深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究.pdf

桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)31文章编号：1003-4722(2023)Sl-0031-07 DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.005深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究周 霄1,王钺钺2,刘新华2,徐 欣2(1.湖北交投实业发展有限公司，湖北武汉430056；2.中交第二公胳勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)摘要：为研究深厚卵石层后压浆灌注桩的承载性能，以湖北观音寺长江大桥为背景，通过现 场自平衡静载试验进行后压浆灌注桩承载性能研究。采用分布式后压浆技术，通过试桩现场试验 获取压浆前、后深厚卵石层桩土接触界面桩侧摩阻力r桩土相对位移s、桩端阻力弘桩端位移 S关系曲线，揭示后压浆对桩土接触界面剪切力学特性的影响，通过压浆前、后的桩侧、桩端初始刚 度变化揭示压浆效应对深厚卵石层桩基承载能力增强的作用机理。结果表明：卵石层灌注桩采用 分布式后压浆可以有效提高桩基的极限承载力，减小桩顶沉降；压浆后灌注桩桩侧摩阻力、桩端承 载力得到提高，桩侧、桩端初始刚度得到增强，承载性能明显改善；现场实测桩基各承载性能指标约 为理论值的1.1倍；压浆后桩基各承载性能指标为压浆前的1.82.0倍。关键词：桥梁工程；钻孔灌注桩；深厚卵石层；分布式后压浆；承载性能；初始刚度；自平衡静载 试验中图分类号:U443.154 文献标志码：AResearch on Load Bearing Performance of Post-Grouting Bored Piles in Deep and Thick Pebble LayerZHOU Xiao1,WANG Cheng-cheng2,LIU Xin-hua2,XU Xin2(1.Hubei Pro vinc ial Co mmunic at io ns Invest ment Indust rial Devel o p ment Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina；2.CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:In t h is p ap er,t h e Guany insi Ch ang j iang River Bridg e in Hubei Pro vinc e is used as a c ase,c o mbined wit h fiel d sel f-bal anc ing st at ic l o ad t est,t o st udy t h e l o ad bearing p erfo rmanc e o f p o st-g ro ut ing bo red p il es in deep and t h ic k p ebbl e l ay er.Trial p il es were p rep ared and p o st g ro ut ed fo r t h e t est,based o n wh ic h t h e variat io n o f a series o f p aramet ers befo re and aft er g ro ut ing was invest ig at ed,and t h e rel at io nsh ip bet ween l at eral p il e surfac e fric t io n r and p il e-so il rel at ive disp l ac ement s as wel l as t h e rel at io nsh ip bet ween p辻e-t ip resist anc e and p il e-t ip disp l ac ement su c o nc erning t h e p il e-so il int erfac e in t h e deep and t h ic k p ebbl e l ay er were fit t ed,t o reveal t h e infl uenc e o f p o st g ro ut ing o n t h e sh ear p ro p ert y o f p il e-so il int erfac e.Th e variat io n o f t h e p il esh aft and