軟土地區橋梁樁基注漿加固效果及影響參數研究

作者簡介：藍英福（1973—），工程師，主要從事橋梁工程施工工作。

文章以某軟土地區橋梁樁基加固工程為研究背景，對樁基周圍土體開展室內試驗，研究注漿壓力與注漿液水灰比對漿脈寬度、抗壓強度、粘聚力、內摩擦角的影響，結合室內試驗數據，基于FLAC3D數值模擬軟件，采用樁基側面注漿方法，分析不同注漿深度、注漿長度、注漿壓力等條件下樁基荷載-沉降曲線，研究其對樁基極限承載力的影響。結果表明：（1）漿脈寬度隨注漿壓力的增大在逐漸增大，且增大速率也在逐漸變大，但當注漿壓力從1 MPa增加到2.5 MPa，漿脈寬度增加幅度隨水灰比的增加在降低，同時隨著水灰比的增加，漿液擴散范圍在降低；（2）隨著水灰比的增大，加固土體的抗壓強度、粘聚力、內摩擦角等出現先增大后減小的現象，說明應存在一個最優水灰比；（3）樁基極限承載力隨注漿長度、注漿壓力的增加在逐漸增大；（4）隨著注漿長度的增大，樁基極限承載力在不斷提升。

軟土地區；注漿參數；注漿加固；樁基極限承載力；數值模擬

U445.55A391384

0?引言

近年來，許多橋梁建設項目尤其是在浙江、福建等沿海地區，由于線路穿越軟土地帶易導致橋臺前移、橋面鋪裝起拱、樁基差異沉降等病害發生［1］。沿海軟土地區因樁基差異沉降導致的交通事故、工程事故數不勝數［2］。因此，亟待開展軟土地區橋梁樁基差異沉降及加固措施的研究。

許多學者分別從不同角度對樁基差異沉降及加固措施進行了研究，趙小由等［3］介紹了某跨線橋施工中出現的工程問題，并提出了樁側及樁底壓漿、增加鉆孔灌注漿、增加預制管樁等3種基礎加固方案；陳德紹等［4］基于MARC軟件，研究了增加不同樁數、樁長、樁徑等加固措施對樁基沉降的影響；趙志鋼等［5］以改擴建橋梁加寬樁基礎工程為研究對象，通過數值模擬分析了注漿加固條件下承載力、樁頂沉降量的變化規律；李秋陽［6］闡述了橋梁加寬工程中常見的病害及其影響，分析了注漿沉降控制技術對橋梁樁基的承載力及沉降量的影響；牛健等［7］基于PLAXIS 3D軟件，分析了橋梁改擴建工程中典型拼寬梁橋施工過程中樁基內力和樁基變形，研究了新橋樁基長度對差異沉降的影響，并分析了樁底注漿對樁底土體參數的影響；張荊晶等［8］分析了未注漿、樁側注漿、樁底注漿、聯合注漿等4種工況條件下樁基沉降特性，并研究了樁基荷載-沉降曲線演化規律。

目前，關于樁基差異沉降規律及不同加固措施的效果的研究已經取得一定成果，但大多從注漿加固常見土體地區樁基的角度分析樁基沉降量的演化規律，鮮有學者研究軟土地區橋梁樁基的注漿加固措施。本文以某軟土地區橋梁樁基加固工程為研究背景，對樁基周圍土體開展室內試驗，研究注漿壓力與注漿液水灰比對漿脈寬度、抗壓強度、粘聚力、內摩擦角的影響，結合室內試驗數據，基于FLAC 3D軟件，采用樁基側面注漿方法，分析不同注漿深度、注漿長度、注漿壓力等條件下樁基荷載-沉降曲線，研究其對樁基極限承載力的影響。從而為橋梁樁基加固工程中注漿位置、注漿長度、注漿壓力的選取提供參考。

1?工程概況

本文以某軟土地區橋梁樁基加固工程為研究背景，由于當地工廠的新建，該橋梁交通量突增，橋梁承載力逐漸無法滿足地方發展，因此，計劃在橋梁樁基進行注漿加固，提升該樁基承載力，該橋梁全線采用分離式斷面類型。該地受季風性濕潤氣候影響，氣溫適中，1月氣溫最低，7月氣溫最高，年平均氣溫在16 ℃左右。四季分明，光照充足，雨量豐沛，5月、6月降雨頻繁，年平均降雨量約為1 500 mm。

