扰动地层加固技术与效果评价研究*

张传奎，路 鹏，王 亮，郏建树，付 涛

(1.中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250101； 2.山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250101； 3.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250021)

0 引言

高压喷射注浆法加固机理是利用导管喷射出的高压水泥浆和空气介质，共同冲击破坏土体结构，并与之充分混合，形成具有一定强度的圆柱状固体结构，从而加固地基基础[1-3]。喷射注浆法通过泥浆泵及高压水泵改变喷射流体介质，用作防渗或止水帷幕，由于喷嘴的摆动角度可根据需要进行调整，故在地下防渗工程中，使喷射形成的固结体呈扇形或壁形，扇形或壁形固结体相互叠合构成封闭区域后，可有效防止地下水的渗透，改善地基土的水流性质[4-7]。

在主桥桥址处采砂会影响群桩基础的施工质量、降低群桩基础的承载力，不利于群桩基础受力[8]。本文以淮南淮上淮河大桥为背景，针对由于采砂导致河床塌陷深度较大的地质问题，采用高压喷射注浆法加固扰动地层，通过有限元软件建立加固前后的三维群桩有限元模型，对采用高压喷射注浆法加固扰动地层条件下桥梁群桩基础的竖向承载性能进行有限元分析，对比加固前后群桩基础在竖向荷载作用下的桩侧平均摩阻力、桩身平均轴力与桩端沉降变化，确定群桩基础的竖向承载力。

1 工程概况

淮南淮上淮河大桥施工时，主桥桥位施工区域河岸坍塌，通过初步测量，发现河床高程与设计有显著偏差，通过分析，因采砂导致桥址周围河床及河岸塌陷，且采砂层上方土体处于沉降状态，使河床土壤松散，形成扰动地层。通过测量发现主桥桥位处有严重采砂现象，导致河床坍塌7～8m，土层影响范围较深。经过地质勘察最终确定受扰动地层范围为-32.8～-18.1m，深度达14.7m。土层受采砂扰动范围如图1所示。鉴于河床下降和地层扰动问题，需重新勘测、验算主桥，经过钻孔取芯勘测、验算后，原大桥设计方案发生变更，采用增大桩径、桩基间距和桩长的设计方案，桩径由原设计2.0m变更为2.5m，桩基间距由5.0m增大为6.25m。群桩基础如图2所示。

图2 群桩基础示意(单位：cm)

为控制桩基施工质量，需控制泥浆性能指标，不同地层需调配不同指标的泥浆，尤其是因采砂扰动的地层，应增加护壁泥浆的相对密度，以求达到更好的护壁效果。合理控制钻进速度，不同土质地层分别采用不同钻进速度，当钻至强风化砂质泥岩时，由于该层土质黏度较大，多次发生糊钻现象，需提钻清理钻头，导致钻进速度缓慢，钻进过程中，即使采取保证桩基质量的施工措施，仍发生护筒突然下沉、瞬间没入水中的现象。由此可见，即使在慢速钻进、以优质泥浆护壁的前提下，仍发生扩孔、护筒掉落现象，同时因地层扰动范围较深、扩孔范围较大、钢护筒下落较深的缘故，严重影响桩基施工。经过分析发现，钻孔施工时，钢护筒底端位于扰动地层范围内，底部发生扩孔后沿护筒外部向上发展，造成护筒与外侧土体脱离，当外侧土体对护筒的摩阻力不足以和护筒自重平衡时，护筒会掉落，由于受扰动地层较厚且扩孔范围较大，故护筒下落深度较大。

通过分析钻孔灌注桩钻进过程中遇到的问题可知，主桥桥位处因采砂引起的复杂地质条件，如果不预先加固扰动地层，将无法进行桥梁群桩基础施工。

2 采砂扰动地层加固技术

2.1 加固方案

主桥处采用高压喷射注浆法加固扰动地层，在每个单桩周围设置一定数量的高压旋喷桩。开挖灌注桩钻孔前，在每个桩位钻孔处施打高压旋喷桩，每个桩基周围设置13根桩径1m的高压旋喷桩，旋喷桩间距为76.57cm，旋喷桩间重合23.34cm。每个桩基内设置3根桩径0.8m的高压旋喷桩，桩心距为121.24cm。方案设计如图3所示。每个桩基桩位处施打16根高压旋喷桩，每个主墩下共20根桩基，则每个主墩下各320根高压旋喷桩。

图3 高压旋喷桩实施方案(单位：cm)