p il e-t ip init ial st iffness befo re and aft er g ro ut ing was anal y zed t o fig ure o ut t h e st reng t h ening effec t o f g ro ut ing o n t h e l o ad bearing p erfo rmanc e o f bo red p il es in deep and t h ic k p ebbl e l ay er.Th e resul t s demo nst rat e t h at t h e dist ribut ed p o st-g ro ut ing c an effec t ivel y imp ro ve t h e ul t imat e l o ad bearing c ap ac it y o f bo red p il es in deep and t h ic k p ebbl e l ay er and reduc e p il e-t o p set t l ement.Aft er g ro ut ing,t h e p il e surfac e fric t io n and p il e-t ip l o ad bearing c ap ac it y are enh anc ed,t h e p il e-sh aft and p il e-t ip init ial st iffness h as g o t st reng t h ened and t h e l o ad bearing收稿日期收稿日期=2022-11-09基金项目：贵州省交通运输厅科技项目(2022-122-021)Pro j ec t o f Sc ienc e and Tec h no l o g y o f Dep art ment o f Transp o rt at io n o f Guizh o u Pro vinc e(2022-122-021)作者简介:周 霄，高级工程师,E-mail:36353O634q q.c o rn.研究方向：道路桥梁建设与管理，路衍经济发展。32桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)c ap ac it y o f t h e p il e is remarkabl y imp ro ved.Th e measured indic at o rs o f l o ad bearing c ap ac it y are 1.1 t imes o f t h e t h eo ret ic al val ues.Aft er g ro ut ing,t h e indic at o rs o f l o ad bearing c ap ac it y are 1.8 t o 2.0 t imes o f t h e val ues befo re g ro ut ing.Key words:bridg e eng ineering；bo red p il e;deep and t h ic k p ebbl e l ay er；dist ribut ed p o st g ro ut ing；l o ad bearing c ap ac it y；init ial st iffness;sel f-bal anc ing st at ic l o ad t est1引言随着高速公路、铁路等工程规模逐步扩大，桩基 础的应用越来越广泛，对桩基础承载力和变形控制 提出了更高的要求山。后压浆技术因其工艺简单、成本低、加固效果可靠,是提升桩基承载性能的有效 手段，已在大量钻孔灌注桩基础工程中得到应 用灌注桩后压浆技术是指成桩后，由预埋的压 浆通道用高压注浆泵将一定压力的水泥浆压入桩端 土层和桩侧土层,通过浆液渗透、填充、压密、劈裂、固结等作用来提高桩侧和桩端土体的强度，消除成 桩过程中桩侧泥皮、桩端沉渣的固有缺陷，改善桩周 土体的力学性能,从而提高竖向、水平承载力，减小 竖向沉降、水平变形旳。与非压浆桩相比，相同承载 力要求下,后压浆桩可以大大缩短桩长或减小桩径、桩数，减少二氧化碳排放，具有显著的经济和环境效 益。近年来，国内外学者对此进行了深入研究*讷。传统压浆方式包括桩端压浆、桩侧压浆以及桩端桩 侧组合压浆等。这些压浆方式的局限性在于需要在 原有钢筋笼的基础上预埋竖向压浆管路引至地面，预埋竖向压浆管的数量会随桩长增加，从而增加桩 基施工的难度和造价。由于桩侧环管压浆范围由预 埋的桩侧压浆管位置确定，通常间距1012 m,难 以实现浆液离散性、小间距多点位分布。基于此，提 出一种分布式后压浆工艺，可利用桩基内原声测 管，通过串联压浆器实现小间距多点位分布压浆，相 较于传统压浆方式,其可控性更强，可利用声测管串 联压浆器,实现一管两用，减少钢筋笼连接时压浆管 的接头数量,有效提高施工工效的效果。