2?室內試驗研究

向樁基周圍土體注漿，漿液填充土體孔隙，膨脹后對周圍土體產生壓力，進而提升土體的內摩擦角、粘聚力、壓縮模量等，最終提高樁基承載力。常見的注漿加固措施有兩種：樁側注漿、樁底注漿。注漿液水灰比、注漿壓力、距樁基礎距離等均會對注漿加固效果產生影響，因此研究注漿參數對土體加固效果尤為重要。該地土層為不同風化程度的淤泥質土層，在直徑40 cm，高度80 cm的鋼桶里填充滿粉質黏土，在鋼桶中心位置預留注漿管道。本文設置3種水灰比：0.6、0.8、1，4種注漿壓力：1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa，組合共12種工況，分析漿脈寬度、抗壓強度、粘聚力、內摩擦角的演化規律。

2.1?漿脈寬度演化分析

基于Photoshop和Image Pro Plus圖像處理軟件，可以識別漿脈寬度。為確保圖像像素一致需固定高度和加固后土樣位置進行拍攝，將得到的圖像在Photoshop軟件中轉化為灰度圖，再進行二值化處理，然后通過Image Pro Plus軟件進行降噪處理，去除表面雜質干擾，最后通過漿液像素點與總像素進行計算得到漿脈寬度。注漿參數對漿脈寬度的影響如圖1所示。

由圖1可知，漿脈寬度隨注漿壓力的增大在逐漸增大，且增大速率也在逐漸變大。隨水灰比的增加，注漿壓力從1 MPa增加到2.5 MPa漿脈寬度增加幅度在降低：1.94 cm（水灰比0.6）＞1.79 cm（水灰比0.8）＞1.03 cm（水灰比1），說明隨著水灰比的增加，漿液擴散范圍在降低。同一注漿壓力下，漿脈寬度隨水灰比的增加在逐漸減小，如：注漿壓力1 MPa時，漿脈寬度大小為：3.6 cm（水灰比0.6）＞1.69 cm（水灰比0.8）＞1.32 cm（水灰比1），且曲線距離也在逐漸減小，水灰比從0.6增大到0.8時，漿脈寬度減小了53%，水灰比從0.8增大到1時，漿脈寬度減小了21.9%，說明水灰比越大，漿液擴散越困難。

2.2?抗壓強度演化分析

漿脈寬度只能說明漿液擴散的范圍，對樁基的加固不僅需注意影響范圍，還需注意其對土體強度的影響程度。故采用HCT306E微機控制油電混合伺服壓力試驗機測量加固后土體的抗壓強度隨注漿參數變化，如圖2所示。

由圖2可知，抗壓強度隨注漿壓力的增加在逐漸增大。當注漿壓力從1 MPa增加到2.5 MPa時，水灰比0.6抗壓強度曲線增大了0.218 MPa，水灰比0.8抗壓強度曲線增大了0.338 MPa，水灰比1抗壓強度曲線增大了0.228 MPa，說明注漿壓力對抗壓強度存在正相關關系。水灰比1的抗壓強度曲線位于水灰比0.6和水灰比0.8抗壓強度曲線之間，當注漿壓力1 MPa，水灰比從0.6增加到0.8時，抗壓強度從0.135 MPa增大到0.242 MPa，增大了79.3%；水灰比從0.8增加到1時，抗壓強度從0.242 MPa減小到0.212 MPa，減小了12.4%，說明在水灰比增大的過程中，漿液加固土樣抗壓強度先增大后減小，因此需嚴格控制漿液水灰比。

2.3?抗剪強度演化分析

樁基周圍土體不僅承受豎向壓力，還需承受側向土體剪切，故需研究漿液加固土體剪切強度的變化。因此通過環刀在距注漿管10 cm處取樣，后在直剪儀上進行試驗，得到加固后土體的粘聚力與內摩擦角隨注漿參數變化如圖3所示。

