數信息如表1所示。

2.3模擬樁埋設與注漿效果監測

在本次研究中選擇了埋入式試驗樁，將模擬箱和方木進行連接，以此實現固定的功能。充填結束之后需要取出整個裝置，否則會對其他的操作產生不利影響。樁基礎承載力預測中，靜載試驗定期采集監測數據，周期為5 min，根據沉降量大小確定是否繼續施加下級荷載，如低于0.1 mm/h則開始施加，荷載具體劃分為9級，分別是120、180、240 N…，即級差為60 N。在試驗中需要根據荷載沉降曲線來判斷是否已經達到了極限狀態，具體的判斷標準有兩個，首先是累計沉降達到樁徑的1/10，其次是曲線中存在陡降。

3樁側注漿對樁基承載力的強化作用機理

3.1注漿對樁基礎荷載沉降影響

樁基礎破壞之前的加載過程認為是彈性變形，所以根據彈性模量即可對其壓縮量S進行計算，具體公式：

結合之前的分析可知，基于荷載-沉降曲線即可得到樁基礎極限承載力，主要根據曲線的陡降情況以及累計沉降判斷是否達到了極限狀態。試驗中在荷載為300 kN之后降低施加間隔，即設置為10 kN，繼而提升承載力的精度。注漿前后的荷載-沉降曲線如下圖所示。

由圖3中所示的信息可以明顯地看到，相對于注漿之前，在注漿之后明顯提高了極限承載力。另外，從沉降量上來看，在施加一致的荷載時，注漿之后的沉降明顯更低。在試驗中設置了兩種注漿量，發現注漿量更大的情況下可以達到更高的承載力，即二者之間存在一定的正相關性，如果注漿量較大，則漿液會產生更顯著的擠密作用。

在注漿量分別為25、35 kg的情況下，注漿影響系數分別是15.7%、11.2%，漿液體積分別是14.3、20 L。除了上述信息之外，根據之前的信息，在1.0 MPa注漿壓力、0.6水灰比的條件下，土體內摩擦角、粘聚力分別是22.1°、45.4 kPa。

由表2可以看出，在注漿試驗中，注漿量分別在25、35 kg的情況下，均提高了樁基礎承載力，相對于未注漿下的承載力值300 kN，二者相對增幅分別為13.3%、16.7%;而對應的理論計算結果分別是17.7%、22.6%，即在上述兩種情況中得到的試驗和理論結果基本一致。由此可以證明試驗方法和理論計算方法的有效性。

3.2注漿對樁基礎軸力影響

基于應變片對樁基礎兩側數據的監測，然后對軸力進行計算。

由圖4可知，在注漿之前荷載逐步增大的過程中，上部、下部軸力曲線斜率呈現出不同的變化趨勢，前者變化速率較小，后者變化較大。此外，二者的摩阻力變化情況明顯不同，分別表現為較小、較大的趨勢。在注漿之后出現了顯著的變化，軸力曲線斜率顯著降低，而且注漿加固作用與注漿量表現為正相關關系。另外，在注漿前后樁端阻力并未出現顯著的變化，所以對于承載力的影響相對較小。

根據上述結果可知，在樁基深部的軸力較小，針對這種現象進行分析，發現荷載在樁身傳遞過程中導致樁土形成一定的位移，而樁身側摩阻力將部分樁頂荷載抵消，需要通過樁端來負載其他的荷載，以此降低了深部的軸力。另外，根據先前的分析，在注漿之后會增大土體粘聚力，使得樁基礎摩阻力顯著提高，最終導致軸力斜率逐步降低。

3.3樁側土體加固效果分析

在本次研究中，針對樁側土體加固效果，在完成對軸力分布等參數的測試之后，采集部分樁周土體樣品;然后測試抗剪強度等參數，結果如圖5所示。

圖5展示了注漿之后樁側土體加固效果，具體包括抗壓強度、粘聚力參數。由圖5可知，在注漿之后上述參數均有顯著的提升。經過分析發現，在注漿之后使得樁周土體密實度提高，所以會增大粘聚力等參數。另外，結合本次研究的結果發現，漿脈距離是一個重要的影響因素，對于加固效果會產生顯著的影響，即在漿脈距離逐步提高時粘聚力等力學參數的增幅減小，而這主要與漿脈產生的弱化效應直接相關。針對圖5（a）進行分析，漿脈產生的加固效果根據與漿脈的距離劃分為強、弱作用區兩部分，二者分界點即距離為35 cm，如果超過此距離，則加固效果大幅度降低;如果低于該距離，則加固效果雖然降低，但是降幅相對較小。因此為了提升樁基承載力，一般需要將樁基礎置于強作用區內。除了上述因素之外，漿脈數目以及寬度等均會影響到加固效果。

4結語

本文通過數值模擬對樁基礎側注漿加固機理和注漿后承載力的計算進行系統研究，得到了注漿加固深度對樁基礎承載力提升規律。

（1）通過模型架、注漿系統和監測部分實現對樁側恒壓注漿、模型樁承載特性和注漿中樁側土體物料場監測。

（2）模型試驗結果表明，注漿量為25 kg進而35 kg時，樁基礎承載力提升程度分別為13.3%和16.7%，實測承載力提升為17.7%和22.6%。誤差產生主要原因為模型架尺寸影響，但誤差均低于5%;

（3）開挖取樣對漿脈不同距離樁側物理力學性能，并根據距離遠近對作用區進行劃分，當距離小于35 cm，注漿加固效果明顯下降;距離大于35 cm時，樁側土體加固效果降低程度較大。既有樁基礎注漿的注漿口最佳距離為0.4 m。

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