目前后压浆技术在黏土、砂土、粉土等不同地层 条件的应用研究较多如，但深厚卵石层后压浆灌 注桩承载性能的研究较少。深厚卵石层具有强透水 性、施工难度大的特点，由于钻孔灌注桩受施工工艺 的影响，存在诸多不利于钻孔灌注桩承载性能的因 素。为研究深厚卵石层后压浆灌注桩的承载性能，以武汉至松滋高速公路观音寺长江大桥为背景，进 行自平衡静载试验，通过试桩现场试验获取压浆前、后深厚卵石层桩土接触界面桩侧摩阻力r桩土相 对位移s、桩端阻力桩端位移“关系曲线，揭示 后压浆对桩土接触界面剪切力学特性的影响；通过 试桩现场试验得到压浆后桩侧、桩端初始刚度与压 浆前桩侧、桩端初始刚度的关系，揭示压浆效应对深 厚卵石层桩基承载能力增强的作用机理。同时验证 分布式后压浆工艺的可行性，可为类似工程应用提 供参考。2工程背景观音寺长江大桥是武汉至松滋高速公路江陵至 松滋段跨越长江的通道，主桥为主跨1 160 m双塔 双索面混合式组合梁斜拉桥，全长1 860 m。基础 采用分离式承台+群桩基础，单个承台桩基采用22 根宜径3.2 m钻孔灌注桩，辅助墩及过渡墩桩基采 用4根宜径2.2 m钻孔灌注桩。该桥所处长江两岸分别为江陵岸和公安岸。桥址区位于长江湖北荆州观音寺至郝穴段。主要 地层分为粉质黏土、黏土：软塑，褐黄色、灰褐 色，多发育于地表，最大厚度3 m；粉质黏土、黏 土：可塑，黄褐色，厚2.89,0 m；粉质黏土、黏 土：硬塑，灰褐色，厚4.5&1 m；粉砂：稍密，灰褐色，厚2.5-5.9 ni；粉砂：中密，灰褐色，厚 1.95.5 m；细砂：中密，灰色，厚2.313.2 m；细砂：密实，主要位于卵石上部，发育 厚度较薄；卵石：密实，灰褐色，厚38.0 85.9 m,其工程力学性质较好，分布广泛，发育稳 定，为桩基础主要持力层。主要地层设计参数见 表1。公安侧8号辅助墩试桩地层剖面见图1。表1主要地层设计参数Tab.1 Main Geotechnical Design Parameters序号地层名称状态桩侧摩阻力 标准值Qik/kPa地基承载力 特征值人o/kPa粉质黏土、黏土软塑30100粉质黏土、黏土可塑50150粉质黏土、黏土硬塑70220粉砂稍密2590粉砂中密35110细砂中密40210细砂密实70300卵石密实160800深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究 周 霄，王钺钺,刘新华，徐 欣33图1公安侧8号辅助墩试桩地层剖面Fig.1 Cut-away View of Soil Formation of Trial Pile of Auxiliary Pier No.8 on Gongan Side3分布式后压浆方案设计与施工选择公安侧8号辅助墩试桩进行原位试验，其桩 径2.2 m,桩长35 m。采用分布式后压浆工艺，试桩 采用声测管兼作注浆管。桩侧每间隔6 m布置1层 分布式桩侧压浆器，共4层，最下层距离桩端6 m,单 层压浆量0.5t 注浆管底部布置5个桩端压浆器,沿桩身圆周均匀布置，桩端压浆量7.1 t,单桩总压浆 量9.1 t。浆液采用P O 42.5普通硅酸盐水泥，水 灰比0.50.6。桩端压浆压力1.24.0 MPa,桩侧 压浆压力0.42.0 MPa。压浆遵循“细流慢注”的原 则，出浆口的压浆流量不超过75 L/min。分布式后压浆首先通过钻机成孔，成孔达到 设计深度后，一次清孔，下放预埋有压浆器的钢筋 笼至孔内。预埋压浆器，利用声测管串联连接桩 端及桩侧压浆器，并在桩端压浆器底部焊接保护 钢筋，以免在下钢筋笼过程中损坏桩端压浆器。钢筋笼安装完成，二次清孔后浇筑桩身混凝土，混 凝土浇筑完成后需对声测管进行冲洗，确保声测 管畅通，并将声测管上口封闭；待桩身混凝土强度 达到75%、且声测完成后，利用绕管机通过声测管 口放入带有止浆塞的压浆软管至声测管底部，膨 胀止浆塞将上部声测管封闭后，压注桩端水泥浆，待桩端水泥浆压注完成后，向上提升止浆塞至桩 侧出浆口，根据设计间距依次向上完成灌注桩后 压浆施工。采用智能化后压浆控制系统及成套设 备，具有定位、自动化、智能化、网络化的特点，施 工透明、效率高、易操作；设备安全可靠、节能环 保，可保障压浆施工的工期与质量。分布式后压 浆施工工艺流程见图2,施工布置见图3。图2分布式后压浆施工工艺流程Fig.2 Flowchart of Distributed Post Grouting施工示靈施工现场图3分布式后压浆施工布置Fig.3 Construction Organization of Distributed Post Grouting4自平衡静载试验基桩自平衡法是基桩静载试验的一种新方法,其主要装置是一种特制的荷载箱,与钢筋笼相接，通 过地面上的油泵加压，荷载箱将同时向上、下发生变 位，发挥桩侧阻力和桩端阻力的作用，同时测得荷载 箱上、下部桩身各自承载力匚迪。