不同注浆材料作用下后压浆桩桩-土界面力学特性分析.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.不同注浆材料作用下后压浆桩桩 土界面力学特性分析臧诗齐戴国亮钱晓楠(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 南京)(东南大学土木工程学院 南京)摘要:为了研究不同注浆材料对后压浆桩桩 土界面的加固效果开展了大型界面剪切实验.针对后压浆桩在各类土层中的应用设置了砂土、风化岩、黏土 种不同土样以研究不同土层环境下压浆对界面剪切性状的影响.采用双曲线模型及考虑剪切应力软化的剪切力学模型对剪切数据进行拟合通过荷载传递法对压浆桩和未压浆桩的承载特性进行计算分析.研究结果表明不同注浆材料作用下桩 土界面力学特性均有所改善.在砂土和风化岩中桩 土界面剪切应力与剪切位移之间的相互关系未受压浆影响在黏土中压浆改变了桩土界面的力学特性呈现出与未注浆接触面不同的软化现象.算例中桩基压浆前极限承载力为.粉煤灰基地聚合物、粉煤灰 水泥以及纯水泥浆液压浆后的极限承载力分别为.、.、.关键词:后压浆灌注桩注浆材料直剪实验桩土界面荷载传递法中图分类号:文献标志码:文章编号:()()():.:收稿日期:.作者简介:臧诗齐()男硕士生戴国亮(联系人)男博士教授博士生导师.引用本文:臧诗齐戴国亮钱晓楠.不同注浆材料作用下后压浆桩桩 土界面力学特性分析.东南大学学报(自然科学版)():.:./.注浆材料主要可以分为无机系和有机系两大类其中无机系的水泥浆被广泛使用.地质聚合物制备无需高温煅烧被认为是绿色低碳胶凝材料.粉煤灰基地聚合物是粉煤灰的固相颗粒与:/.激发剂溶液发生地聚合反应生成的其中粉煤灰是燃煤产生的副产物.地聚合物通常需采用高浓度 或与水玻璃的混合溶液作为激发材料形成 凝胶、水化铝酸钙及硅铝酸钙等.粉煤灰具有火山灰活性可替代混凝土中的部分水泥具有后期强度较高的特性同时在较低用水量的条件下提高浆液的流动性从而降低了水泥的需水量.众多学者通过直剪实验对桩 土接触面的剪切力学特性展开研究.等 在不同法向应力条件下进行了全风化花岗岩和水泥浆液接触面的直剪实验结果表明注浆后接触面抗剪强度明显提升李永辉等开展了混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切实验研究了灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为并指出在剪切过程中不同界面类型的土体变形存在较大差异 等进行了注浆后的直剪实验结果表明注浆可以提高剪切强度.目前针对桩基荷载 位移关系的理论研究方法有剪切位移法、荷载传递法、弹性理论法和有限元法其中荷载传递法被广泛使用于计算桩基受力变形.戴国亮等基于静载实验结果选用双曲线荷载传递函数给出了后压浆桩荷载沉降关系的计算方法.等进行了全尺寸后压浆桩静载实验分析了超厚细砂土层中后压浆的加固机理提出了一种考虑了浆液扩散规律的荷载 沉降关系计算方法.目前地聚合物和粉煤灰 水泥已广泛应用于岩土工程的各个领域如软土地基固化、裂隙岩体加固等但后压浆技术仍采用传统的水泥浆液有必要开展不同注浆材料对后压浆桩承载特性影响的研究.针对后压浆桩的研究主要集中于砂土和黏土而对于风化岩层中的后压浆桩研究则相对较少.