由圖3可知，粘聚力、內摩擦角均隨注漿壓力的增加在逐漸增大，如：當水灰比為0.8，注漿壓力從1 MPa增加到2.5 MPa時，粘聚力從47.7 kPa增大到68.1 kPa，增大了42.8%；當注漿壓力從1 MPa增加到2.5 MPa時，內摩擦角從22.84°增大到36.54°，增大了59.98%。當水灰比從0.6增加到0.8時，粘聚力、內摩擦角均有所增大，如：當注漿壓力為1 MPa時，粘聚力從44.9 kPa增大到47.7 kPa，增大了6.23%，內摩擦角從22.1°增大到22.84°，增大了3.35%；當水灰比從0.8增加到1時，粘聚力、內摩擦角均大幅度降低，如：當注漿壓力1 MPa時，粘聚力從47.7 kPa降低到38.8 kPa，降低了18.7%，內摩擦角從22.84°降低到19.68°，增大了13.84%。

綜上所述，注漿參數對漿脈寬度、土體抗壓強度、粘聚力、內摩擦角等均有影響。注漿壓力與其存在正相關關系，均隨注漿壓力的增加逐漸增大。注漿液水灰比增加過程中，抗壓強度、粘聚力、內摩擦角等先增大后減小，故存在一個最優水灰比，選取的3種水灰比梯度中，水灰比0.8的抗壓強度、粘聚力、內摩擦角等均為最大。

3?數值模型的建立

為研究樁側注漿方式對橋梁樁基承載力的影響，基于FLAC 3D軟件，依據某軟土地區橋梁樁基加固工程為研究背景，建立橋梁樁基樁側注漿模型，如下頁圖4所示。

圖4?橋梁樁基樁側注漿模型圖

橋梁樁基高為25 m，樁徑為0.8 m。地基土為淤泥質土，初始內摩擦角為15°，粘聚力為70 kPa，彈性模量為10 MPa，泊松比為0.3。為簡化計算，將土體設置為同一種土。

根據室內注漿試驗，發現注漿下土體物理力學參數會發生變化，從而增強樁基承載力，因此數值模擬中土體注漿加固后物理力學參數如表1所示。

進行樁基注漿時，將注漿加固X范圍設置為0～8 m，本文僅研究注漿深度、樁基樁長、樁基對加固效果的影響。

4?結果分析

4.1?注漿深度對加固效果的影響分析

為研究加固深度范圍對注漿加固效果的影響，本文設置樁基樁長25 m、樁基0.8 m，注漿壓力為1 MPa，注漿加固長度為5 m，加固土體物力力學參數如表1所示。注漿深度加固工況如表2所示。

通過樁基側注漿后數值模擬，得到荷載-沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知，注漿后樁基承載力顯著提升，注漿深度不同對樁基承載力存在一定影響，不同注漿深度承載力如圖6所示。

圖6?不同注漿深度下樁基極限承載力變化曲線圖

由圖6可知，6種工況下，樁基極限承載力分別為：1 828 kN（1-0）、2 327 kN（1-1）、2 342 kN（1-2）、2 378 kN（1-3）、2 334 kN（1-4）、2 314 kN（1-5），發現注漿深度對加固效果的影響較小。5種樁基側注漿較未注漿樁基極限承載力分別提升了：27.3%（1-1）、28.12%（1-2）、30.1%（1-3）、27.7%（1-4）、26.8%（1-5）。

4.2?注漿長度對加固效果的影響分析

為研究注漿長度對注漿加固效果的影響，本文設置樁基樁長25 m，樁基0.8 m，注漿壓力設置為1 MPa，加固土體物力力學參數如表1所示。設置如下注漿長度加固工況，如表3所示。

通過數值模擬得到2-1～2-5條件下注漿長度對樁基加固效果的影響，如圖7所示。

由圖7可知，隨著荷載的增加，樁基沉降量在不斷增大，且增長速率在不斷變大。隨著注漿長度的增大，樁基極限承載力在不斷變大。

不同注漿長度下樁基極限承載力如圖8所示。

由圖8可知，5種注漿長度條件下樁基極限承載力分別為：1 828 kN（2-1）、2 806 kN（2-2）、3 113 kN（2-3）、3 455 kN（2-4）、3 675 kN（2-5），說明隨著注漿長度的增大，樁基極限承載力在不斷提升，且注漿長度對樁基極限承載力的提升效果在逐漸減弱，提升效果大小為：10.7%/m（2-2）、7.03%/m（2-3）、5.9%/m（2-4）、5.05%/m（2-5）。

