高聚物布袋桩加固淤泥质软土地基模型试验

石明生，李禄禄，夏洋洋，樊炳森

高聚物布袋桩加固淤泥质软土地基模型试验

石明生1, 2, 3，李禄禄1, 2, 3，夏洋洋1, 2, 3，樊炳森1, 2, 3

(1. 郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2. 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室，河南 郑州 450001；3. 水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心，河南 郑州 450001)

高聚物布袋桩是加固软土地区既有建筑物地基的一种全新技术。针对其在淤泥质软土中成桩后桩径、桩体容重与注浆量的对应关系，以及成桩过程中挤土压力变化规律、超静孔隙水压力的变化趋势和分布规律等问题认识的不足，通过模型试验在淤泥质软土中进行3组不同注浆量的成桩试验和1组木桩的对比试验，并利用单桩载荷试验验证了高聚物布袋桩的承载能力。试验结果表明：相同土体中，注浆量越大，成桩后的桩径越大，对应的桩体容重也越大；成桩引起的超静孔隙水压力在同一监测距离下随着深度的增大而增大，在同一监测深度下随着与桩体距离的增大而增大，且其引起的超静孔隙水压力是木桩的2倍，能加速淤泥质软土的排水固结；经高聚物布袋桩加固后，淤泥质软土复合地基承载力最大可提高27%左右，加固效果明显。

地基加固；高聚物布袋桩；模型试验；淤泥质软土；超静孔隙水压力；复合地基承载力

淤泥质软土在我国广泛分布，具有透水性差、强度低、压缩性高、地基承载力低等不良特性[1−2]。以淤泥质软土为地基的建筑物如果地基处理不当，则会引起沉塌、不均匀沉降等工程事故[3]。注浆布袋桩[4]是加固处理既有建筑物软土地基的一项新技术。国内外学者对注浆布袋桩开展了相关研究，Lohani等[5−8]对布袋注浆桩的布袋力学性能测试、施工工艺、加固效果以及成桩质量等问题进行了研究。LI等[9]研究了布袋注浆桩形成的挡土墙在基坑开挖过程中的力学和变形性能。ZHENG等[10]对基坑开挖过程中用布袋注浆桩处理渗透破坏的效果进行了研究。李启月等[11]以布袋注浆桩加固某饱和软黏土路基工程为例，研究了成桩时桩周土体位移的分布特征和超静孔隙水压力的分布规律与变化趋势。高聚物布袋桩创新性的将高聚物浆液与传统的布袋注浆桩进行了结合。该浆液具有早强、无水反应、高膨胀力等特点[12]，在水利、交通、市政等领域应用广泛[13−16]。高聚物布袋桩的成桩机理是将浆液注入预置于土体中的布袋内，浆液在布袋内发生化学反应并快速膨胀，巨大的膨胀力挤密土体，形成圆柱状或葫芦状的注浆体，对地基起到挤密、置换、加固等作用。它具有施工速度快、早强、对场地要求低、成桩工艺简单、施工机械小、无水反应等特点，适用于既有建筑物软土地基加固以及膨胀土、湿陷性黄土、应急抢险等特殊工程。石明生等[16−19]先后对高聚物的力学特性、高聚物锚固体在土体中的锚固性能、高聚物碎石桩和高聚物浆液的固化时间及温度进行了研究，但对高聚物布袋桩的研究鲜有报道。因此，对高聚物布袋桩的加固效果，以及成桩过程中挤土压力变化规律、挤土效应影响范围、超静孔隙水压力的变化趋势和分布规律等问题进行研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 模型试验

1.1 注浆材料

高聚物布袋桩所用的注浆材料为非水反应类双组份聚氨酯材料，属于化学灌浆材料。如图1所示，蓝料为多元醇，红料为多异氰酸酯，按照1:1比例混合后能在10 s内体积膨胀20~30倍，反应生成泡沫状固化物(图1反应物)。根据石明生[15]对高聚物浆液反应产生的最大膨胀力与密度关系的研究结果可知，反应物密度在0.15~0.3 g/cm3之间时，对应的最大膨胀力在0.5~2 MPa左右。可见，自身反应的膨胀力可以很好的挤密加固土体。

1.2 试验方案

考虑模型试验相似理论的相似关系，试验所用土体为实际土体，模型桩材料与原型桩相同；桩体尺寸与原桩保持一定的相似关系，桩长100 cm，桩径在10~20 cm之间，尺寸比例约为1:6。试验在一特制的钢桶中进行，试验用土取自河南某地基坑开挖至一定深度处的淤泥质软土，其物理性质指标示于表1。试验共分为4组，桩1号至桩3号注浆量不同，其他条件相同；桩4号为木桩，桩径与桩2号相同，锤击击入土体，作为桩2号的对照组，用来比较不同成桩方式对超静孔隙水压力的影响。各桩对应工况如表2。