风化岩广泛分布在我国东南沿海地区研究风化岩层中后压浆桩的力学特性具有重要意义.鉴于此本文开展了混凝土与砂土、黏土以及风化岩接触界面剪切实验研究不同注浆材料作用下桩 土界面力学特性.在剪切实验数据的基础上得到桩 土相互作用的双曲线剪切模型参数和考虑剪切应力软化的剪切力学模型参数采用荷载传递法探究了不同注浆材料作用下后压浆灌注桩受力变形规律.剪切实验.实验设备为研究桩 土界面剪切力学特性采用本课题组设计的适用于界面特性实验的大型直剪仪(见图).该大型直剪仪主要由五大部分组成:底座框架、水平加载装置、垂直加载装置、剪切盒以及量测控制系统.通过垂直加载装置施加不同的上覆压力以模拟不同土层深度的土压力水平加载装置可以按指定速率进行剪切.剪切盒尺寸为 (长 宽 高)法向压力和切向推力上限分别可达 和 .图 大型直剪仪实物图.实验准备.土样制备本文实验使用了砂土、黏土、风化岩 种土.砂土采用普通河砂粒径范围为.对其进行筛分实验后进行统计颗粒级配曲线见图.图 级配曲线图剪切实验黏土取自连云港市灌云县滨海沿岸参照土工实验方法标准统一配置含水率为 的重塑黏性土样.黏性土的基本物理参数如下:重度为./液限为.塑限为.塑性指数为.风化岩取自深圳市景福花园片区棚户区改造项目工程场地试样呈褐色或灰褐色岩石风化剧烈类似坚硬土状局部为土夹碎块状或者块状.风化岩物理力学指标为:重度为./地勘报告推荐侧阻标准值为 第期臧诗齐等:不同注浆材料作用下后压浆桩桩 土界面力学特性分析:/.内摩擦角为 黏聚力为.混凝土板制备为探究灌注桩与土层之间的剪切力学特性采用混凝土板模拟灌注桩桩身表面.事先定制与直剪仪下剪切盒尺寸相同的模具将水泥、砂石料和水按比例搅拌后倒入模具.浇筑混凝土板之前在模具中放入压浆管道.将混凝土板养护 后进行压浆实验.图 为浇筑完成的混凝土板示意图.()混凝土板实物()混凝土板内部压浆管布置图图 混凝土板.注浆材料制备公路桥梁灌注桩后压浆技术规程(/:)规定压浆水泥宜采用普通硅酸盐水泥水泥强度等级不宜低于.级故本实验采用.硅酸盐水泥作为传统水泥注浆材料.地聚合物的制备需要硅铝原材料和碱激发剂本实验采用二级粉煤灰作为硅铝原材料水玻璃作为碱激发剂.水玻璃参数如下:模数为.波美度为.粉煤灰基地聚合物的抗压强度随碱激发剂用量的增多呈现先增加后减小的变化趋势.当水玻璃体积分数为 时碱激发地聚合物材料固结体的抗压强度达到峰值.将水玻璃与粉煤灰混合搅拌 后制成地聚合物浆液其中水玻璃的体积分数为.李仲辉等进行了水泥 粉煤灰浆液充填加固软岩巷道的研究与实践取得了较好的效果并进行了水泥 粉煤浆液配比实验当粉煤灰质量为水泥与粉煤灰总质量的 时结实率较高流动性较好.本实验制备的水泥 粉煤灰浆液中粉煤灰质量为 其中水泥为.硅酸盐水泥粉煤灰为二级粉煤灰.万志辉统计了国内不同地区 个工程 根后压浆桩的浆液水灰质量比其中水灰质量比为.的桩数占总桩数的.结合相关文献与预压浆实验结果为保证各工况下浆液可注性本实验中水泥浆液水灰质量比取为.水泥 粉煤灰浆液、地聚合物浆液水胶质量比取为.为保证压浆实验的稳定性在压浆实验开始前进行了多次预实验以确定合适的压浆压力和压浆量.预实验结果表明压浆压力为.时 类浆液均可顺利注出压浆量在 以上时实验结果区分度较好故最终压浆压力取为.压浆量取为.剪切实验在剪切实验之前需要进行压浆模拟后压浆灌注桩的压浆过程.