本次试验采用双荷 载箱自平衡测试法,通过上、中、下3段桩的荷载 位移曲线,得到上、中、下3段桩的承载力，进而确定 整桩承载力。选择公安侧8号辅助墩试桩进行原位试验。在 试桩内安放上、下2个荷载箱,将桩身分成三部分,34桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)下荷载箱至桩端距离为1 m,上荷载箱至桩端距离 为8mo上、下荷载箱加载值分别为2X14 400 kN.2X32 600 kN。双荷载箱自平衡测试示意见图4。图4双荷载箱自平衡测试示意Fig.4 Schematic Diagram of Self-Balancing Static LoadTest with Double Load Cells试验加载采用慢速维持荷载法，按基桩静载试 验自平衡法进行测试。测试完成后进行压 浆，压浆龄期达到相关要求后进行压浆后的测试，压 浆后测试与压浆前相同。在桩体内预埋钢筋应变计 以获得每级荷载作用下各桩截面的桩身轴力以及轴 力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。应变计 在桩身岩土层分界面处平均布置4个，桩身应变计 布置见图5。11i i1 1i 1 1.*9-22l 1-.,+11.A2宀二卜卜卜1r-y-3.5 1 3：桩1 站图5桩身应变计布置Fig.5 Layout of Stress Gauges on Pile Shaft5试验结果分析5.1极限承载力和位移根据基桩静载试验自平衡法，试桩的竖向 极限承载力：Q=Q；W+Q”Q 詁(1)式中,Q。为单桩竖向承载力极限值(kN)；Qg为上 段桩的极限加载值(kN)；Qu为中段桩的极限加载 值(kN)；Qd为下段桩的极限加载值(kN)；W为上 段桩的自重与附加重量之和(kN)*为桩的修正系 数,按荷载箱上部土的类型确定：黏土、粉土/=0.8,砂土 7=0.7,岩石7=1,若土层类型不同应取 加权平均值。试桩压浆前、后极限承载力见表2。由表2可 知:试桩压浆前抗压极限承载力为32 865 kN,压浆 后抗压极限承载力为67 425 kN,承载力是压浆前 的2.05倍。表2试桩压浆前、后极限承载力Tab.2 Ultimate Load Bearing Capacity of Trial Pile before and after Grouting状态-各段桩极限承载力/kN扣除 重力/kN修正试桩竖向极限上段桩中段桩下段桩系数承载力/kN压浆前10 000 7 33314 4001 5400.7632 865压浆后30 42730 4271 9390.7767 425注:压浆后上段桩、中段桩承载力之和为30 427kN。试桩压浆前、后桩顶等效荷载等效位移曲线 见图6。由图6可知:在桩顶荷载相同的条件下，试 桩压浆后桩顶位移小于压浆前;在桩顶发生相同位 移时，压浆后的试桩承受的桩顶荷载明显高于压浆 前。综上可知,深厚卵石层中采用分布式后压浆技 术可以显著提高桩基抗压极限承载力，桩的沉降也 会大大减小。图6试桩压浆前、后桩顶等效荷载等效位移曲线 Fig.6 Relationship between Pile-Top Equivalent Load and Displacement before and after Grouting5.2桩侧摩阻力、桩端阻力及初始刚度5.2.1规范理论值由美国ISO 19901-4：2003(E)规范1，桩身不 同深度处的桩侧摩阻力f(z)可按下式计算：/(z)=o 2)(2)式中,P为无量纲桩侧摩擦系数(无粘性土)。(刃 为深度z处的土体有效应力。桩端阻力g可按下式计算：深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究 周 霄，王钺钺,刘新华，徐 欣35q=Ngpo(3)式中，Ng为无量纲承载力系数;捉为桩端处的土体 有效应力。桩端土初始刚度怂可按下式计算：屁=严b nr0(1式中,G为桩端土层的剪切模量;为桩的半径;抄 为桩端土的泊松比。桩侧土初始刚度忽可按下式计算：r0(l+/z,)r0式中,G为桩侧土体的剪切模量;E.为桩侧土体的 弹性模量;为桩侧土的泊松比。结合建筑桩基技术规范(JGJ 942008)、公 路桥涵地基与基础设计规范MJGJ 33632019)以 及工程地质勘察报告中给出的卵石地层岩土工程设 计参数，确定桩侧摩阻力为150 kPa、桩端阻力为 1 080 kPa,桩侧、桩端初始刚度的理论值分别为 233X106 N/m570X106 N/m2 o5.2.2现场实测值根据荷载箱埋设位置，取标高为一3.513+3.487 ni范围的试桩段进行分析，试桩压浆前、后 桩侧摩阻力r桩土相对位移s曲线见图7。