4.3?注漿壓力對加固效果的影響分析

為研究注漿壓力對注漿加固效果的影響，本文設置樁基樁長25 m，樁基0.8 m，注漿長度為25 m，加固土體物力力學參數如表1所示。設置注漿壓力加固工況如表4所示。

通過數值模擬得到3-1～3-4條件下注漿壓力對樁基加固效果的影響，如圖9所示。

由圖9可知，隨著注漿壓力的增大，樁基極限承載力在不斷變大，3-1、3-2、3-3、3-4的樁基極限承載力分別為：3 675 kPa、3 992 kPa、4 559 kPa、4 619 kPa。較3-1極限承載力分別增大了：8.63%（3-2）、24.1%（3-3）、25.7%（3-4）。說明注漿壓力越大，樁基極限承載力越大。

5?結語

本文以某軟土地區橋梁樁基加固工程為研究背景，對樁基周圍土體開展室內試驗，研究注漿壓力與注漿液水灰比對漿脈寬度、抗壓強度、粘聚力、內摩擦角的影響，結合室內試驗數據，基于FLAC 3D數值模擬軟件，采用樁基側面注漿方法，分析不同注漿深度、注漿長度、注漿壓力等條件下樁基荷載-沉降曲線，研究其對樁基極限承載力的影響，得到以下結論：

（1）漿脈寬度隨注漿壓力的增大在逐漸增大，且增大速率也在逐漸變大；注漿壓力從1 MPa增加到2.5 MPa，漿脈寬度增加幅度隨水灰比的增加在降低：1.94 cm（水灰比0.6）＞1.79 cm（水灰比0.8）＞1.03 cm（水灰比1），說明隨著水灰比的增加，漿液擴散范圍在降低。

（2）隨著水灰比的增大，加固土體的抗壓強度、粘聚力、內摩擦角等出現先增大后減小的現象，說明應存在一個最優水灰比。

（3）樁基極限承載力隨注漿長度、注漿壓力的增加在逐漸增大。

（4）樁基側面注入深度不同的5 m漿液的樁基極限承載力較未注漿樁基極限承載力分別提升了：27.3%（深度0～5 m）、28.12%（深度5～10 m）、30.1%（深度10～15 m）、27.7%（深度15～20 m）、26.8%（深度20～25 m）。

（5）隨著注漿長度的增大，樁基極限承載力在不斷提升，5種注漿長度條件下樁基極限承載力分別為：1 828 kN（深度0～5 m）、2 806 kN（深度0～10 m）、3 113 kN（深度0～15 m）、3 455 kN（深度0～20 m）、3 675 kN（深度0～25 m）。

參考文獻

［1］林愛軍.深厚軟土地區臺后填土對橋臺樁基的影響分析［J］.西部交通科技，2022（1）：162-165.

［2］陳慶林.基于軟土地基的公路橋梁施工關鍵技術研究［J］.西部交通科技，2020（1）：24-26.

［3］趙小由，饒?中，晉楓春.橋梁樁基沉降處理［J］.公路，2008（7）：206-209.

［4］陳德紹，朱?勇.大型橋梁改擴建工程樁基沉降控制技術方案探討［J］.西部交通科技，2022（12）：101-104.

［5］趙志鋼.舊橋加寬樁基礎沉降施工控制技術［J］.交通世界，2022（35）：173-175.

［6］李秋陽.梁橋加寬樁基礎沉降差控制技術分析［J］.工程技術研究，2021，6（17）：185-187.

［7］牛?健，蘇建明，徐飛萍，等.高速公路梁橋加寬樁基差異沉降分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2018，14（5）：41-43.

［8］張荊晶，夏張琦.基于不同后注漿方法的橋梁樁基沉降分析［J］.建筑技術，2017，48（3）：233-235.