由于不能在剪切仪里直接进行注浆设计了由反力架、千斤顶等组成的压浆系统(见图).图 压浆系统示意图在压浆过程中千斤顶提供力的数值由剪切实验方案中的上覆压力决定不同的上覆压力会影响浆液的扩散.压浆完成后养护 然后进行剪切剪切速率为./剪切终止位移为 .剪切实验共计 组分为 种不同上覆土层(砂土、黏土、风化岩)、种不同上覆压力(、)、种注浆材料(地聚合物、粉煤灰 水泥、水泥)以及未压浆工况.实验结果与分析.砂土中桩 土界面力学特性砂土 混凝土板界面的剪切力学特性见图.由图可见在不同上覆压力的条件下剪切应力 剪切位移()曲线的变化趋势大致相似.在剪切初始阶段时剪切应力随剪切位移的增加逐渐增大东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.达到剪切峰值应力后剪切应力趋于稳定不随剪切位移的增加而变化.种不同材料压浆后对桩土接触界面力学特性都有较好的改善.在相同的剪切位移情况下压浆后接触面对应的剪切应力要大于未压浆的接触面.()()图 不同法向应力下桩 砂土界面剪切应力 剪切位移关系当法向应力 时 种不同材料压浆前后峰值剪切应力平均增幅为 而当法向应力 时平均增幅为.由此可见当 时注浆后接触面力学特性改善效果较 时更加显著.究其原因在于:压浆时上覆压力越大注浆材料与混凝土板结合越紧密.高应力条件下浆液中的水会滤过土体浆液浓度升高浆液对土体颗粒的胶结性能提升.当 时采用水泥压浆后接触面所对应的峰值剪切应力略高于其他 种注浆材料当 时采用地聚合物压浆后接触面的力学特性要略优于水泥压浆地聚合物加固后增幅为.这种情况产生的原因是由于地聚合物的流动性好、可注性强浆液扩散的范围更大除了在压浆孔附近形成致密的压浆加固体浆液在土体内部一定范围内也有着加固效果.地聚合物和粉煤灰 水泥对于砂土的胶结能力不如水泥但可注性、流动性优于水泥.随着法向压力的增加土体更加密实地聚合物和粉煤灰 水泥可注性和流动性更好注浆的优势逐渐显露.在实际工程中特别是超长灌注桩随着桩长的增加桩身下部桩侧土压力增大所需的压浆压力也随之提升过高的压浆压力会对桩身产生损坏同时产生过大的扰动.地聚合物和粉煤灰 水浆液的颗粒小、流动性好可以兼顾压密、渗透的加固效果.风化岩中桩 土界面力学特性风化岩 混凝土界面的剪切力学特性见图.风化岩呈块状且大小不一浆液沿间隙扩散浆液加固范围存在一定离散性总体上压浆后界面剪切力学特性均得到了改善.当法向应力 时粉煤灰 水泥作为注浆材料所对应的接触面剪切力学特性最优压浆前后峰值剪切应力增幅为.当法向应力 时地聚合物注浆材料与水泥加固接触面对应的峰值剪切应力比较接近压浆后峰值剪切应力增幅在 左右采用粉煤灰 水泥注浆材料增幅为.从加固增幅效果来看地聚合物和粉煤灰 水泥并没有表现出优势()()图 不同法向应力下桩 风化岩界面剪切应力 剪切位移关系第期臧诗齐等:不同注浆材料作用下后压浆桩桩 土界面力学特性分析:/.但有利于节约工程造价 种注浆浆液成本比较见表.水泥、水玻璃、粉煤灰的价格分别取为、元/.表 水泥、水泥 粉煤灰、地聚合物浆液成本比较序号(水泥)/()(水玻璃)/()(粉煤灰)/()浆液成本/(元)当法向应力 时采用地聚合物、粉煤灰 水泥压浆前后峰值剪切应力增幅分别为 和 法向应力 时采用地聚合物、粉煤灰 水泥压浆前后峰值剪切应力增幅分别为 和 .