图1 高聚物浆液及其反应物

表1 淤泥质软土物理性质指标

表2 试验工况

此外，为测量土体中不同位置处水平土压力和超静孔隙水压力，填土时在不同距离及深度处，埋设土压力计和孔隙水压力计。土压力计编号T1至T16，从上向下依次为第1排至第3排，从左向右依次为第1列至第3列；孔隙水压力计编号K1至K6，从上向下依次为第1排至第3排，从右向左依次为第1列和第2列，具体位置如图2所示。特别指出，编号为T1至T3的土压力计直接粘贴在布袋上，随布袋放入钻孔内，测量桩土间的挤土压力。

单位：cm

1.3 试验过程

试验主要包括填土静置→钻孔→布袋绑扎及放置→注浆→单桩载荷试验→开挖等过程。首先，人工分层填土，在钢桶底部填20 cm厚细沙作持力层；填入取回土样，填至一定高度后，埋设相应的传感器。填土完成后土体表面浇水静置，待各孔隙水压力计测得的孔隙水压力数值稳定、土体沉降量不变后，再静置2 d。随后进行试验，在土体中心用洛阳铲钻出一直径6 cm，高110 cm的钻孔。之后进行布袋的绑扎，绑扎完成后将粘贴有土压力计的布袋放入预先钻好的孔内。然后根据不同的工况进行注浆；注浆的同时，记录各传感器输出的数据。待反应完成1~2 d，将桩头附近上部15 cm厚的土体挖出，露出桩头，并将桩头磨平，进行单桩竖向抗压静载试验，确定抗压极限承载力。试验完成后将桩体挖出，测量桩体的桩径及不同位置处的桩体容重。

1.4 试验装置及仪器

图3(a)所示，模型试验所用钢桶直径为120 cm，高130 cm，壁厚1 cm，尺寸满足模型桩试验要求，可消除边界条件的影响。钢桶顶部安装反力架，在进行单桩竖向抗压静载试验时用来提供反力。应变式土压力计的规格为直径4 cm，厚0.8 cm，全桥连接，桥路电阻350 Ω，量程分别为100，200和500 kPa，根据距离桩体的位置选用合理量程；应变式孔隙水压力计的规格为直径1.58 cm，厚2.1 cm，全桥连接，桥路电阻350 Ω，量程均为50 kPa；应变式位移计量程为3 cm；采集仪器选用型号为DH3816N的静态电阻应变采集仪，采集频率2 Hz，共60通道，如图3(b)所示；数显式液压千斤顶用来提供压力，起重量20 t。经测算，以上试验仪器精度和量程均满足试验要求。

(a) 模型钢桶；(b) 采集仪器

2 试验结果分析

2.1 成桩效果

试验结束后将桩体挖出，呈规则的圆柱体，无缩径、扭曲现象，成桩完整，如图4。成桩结果统计如表3，可见高聚物布袋桩挤土扩孔效果显著，桩径可达2~3(为预钻孔直径，大小为6 cm)。桩体不同位置处容重的测量结果统计于图5，其容重分布在0.15~0.25 g/cm3之间。结合桩径结果可以看出，相同条件下，注浆量越大，桩径越大，对应的桩体容重也越大；另外，成桩后的桩体容重沿桩长方向分布不均匀，表现为自桩底至桩顶密度逐渐减小的趋势。从开挖出的桩体可以看出，经单桩竖向抗压静载试验后，桩体压缩变形明显，且上部变形量比下部大。根据文献[15]的研究成果，桩体容重在0.15~0.25 g/cm3之间时对应的抗压强度在2~5 MPa之间，可见高聚物布袋桩仅可作为柔性桩在复合地基中使用，不易作为受力桩直接承受上部荷载。桩体容重沿桩长分布不均匀的原因在于高聚物浆液注入后一段时间后才开始反应，浆液在重力作用下先落到布袋底部，然后再自下而上膨胀反应，当浆液填充满预钻孔后，底部浆液继续向上膨胀反应，因而底部最先受到挤压，桩体容重较大，抗压强度也较大。