由图7 可知:压浆后桩侧摩阻力r2大于压浆前桩侧摩阻力 m,压浆后桩侧初始刚度也大于压浆前桩侧初始刚 度总-压浆后卵石层桩侧摩阻力明显提高，由于浆 液对桩周土层的渗透、压密和充填作用，改善桩侧土 体的力学特性，可以有效增强桩周土体的约束能力 和桩侧土的强度和刚度。试桩压浆前、后桩端阻力g“桩端位移曲线 见图8。由图8可知：压浆后桩端阻力脳大于压浆 前桩端阻力张；压浆后桩端初始刚度屁2大于压浆 图7试桩压浆前、后桩侧摩阻力t桩土相对位移s曲线 Fig.7 Relationship between Lateral Pile Surface Friction t and Pile-Soil Relative Displacement s of Trial Pile before and after Grouting前桩侧初始刚度屁1。压浆后卵石层桩端阻力明显 提高，由于浆液对桩端沉渣以及桩端持力层一定范 围内土体的加固作用，可以有效增强桩端土体的强 度和承载能力。图8试桩压浆前、后桩端阻力桩端位移S曲线 Fig.8 Relationship between Pile-Tip Resistance and Pile-Tip Displacement of Trial Pile before and after Grouting5.2.3理论值与实测值对比根据规范及工程资料确定的理论值与压浆前、后 现场试验得到的实测值对比见表3。由表3可知:现 场测试得到的压浆前实测值相对理论值的增大系数 约为1.1;压浆后相对压浆前桩侧摩阻力、桩端阻力和 桩侧、桩端初始刚度的增大系数为1.82.0。分布式 后压浆对于卵石层灌注桩有很好的适用性。表3压浆前、后理论值与实测值对比Tab.3 Comparison of Theoretical and Measured Values before参数理论值实测值 压浆前 压浆后增大系数 压浆前压浆后and after Grouting桩侧摩阻力/kPa160168.27315.561.0521.875桩端阻力/kPa1 0801 186.002 353.661.0981.985桩侧初始刚度/X106 N m2233257.83477.361.1071.851桩端初始刚度/X106 N m2570634.821 228.761.1141.9366结论通过对比分析武汉至松滋高速公路观音寺长江 大桥试桩采用分布式后压浆技术前、后自平衡测试 结果，研究分布式后压浆对灌注桩承载性能及荷载 传递机理的影响，得到以下结论：(1)卵石层灌注桩采用分布式后压浆可以有效 提高桩基的极限承载力，减小桩顶沉降。(2)压浆后灌注桩桩侧摩阻力、桩端承载力得 到提高，桩侧、桩端初始刚度得到增强，承载性能明 显改善。36桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)(3)以卵石为持力层的试桩现场实测各承载性 能指标约为理论值的1.1倍;压浆后各承载性能指 标为压浆前的1.8-2.0倍。分布式后压浆对于卵 石层灌注桩有很好的适用性，施工工艺可行。参考文献(References):1 李军堂，秦顺全，张瑞霞.桥梁深水基础的发展和展望J.桥梁建设,2020,50(3):17-24.(LI Jun-t ang,QIN Sh un-q uan,ZHANG Rui-x ia.Devel o p ment s and Pro sp ec t s o f Deep Wat er Fo undat io ns fo r Bridg e.Bridg e Co nst ruc t io n,2020,50(3)：17-24.in Ch inese)2 周启辉，刘亚祺芜湖长江三桥2号桥塔墩钻孔桩施 工关键技术J.世界桥梁，2022,50(2):51-56.(ZHOU Qi-h ui,LIU Ya-q i.Key Co nst ruc t io n Tec h niq ues fo r Bo red Pil es o f Py l o n Pier No.2 o f Th ird Wuh u Ch ang j iang River Bridg eJ.Wo rl d Bridg es,2022,50(2):51-56.in Ch inese)3 沈涛.孟加拉帕德玛大桥钢管桩桩侧压浆施工技术J.世界桥梁,2020,48(3):22-26.(SHEN Tao.Key Sh aft Gro ut ing Tec h niq ues fo r St eel Tubul ar Pil es o f Padma Bridg e in Bang l adesh J.Wo rl d Bridg es,2020,48(3)：22-26.in Ch inese)4 王同民輪鱼洲长江大桥北汉航道桥N15号墩超长桩 施工技术口丄桥梁建设,2021,51(6):118-125.