由此可见地聚合物注浆材料和粉煤灰 水泥注浆材料前后 次加固效果浮动较大究其原因在于浆液加固体被破坏.直剪仪法向加载速率较快且没有足够厚度的土体覆盖缓冲瞬间加载导致浆液加固体开裂风化岩也会因为突然的外力产生巨大形变破坏了浆液与混凝土板表面的胶结作用.地聚合物、粉煤灰水泥形成的浆液加固体早期强度较低其中地聚合物和地聚合物凝胶的产生是一个随时间变化的过程 致使地聚合物浆液加固体的早期强度较低而水泥中掺入粉煤灰会进一步降低早期强度.受时间限制仅进行了短期固化条件下的界面剪切实验对于长期固化条件下的加固性能还需要进一步研究.黏土中桩 土界面力学特性图 给出了黏土 混凝土界面剪切应力 剪切位移曲线.可以看出当压浆后的界面剪切应力达到峰值随着剪切位移的继续增加剪切应力逐渐减小最后保持为一个稳定的残余强度呈现出与未压浆接触面不同的软化现象.采用不同注浆材料后界面的剪切力学特性均较未压浆时有所改善改善程度较为接近法向应力为 和 时峰值剪切应力分别提升 和.水泥土界面初始黏聚力主要受 种黏聚力影响即水泥胶结作用形成的固化黏聚力和土颗粒分子引力提供的原始黏聚力.水泥胶结作用使得界面破坏模式接近脆性破坏达到峰值剪切应力后迅速降低至残余剪切应力值出现软化现象.其他 种注浆材料也具有与水泥类似的胶结作用剪切实验曲线变化趋势大致相似.()()图 不同法向应力下桩 黏土界面剪切应力 剪切位移关系基于剪切力学模型的后压浆桩受力变形分析.桩 土界面剪切力学模型文献指出采用双曲线模型能较好地拟合压浆前后的试桩桩侧摩阻力 桩土相对位移.因此本文采用双曲线模型对剪切应力 剪切位移数据进行拟合.双曲线函数表达式为 /()式中 和 分别为剪切应力和剪切位移为初始剪切刚度为峰值剪切应力、均有明确物理意义的参数且 /.对剪切实验数据进行拟合结果见图 和图.由图可知拟合曲线的拟合精度均高于.拟合参数见表.通过剪切实验数据发现在黏土中桩土界面的剪切应力随着剪切位移的增加出现峰值随后迅速下降至残余剪切应力后趋于稳定出现软化现象.单一的双曲线模型并不能准确反映界面剪切应力的软化现象需采用分段函数对其进行描述即峰值剪切应力前后分别采用双曲线函数和双曲正割函数进行表达.考虑剪切东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.应力软化的剪切力学模型为 ()()()式中为桩侧摩阻力极值对应的桩 土相对位移 为软化拟合参数 为残余剪切应力与峰值剪切应力比值的拟合参数.由图 可见采用分段函数描述黏土剪切力学特性比较准确 段函数的拟合精度见表.表 桩 土界面剪切应力 剪切位移拟合参数土体类别注浆材料 /()/()/砂土地聚合物.水泥.粉煤灰 水泥.未压浆.风化岩地聚合物.水泥.粉煤灰 水泥.未压浆.黏土地聚合物.水泥.粉煤灰 水泥.未压浆.注:为双曲线函数拟合精度为双曲正割函数拟合精度.计算模型现有的桩基承载变形理论计算方法包括荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法和有限单元法.年 等提出了荷载传递法该方法概念明确且简单实用能较好地分析单桩的荷载传递规律以及计算荷载作用下单桩的变形位移.在室内剪切实验数据的基础上采用本文提出的简化计算模型对使用不同注浆材料的后压浆桩进行受力变形分析.荷载传递法是将桩分段每一段与土体之间的联系用弹簧来模拟(见图).