图4 成桩效果

表3 成桩结果

2.2 挤土压力随时间的变化规律

挤土压力是指高聚物浆液注入布袋后，在布袋和土体的约束下产生的膨胀力，用来挤密土体。这里以桩3号注浆时前120 s内T3土压力计测得的挤土压力−时间曲线为例(图6)，分析挤土压力随时间的变化规律。从图6可以看出，曲线可分为以下3个阶段：注浆阶段(段)，前10 s内，挤土压力基本为零，这是因为双组份高聚物浆液混合后需要一段时间才开始反应，且反应后需要先填充预钻孔的体积。循环挤密阶段(段)，注浆10 s后，挤土压力迅速上升，当达到一定压力后，土体被挤密，发生位移，孔径扩大，挤土压力明显下降。与此同时，后注入的浆液继续反应膨胀，挤土压力再次增大，当达到一定挤土压力后，土体被进一步挤密，孔径再次扩大，挤土压力再次下降。如果此时注浆仍在继续，将不断重复上述过程，并且随着土体每次被挤密变形，再次挤密土体时所需要的挤土压力不断增大。压力消散阶段(段)，高聚物浆液完全反应后，最大挤土压力和土体被挤压变形所需要的压力达到平衡，此时土体扩孔达到最大，桩径也达到最大，挤土压力在土体中不断传递消散，最终趋于 稳定。

图5 桩体不同位置处容重分布

图6 挤土压力随时间变化变化规律

2.3 水平向土压力的变化趋势及分布规律

以桩3号为例，将成桩时不同位置的土压力计所测的水平向土压力曲线示于图7。从图7可以看出：1) 土体中的水平向土压力与高聚物浆液反应后产生的挤土压力变化规律一致，总体呈现出先增大后减小的趋势，这主要是挤土压力不断向土体中传递所致。2) 水平向土压力随着桩体深度的增大而增大。整个注浆过程中，深层土体中的水平向土压力比浅层土体中的要大。一方面，这是由于表面土体处于无约束状态，因而土体埋深越浅，水平向土压力消散的越快；另一方面，随着土体埋深的增加，土体自重应力增大，下层土体更不易被挤密变形。3) 水平向土压力随着土体与桩体之间的距离的增大而减小；并且桩土接触面处的挤土压力最大，当传递到土体后，水平向土压力迅速减小，然后随土体与桩体之间距离的增大而缓慢减小。

(a)第1列水平向土压力分布规律；(b)第2列水平向土压力分布规律；(c)第3列水平向土压力分布规律；(d)第4列水平向土压力分布规律

2.4 超静孔隙水压力的变化趋势及分布规律

以桩3号为例，将成桩时不同监测距离和不同监测深度的孔隙水压力计所测的超静孔隙水压力曲线示于图8。从中看出：1) 土体中的超静孔隙水压力表现为迅速增加和迅速消散的变化规律。这是由于高聚物浆液反应迅速，巨大的膨胀力挤密土体，产生超静孔隙水压力，在土体上部和桩土之间形成渗流通道，孔隙水迅速排出，超静孔隙水压力又迅速消散。由此可见高聚物布袋桩对加速淤泥质软土排水固结具有明显效果。2) 同一监测距离下，超静孔隙水压力随着桩体深度的增大而增大，不同深度处同时达到最大值。这是由于土体埋深越小，其排水条件越好，超静孔隙水压力越容易消散；另外，浆液膨胀反应后迅速充满整个布袋，沿整个钻孔深度同时挤密土体，因而不同深度处超静孔隙水压力的变化规律具有一致性。3) 同一监测深度下，超静孔隙水压力随着土体与桩体距离的增大而增大，且随着土体与桩体距离的增大，超静孔隙水压力最大值的出现有一定的滞后性，如第1列和第2列的最大超静孔隙水压力分别出现在50 s和70 s左右。这是由于在膨胀产生的挤土压力作用下，桩土间形成渗流通道，有孔隙水排出，因而桩体附近超静孔隙水压力较低；另外，淤泥质软土的透水性差，超静孔隙水压力向远端传递较慢，因而在距离上有一定的滞后性。

(a) 第1列超静孔隙水压力随时间变化；(b) 第2列超静孔隙水压力随时间变化

2.5 不同成桩方式引起超静孔隙水压力的对比分析

木桩4号采用锤击的方法击入土体，锤击间隔为10 s，13次后全部击入土体，图9给出了木桩4号击入土体时超静孔隙水压力的变化规律，对比图8可以发现，两者有如下几点不同：1) 相同位置处，高聚物布袋桩引起的超静孔隙水压力约为木桩引起的超静孔隙水压力的2倍。原因在于高聚物浆液膨胀反应迅速，成桩速度快，因此产生更高的超静孔隙水压力。2) 同一监测距离下，高聚物布袋桩成桩时不同埋深处的超静孔隙水压力同时达到最大值；而木桩击入土体时超静孔隙水压力沿木桩击入的深度依次达到最大值。这是由于两者的成桩机理不同，高聚物浆液膨胀反应后迅速充满预钻孔，沿整个钻孔深度同时挤密土体，而木桩随击入深度依次挤密土体。3) 两者引起的超静孔隙水压力的变化趋势不同。高聚物布袋桩引起的超静孔隙水压力表现为迅速增加又迅速消散的变化规律；木桩引起的超静孔隙水压力表现为随锤击震荡上升和缓慢消散的变化规律。