该加固方案施工机具较小，施工方便，可与钻孔同时施工，在保证桩基施工工期的同时，有效防止钻进成孔时在采砂扰动层和砂层中扩孔，对扰动层加固效果好。

2.2 高压旋喷桩施工关键技术

2.2.1技术参数

高压旋喷桩注浆时，选取32.5级普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.8～1.1，浆液温度宜控制在5～40℃。 注浆压力控制在20～25MPa，注浆量控制在55～65L/min，喷杆提升速度控制在13～18cm/min，喷杆旋喷速度控制在18～22r/min。

2.2.2打设顺序

高压旋喷桩采用双重管法施打，施工过程中为防止串孔，各机组采取跳打法，当穿越高压缩土层时适当减小喷浆压力、加快提升速度和旋转速度等。

高压旋喷桩施工分3轮进行，第1轮先间隔施工外围桩，待符合要求后对外围剩余桩进行第2轮施工，最后施工孔内桩，如图4所示。

图4 高压旋喷桩施工顺序

高压旋喷桩打新孔时，先前施打的孔强度应符合规定，即待高压旋喷桩达到2d龄期后，方可施工下轮高压旋喷桩。

2.2.3施工控制

高压旋喷桩施工过程中严格按照设计放样打设水中套管，并作为定位孔，套管采用直径20cm、壁厚8mm的钢管，入土深度≥2m，孔口平面误差≤2cm，套管倾斜度≤1%，准确定位后将孔口固定于施工平台上。钻进过程中应保证钻孔垂直度≤1%，采用膨润土造浆护壁。

3 桥梁群桩基础承载性能分析

3.1 数值分析模型与方法

利用ABAQUS进行数值模拟计算分析，选取高压喷射注浆法加固前后的群桩基础作为研究对象，主墩承台截面尺寸为29.1m×22.85m，厚6m，承台下设置20根摩擦型钻孔灌注桩，单桩直径为2.5m、长度为103m，持力层为中风化泥质砂岩。本文共建立2个含有群桩基础和土层的三维有限元模型：①模型Ⅰ 未采用旋喷注浆法加固的三维群桩基础桩土有限元模型；②模型Ⅱ 采用旋喷注浆法加固扰动地层后的三维群桩基础桩土有限元模型。分析模型Ⅰ，Ⅱ的受力特性。

3.1.1模型计算区域

利用ABAQUS软件建立的模型都是有限大的空间体，为保证计算结果的准确性和计算效率，假设土体为空间半无限体。土体计算区域大小与计算时间和计算精度成正比，但与计算效率成反比[9-10]。确定模型计算区域时，为兼顾计算效率和精度，土体水平方向取承台尺寸的4倍，竖直方向取承台厚度与2倍桩长之和作为计算范围，建立半无限空间体模型，由此确定有、无旋喷桩的计算模型在土体水平方向尺寸分别为116.4，91.4m，竖直方向尺寸均为212m。边界条件均为固定桩土模型两侧的水平自由度，同时固定土体底部水平和竖直方向的自由度，由此建立的三维有限元模型如图5所示。

图5 三维有限元模型

3.1.2桩土本构模型和接触模型

建立桩土分析模型时，均采用三维结构实体单元，共有8个节点。桩基础简化为纯混凝土结构，不考虑钢筋影响。鉴于混凝土弹性模量比桩基四周土体的弹性模量大很多，桩基在外荷载作用下发生弹性形变，所以选用弹性模型。高压旋喷桩是由土体和混凝土组成的混合体，不仅具有混凝土弹性特征，还有土体塑性特点，所以高压旋喷桩本构模型采用弹塑性模型，土体材料采用莫尔-库仑模型，可方便定义不同土体的材料参数。

使用有限元软件ABAQUS模拟群桩基础桩土模型时，采用罚函数求解群桩与土的接触问题。在桩土接触问题的模拟中，首先要选择接触面与本构模型[11-13]。本文采用硬接触方式确定接触面法向作用，用库仑摩擦力模型确定面与面间的切向作用，通过定义接触面间的摩擦系数模拟接触界面间的摩擦特性，当等效摩擦力不大于临界应力时，就不会产生滑移[14-15]。

群桩采用考虑桩土接触作用的有限元模型，分别建立桩基与土层和旋喷桩的接触模型、承台底及承台四周与土层的接触模型，均为面-面接触；桩周与土层接触法向行为为硬接触，切向行为为库仑摩擦，摩擦系数由tanφ取值；桩端与基底土层采用Tie绑定约束，使两接触面有相同自由度。

群桩有限元分析模型选用面-面接触，在指定桩基表面与土层和高压旋喷桩表面发生接触，对2个接触面采用主-从接触模型，定义主控面时，选取表面尺寸较大的面；如果2个面大小相近，则主控面选择较高刚度；若2个接触面大小和刚度都非常相似，主控面应基于网格规格选取，基于以上原则，将桩基础表面、承台底面及侧面定义为主控面，从属面为高压旋喷桩表面和土体表面。

