端帽式碎石注浆桩在路堤荷载下工作性状

邱红胜， 郑俊杰

(1．华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074;2．武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

1 端帽式碎石注浆桩

碎石桩在地基处理中应用广泛，但因碎石桩本身没有粘结强度，对软土进行加固时，其效果不理想，无法将上部荷载传递到深层地基中。针对这一问题，无砂混凝土碎石桩被开发出来，后来进一步发展为现在的碎石注浆桩，并广泛地应用于道路工程中［1～4］。

1．1 复合地基组成

高速铁路对路基的工后沉降要求严格，笔者对碎石注浆桩进行改进，提出端帽式碎石注浆桩(图1)，以减少桩体的上下刺入，达到提高复合地基承载力、减小地基沉降的目的。

图1 端帽式碎石注浆桩复合地基组成

现有碎石注浆桩由碎石和水泥砂浆胶结而成，从成桩工艺看，类似于钻孔灌注桩，从桩的材料看，又属于胶结体桩。桩体的直径一般为30～70 cm，适用桩长 30 m 以内［4～6］。

1．2 桩体施工步骤

(1)小型钻机按设计桩径，钻进至设计深度成孔;桩顶以下1 m范围内将土体斜切成45度扩大头。(2)将注浆管放至孔底，投放碎石料。利用注浆管放水清洗孔壁。(3)进行注浆，浆液由下向上逆行，先桩底0．50～1．0 m范围压密微膨胀注浆液，形成下端桩帽，再渗透注浆桩体，至桩上顶端，上顶端二次注浆形成上端帽(或直接浇筑混凝土)，形成上下均带桩帽的桩体，见图2。

1．3 上下端帽的作用

在道路工程中为了防止桩端过度向上刺入，设计刚性承压桩帽，减弱桩顶应力集中。因桩帽作用及土拱效应，桩身承担大部分的荷载，提高了桩体的荷载分担比［7～9］。

在桩体下端约500～1000 mm范围，投放约1．5～2倍体积的高稠度微膨胀注浆液，压密桩底松散体并形成微扩大头的下端桩帽，提高单桩承载力，减少桩体下端沉降量。

图2 端帽式碎石注浆施工步骤

1．4 注浆在桩体胶结中的作用

碎石注浆的浆液除在钻孔中渗透固结碎石成桩外，也向周围土体渗透，使桩体与土体间形成一个土和砂浆结合的过渡带，增加了桩与周围土体的摩擦力。

水灰比大的水泥砂浆浆液流动性能好，有利于浆液对桩周土的渗透，但水灰比过大不仅不能提高浆液的流动性，还会使其强度和密度下降;水灰比较小，浆液胶结后强度高，注浆时易发生堵管现象，必要时可以加入外加剂以提高浆液的和易性，提高浆液的早期强度。浆液的水灰比约为1∶1．5，泵的最大工作压力不应低于 2．5 MPa，开始注浆时，需要1．5～2．5 MPa(与深度及土质有关)的起始压力，将浆液经注浆管从孔底压出后，注浆压力宜为0．3 MPa，每小段回注压力宜为0．3～0．7 MPa，使浆液逐渐上冒，直至浆液泛出孔口停止注浆。饱和土有必要采用微膨胀注浆液二次压密注浆，压力宜为 1．0～1．3 MPa，需要增大注浆加固区时，可在地面负载并加大二次注浆压力［9］。底端压密注浆段泵的最大工作压力不应低于3 ～5 MPa，注浆压力提高到 2．5 MPa［7～10］。试验结果表明，未注浆桩的单位摩阻力约为0．05～0．2 MPa，桩侧注浆桩的单位摩阻力为 0．1～0．3 MPa，即注浆后比注浆前可提高约1．5倍。

2 路堤荷载特征

加固软土路基时，路堤为桩体的向上刺入提供了较大空间，路堤荷载为柔性荷载，桩与桩间土主要通过桩体的刺入变形来实现共同作用，在桩周上部区域，产生负摩阻力;当桩端为非坚硬持力层时，桩体也产生向下的刺入变形，因而在桩的下部产生正摩阻力。

图3和图4所示的是端帽式碎石注浆桩在路堤荷载作用下的荷载传递及复合地基变形。

图3 复合地基荷载传递特性

图4 路堤荷载下复合地基变形

现有的复合地基理论大都采用“桩土等应变”假设，实际路堤的刚度介于刚性基础和理想柔性基础之间［11～13］。吴慧明等［14］通过单桩复合地基的模型试验证明了柔性基础下复合地基的承载力和桩土应力比分别小于刚性基础下的对应值，而沉降量的变化规律则相反。因此，刚性基础下复合地基理论一般情况下不能直接应用于柔性基础下的复合地基。