(WANG To ng-min.Co nst ruc t io n Tec h niq ues fo r Sup er-Lo ng Pil es o f Pier N15 o f No rt h-Branc h Navig at io n Ch annel Bridg e o f Biany uzh o u Ch ang j iang River Bridg ed J,Bridg e Co nst ruc t io n,2021,51(6):118-125.in Ch inese)5 李晓燕，金 纯，陈祉阳，等.黄河漫滩地层大直径灌 注桩后压浆应用研究口：I.建筑结构,2021,51(S2)：1 563-1 567.(LI Xiao-y an,JIN Ch un,CHEN Zh i-y ang,et al.Ap p l ic at io n o f Po st Gro ut ing o f Larg e Diamet er Cast-in-Pl ac e Pil e in Fl o o dp l ain St rat um o f t h e Yel l o w River J.Buil ding St ruc t ure,2021,51(S2):1 563-1 567.in Ch inese)6 徐艺飞，万志辉,戴国亮，等.桩端后压浆灌注桩长期 承载性能试验研究J.建筑结构学报,2021,42(4)：139-146.(XU Yi-fei,WAN Zh i-h ui,DAI Guo-l iang,et al.Ex p eriment al St udy o n Lo ng-Term Bearing Beh avio rs o f Base Po st-Gro 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万志辉，戴国亮,龚维明，等.超厚粉细砂地层组合压浆 桩压浆效果试验口中国公路学报,2018,31：59-67.(WAN Zh i-h ui,DAI Guo-l iang,GONG Wei-ming,et al.Ex p eriment o n Gro ut ing Effec t s o f Co mbined Gro ut ing Pil es under Ex t ra-Th ic k Fine Sil t y Sand Lay er.Ch ina Jo urnal o f Hig h way and Transp o rt,2018,31(3):59-67.in Ch inese)14 刘彦峰，胡晓明，马远刚，等.后注浆技术在粉细砂地 层灌注桩中的应用口 1桥梁建设,2O19,49(S1)：127-132.(LIU Yan-feng,HU Xiao-ming,MA Yuan-g ang,et al.Ap p l ic at io n o f Po st-Gro ut ing Tec h niq ue t o Bo red Pil es in Sil t y Fine Sand St rat um J.Bridg e Co nst ruc t io n,2019,49(S1):127-132.in Ch inese)15 万志辉，戴国亮，龚维明，等.钙质砂后压浆桩水平承 载性状模型试验研究J1岩土力学，2021,42(2)：411-418,429.(WAN Zh i-h ui,DAI Guo-l iang,GONG Wei-ming,et al.Ex p eriment al St udy o n Lat eral Bearing Beh avio r o f Po st-Gro ut ed Pil es in Cal c areo us Sand JI Ro c k and So il Mec h anic s,2021,42(2)：411-418,429.in Ch inese)16 杨兴华，何 宇,杨劲岫，等.双荷载箱的自平衡法在 戛洒江特大桥桩基优化中的应用J.世界桥梁，2019,47(1).76-80.(YANG Xing-h ua,HE Yu,YANG Jin-sh en,et al.Ap p l ic at io n o Sel f-Bal anc 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工程专业，工学学士，2012年毕业 于武汉理工大学桥梁与隧道工程专 业，工学硕士。研究方向：桥梁结构 设计E-mail：386913667q q.c o m刘新华1981,男，正高级工程师2004年毕业于湖南工业大学土木 工程专业，工学学士，2007年毕业 于湖南大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，2021年毕业于长沙理