(a) 第1列孔隙水压力随时间变化；(b) 第2列孔隙水压力随时间变化

3 加固效果

高聚物布袋桩反应完成后，等待1~2 d至土体内应力完全消散后，将桩头附近上部15cm厚的土体挖出，并将桩头磨平，进行单桩竖向抗压静载试验，绘制竖向荷载−沉降(-)曲线如图10。从图中可以看出，不同注浆量下布袋桩均为缓变型曲线，无明显拐点。根据《建筑基桩检测技术规范JGJ106—2003》[20]，取=0.05(为成桩直径)对应的荷载值为极限承载力。现场轻型动力触探试验测得模型钢桶内淤泥质软土的地基承载力为20 kPa。根据谷拴成等[21]研究结果取桩间距0.8 m，等边三角形布置，计算高聚物布袋桩加固后的复合地基承载力，其结果统计如表4。从表中可以看出：1) 经过高聚物布袋桩加固处理后的淤泥质软土地基承载力明显提高，且随着桩径的增大，对应的复合地基承载力也逐渐增大，桩3号对应的复合地基承载力达25.33 kPa，提高率为27%。2) 相同桩径下，高聚物布袋桩提高淤泥质软土地基承载力的效果更好。这是因为土工布袋表面粗糙，且在注浆过程中会有少量浆液从布袋渗出，形成棘突结构，导致桩土体之间的摩擦因数明显提高，从而提高了单桩极限承载力。

表4 不同桩径对应的承载力试验结果

图10 不同注浆率时Q-s曲线

4 结论

1) 高聚物布袋桩对软土地基加固效果显著，成桩后桩径可达2~3(为预钻孔直径)，桩体容重分布表现为自桩底至桩顶逐渐减小的趋势，分布在0.15~0.25 g/cm3之间。

2) 桩周土水平向土压力随着桩体深度的增加而增加，随着土体与桩体之间距离的增大而减小。

3) 高聚物布袋桩成桩过程中，超静孔隙水压力在同一监测距离下随着深度的增大而增大，在同一监测深度下随着与桩体距离的增大而减小。另外，高聚物布袋桩对加速淤泥质软土排水固结具有明显效果。

4) 高聚物布袋桩引起的超静孔隙水压力约为木桩引起的超静孔隙水压力的2倍，且两者的增长趋势不同。

5)静载试验表明，桩径越大，对应的单桩承载力越大，经换算后的复合地基承载力最大提高27%；且相同桩径下，高聚物布袋桩的单桩承载力比木桩要高。

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Model test of reinforcing silty soft soil with polymer bag grouting pile

SHI Mingsheng1, 2, 3, LI Lulu1, 2, 3, XIA Yangyang1, 2, 3, FAN Bingsen1, 2, 3

(1. School of Water Conservancy Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2. National Local Joint Engineering Laboratory of Major Infrastructure Testing and Rehabilitation Technology, Zhengzhou 450001, China;3. Collaborative Innovation Center of Water Conservancy and Transportation Infrastructure Safety, Zhengzhou 450001, China)

Polymer grouting bag pile is a new technology to reinforce the foundation of existing buildings in soft soil area. In view of the insufficient understanding of the relationship between pile diameter, pile density and grouting amount after the pile is formed in silty soft soil, as well as the change rule of soil squeeze pressure, the influence range of soil squeeze effect, the change trend and distribution rule of excess pore water pressure in the process of pile formation, model tests of three piles with different grouting amounts and one timber pile which was used as a control group were carried out in silty soft soil, and the carrying capacity of polymer bag grouting pile is verified by single pile load test. The test results show that: in the same soil mass, the larger the grouting amount is, the larger the pile diameter is and the larger the corresponding pile density is; At the same monitoring distance, the excess pore water pressure increases with the increase of pile depth. At the same monitoring depth, the excess pore water pressure decreases with the increase of the distance between soil and pile; The excess pore water pressure caused by polymer bag pile is twice that caused by wooden pile, which can accelerate the drainage and consolidation of silty soft soil; The bearing capacity of silty soft soil composite foundation can be increased by about 27% after reinforced by polymer bag pile.

foundation reinforcement; polymer bag grouting pile; model test; silty soft soil; excess pore water pressure; bearing capacity of composite foundation

TU472

A

1672 − 7029(2020)09 − 2235 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20190992

2019−11−11

国家重点研发计划项目(2017YFC0405002)；国家自然科学基金资助项目(51679219)

石明生(1962−)，男，河南南阳人，教授，博士，从事基础工程加固与高聚物注浆技术方面研究；E−mail：sms315@126.com

(编辑 涂鹏)