3 复合地基数值分析

利用数值分析方法，考虑复合地基、垫层和基础之间的共同作用，对柔性基础下刚性桩复合地基的工作性状进行研究，讨论不同基础相对刚度下桩端上、下刺入变形的变化趋势。为研究端帽式碎石注浆桩复合地基工作性状，选用与文献［2］相似的模型，对比端帽式碎石注浆桩沿深度侧摩阻分布、桩身轴向应力，在不同的地基土弹性模量下桩体的上下刺入变形的变化规律，分析中置换率m为4%，桩土间的摩擦系数为0．20(比实际偏小)。为了更符合工程实际，桩仍采用线弹性体，利用ABAQUS软件建立平面模型，在盖板和土体、桩侧和土体之间建立主从接触对，接触分析采用库仑摩擦模型，摩擦系数 0．2［15］，具体参数见表1。模型研究了三种典型桩:碎石桩、水泥搅拌桩、碎石注浆桩(三种模量)，对刚性端帽碎石注浆桩(弹性模量约5000 MPa)沿深度侧摩阻分布、桩身轴向应力，以及在不同的地基土弹性模量下桩体的上下刺入变形进行比较。

表1 材料物理力学计算参数

图5 加固区土模量为5 MPa时的桩身轴线应力

综合图5可看出，三种模量的桩体的轴力变化规律在上部较一致，在中下部有一定差异，上部桩顶轴力由小变大，柔性基础由于刚度小，桩间土沉降量大于桩顶的沉降量，使得桩顶产生向上的刺入变形，一定深度范围内，桩间土相对桩体产生负摩阻力，直至某深度处中性点，柔性基础下复合地基中桩身轴向应力最大点出现在中性点处，呈现随桩体模量增加而桩身轴力增幅加大。

比较端帽桩体(图5)，在桩头处的应力大于无端帽的状况，且整个深度范围内的桩体承载力高于无端帽者，随桩身刚度增加其轴力提高幅度增大。桩体模量为15 MPa时，端帽桩体与一般桩体的轴力曲线基本重合，上端帽的作用不明显。桩的模量为250 MPa时，端帽桩体轴力明显增加，上端帽轴力增幅较下端略小。桩的模量为5000 MPa时，上端帽(承压板)，下端帽(扩大体)的效用明显，基本上呈等幅增加。从图5可明显看出端帽对提高桩土荷载分担比的效果。由于上端帽的作用，桩间土形成的土拱拱跨减小，降低桩间土沉降。

图6 桩体模量5000M Pa时刺入量随加固区土模量的变化

本数值分析按桩底1．25倍扩大分析其工作效应，图6显示，桩在底部减少刺入量随土模量的增大由大变小。当土的模量为1～3 MPa时，端帽桩体较一般桩体减小桩体下刺入变形的效果非常明显;当土的模量为3～5 MPa时，效果明显，只是土的影响相对变小。桩底的压密注浆可对持力层进行适当挤密，其挤密的效果与注浆压力、持力层土体有关，桩底注浆扩大体对减小下刺入变形的作用明显。

随着地基土模量的提高，土体分担上部荷载加大，表现出桩体上下刺入量减小。结合文献［1，2］可知，对应桩体的摩擦阻力、桩身轴力也随模量的提高而减小。

图6显示，当地基土的模量偏低时，承压板及注浆桩对减小复合地基的沉降效果明显。当模量增加到一定程度后，上端帽及桩底挤密的效用降低。

为了进一步研究端帽式碎石注浆桩桩距的影响，本文对某路基［16］分别计算了桩距 2 m、2．5 m、3 m、4 m四种工况，桩顶和桩周土总沉降随桩距的变化规律(图7)。随着桩距增大，桩和桩间土的沉降随之增大，但桩间土的沉降明显要大于桩的沉降。在桩距3 m和4 m工况下，桩土沉降差异更明显。实际工程中应避免桩间距过大。

图7 桩间距对沉降的影响

桩土应力比、浆土应力比(浆土应力比为注浆加固区与未加固土的应力比值)随桩距的变化规律如图8所示。随着桩间距的增大，桩间土的应力逐渐增大，即桩土应力比减小，但浆土应力比只是略有减小。

图8 桩间距对应力比的影响

图9 桩距对不同浆液扩散半径工后沉降影响

图9为路基中桩的桩顶在各种桩距下，不同浆液扩散半径时的工后沉降。注意到桩距2 m、浆液扩散半径0．2 m与桩距2．5 m、浆液扩散半径0．4 m这两种工况下，工后沉降几乎相等，实际设计中从经济的角度，可选用后者。

4 结论

(1)端帽式碎石注浆桩符合柔性基础的变形特点，在柔性荷载作用下对软土地基有良好的加固效果。

(2)端帽式碎石注浆桩的桩上端帽提高了桩体荷载分担比，避免桩顶向上发生刺入破坏。桩底扩大头可以提高桩的承载力，减小桩底的刺入量，充分发挥桩体效用，提高复合地基承载力及减小地基沉降，特别适用于对路基的工后沉降要求严格的工程。

(3)在本文条件下，桩距2 m、浆液扩散半径0．2 m与桩间距2．5 m、浆液扩散半径0．4 m这两种工况加固效果相近，说明当浆液扩散半径较大时，可适当增大桩距。

(4)设计过程中，应综合考虑土层及桩体强度，调整端帽桩距、浆液扩散区置换率等设计参数，得出较优的方案。

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