图中为竖向荷载为桩顶竖向位移为桩身第 段底面的轴力桩身第 个节点处的桩土相对位移()为桩侧摩阻力()为桩身轴力 为桩长.图 荷载传递法计算模型由微元桩段 平衡条件得()()()式中 为截面周长.微元体弹性变形等于其顶部和底部位移量之差.根据胡克定律有 ()()式中 为桩身截面面积 为桩身弹性模量.对式()求导代入式()可得()()式中 为桩径.桩侧摩阻力()函数的选取是荷载传递法的关键选用.节中的剪切力学模型来表示桩侧摩阻力和桩土相对位移之间的关系即()()荷载传递的微分方程无法直接求解.本文采用数值方法将方程转化成差分格式引入虚拟点 将桩端沉降简化成第 段的压缩量不同深度处土层中桩 土界面剪切力学模型采用不同法向应力下的拟合参数黏土需采用考虑剪切应力软化的剪切力学模型差分格式为 ()()()()第期臧诗齐等:不同注浆材料作用下后压浆桩桩 土界面力学特性分析:/.式中为桩端阻力为桩端土的弹性模量/.将差分格式化成如下的矩阵向量格式:()()()式中为 对应的系数、为第 个节点处的桩侧摩阻力和桩土相对位移拟合参数.计算分析计算中的相关参数如下:桩长 桩径 桩侧土层分别为黏土(层厚 )、砂土(层厚 )、风化岩(层厚 )桩身弹性模量 桩端土的变形模量和桩端参数按照文献选取桩侧摩阻力传递函数参数取自表.利用 软件对式()进行计算结果见图.图 采用不同注浆材料后的压浆桩荷载 沉降曲线由图 可见压浆前极限承载力为.地聚合物、粉煤灰 水泥、水泥压浆后的极限承载力分别为.、.、.提升幅度分别为.、.、.不同工况条件下 种注浆材料对桩 土界面的改善效果各有优劣综合而言对桩基极限承载力的整体提升效果较为接近.结论)不同材料压浆后桩 土界面剪切峰值应力均有所增大.上覆土体为砂土、风化岩时剪切应力达到峰值后逐渐趋于稳定不随剪切位移的增加而变化.上覆土体为黏土时压浆后桩 土界面剪切应力出现软化现象.)上覆土体为砂土法向应力增加至 时地聚合物加固增幅为.加固效果在 种材料中表现最优.上覆土体为风化岩时压浆后剪切应力最大增幅为 最小增幅为 法向应力为 时粉煤灰 水泥加固效果最佳法向应力为 时地聚合物加固效果最佳新型注浆材料更加经济.)对于砂土和风化岩的剪切应力 剪切位移曲线采用双曲线进行拟合黏土的剪切应力 剪切位移曲线则采用分段函数进行拟合.双曲线函数和双曲正割函数拟合精度较好均能准确地表征不同工况下桩 土界面的剪切力学特性.)由室内实验得到荷载传递函数结合荷载传递法得到未压浆及不同材料压浆后的后压浆灌注桩荷载 沉降曲线.通过计算压浆后桩基极限承载力均得到明显提升地聚合物、粉煤灰 水泥以及水泥浆液压浆后增幅分别为.、.、.本文验证了新型注浆材料的加固效果为后压浆灌注桩工程中新型注浆材料的选择提供了参考.参考文献().:/.:.:.:./.():.:./.():.:./.:.:./.东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.():.:./().李永辉 王卫东 黄茂松 等.超长灌注桩桩 土界面剪切试验研究.岩土力学 ():.:./.():.:./.().:.:./.戴国亮 万志辉.后压浆桩增强效应作用机制及荷载沉降关系研究.岩土工程学报 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