3.1.3模型计算参数选取

群桩基础中桩基和承台均选用C30混凝土，弹性模量为30 000MPa，泊松比取0.2。高压旋喷桩长18.7m、直径1.0 m，选用普通硅酸盐水泥，强度等级32.5级，弹性模量10 000MPa，黏聚力0.4kPa，内摩擦角30°，摩擦系数0.58，泊松比0.2。土体各项参数依据地质勘察报告取值，如表1所示。

表1 土层计算参数

3.1.4模型单元划分

利用扫掠(sweep)网格划分技术划分网格时，对群桩的每个桩基部分进行网格细分，在桩径方向划分3个种子，竖向布置全局种子，密度为0.5；承台处水平方向布置全局种子，密度为1。旋喷桩因形状特殊，故在划分时径向划分5个种子，竖向布置全局种子，按大小划分单元，单元尺寸设为1。土体水平方向按距离1/2划分(距轴线越远，网格越稀疏)，竖向桩基范围内布置全局种子，密度为2，而桩底以下范围土体所受影响小，故网格划分较稀疏，种子密度为5，如图6所示。

图6 网格划分示意

3.1.5初始地应力场平衡

任何工程施工前，地表虽未发生位移，但土层已存在应力，有应力存在但未发生位移的状态称为地应力平衡[16-17]。首先建立地应力平衡荷载分析步，即按工程实际情况对有限元模型施加边界条件，考虑土体自重作用，计算得到土体单元在重力荷载下的应力分布，然后定义平衡荷载步施加自重，提取出计算得到的单元内力，反向施加于有限元模型，根据平衡原理施加重力荷载，使内力和外力平衡，地表竖向位移及土体变形趋于零。

通过在初始分析步中输入不同材料的最高和最低点自重应力及相应坐标，定义初始应力场。平衡后的土层竖向位移云图如图7所示，地层位移最大值的数量级为10-4m，平衡结果满足要求，不会对后续数值分析结果产生影响。

图7 初始地应力平衡后位移云图(单位：m)

3.2 数值分析结果

3.2.1桩侧平均摩阻力

当桩与桩四周的土相互作用时产生摩擦阻力，桩顶竖向荷载通过摩擦阻力传递给桩侧土体[18-19]。通过有限元分析得出桩土间侧摩阻力的分布特性，如图8所示。当采用高压旋喷桩加固扰动地层后，由于高压旋喷桩相比原状土层具有较大压缩模量，且与土层间的摩擦系数较大，桩与旋喷桩共同产生沉降，导致旋喷桩范围内，桩与旋喷桩间的相对位移减小，使基桩侧摩阻力变化特征明显。分析数据显示，受扰动地层在采用高压旋喷桩加固后，其桩侧平均摩阻力较加固前增大。

图8 桩侧平均摩阻力分布

3.2.2桩身平均轴力

通过有限元数值分析得到全部施加荷载后，群桩基础的桩身平均轴力自桩顶至桩端逐渐减小，如图9所示。在高压旋喷桩加固地层范围内，桩身平均轴力变化特征明显，由于桩侧摩阻力增大，导致高压旋喷桩顶部桩身轴力迅速减小，而后趋于平缓。

图9 桩身平均轴力分布

3.2.3群桩竖向承载力

通过对桥梁群桩基础承台顶部施加强制位移得到荷载-沉降曲线，在确定桩基承载力时，根据荷载-沉降曲线特征值判断群桩基础竖向承载力。如果曲线中有陡降点，则该陡降点的承载力作为桩基极限承载力。如果曲线变化缓慢，没有明显陡降点，则根据桩顶沉降≤0.04m的原则，取承台顶沉降为某一值时对应的承载力为桩基极限承载力[20-21]。通过数值分析得到群桩基础荷载-沉降曲线，如图10所示，群桩基础的荷载-沉降曲线说明群桩基础承载性能良好，根据承台顶部沉降值s≤0.04m的原则，取沉降值s为0.04m时对应的承载力为极限承载力。分析数据显示，群桩基础承载力在高压旋喷桩加固扰动地层前为5.19×105kN，在高压旋喷桩加固扰动地层后为6.05×105kN，承载力性能提升约16.57%。由于受扰动地层采用高压旋喷桩加固后，桩侧平均摩阻力较加固前有所增大，因此可提高群桩基础竖向承载力。

图10 群桩基础荷载-沉降曲线

3.2.4桩端沉降

通过数值分析得到高压旋喷桩加固扰动地层前的桩端沉降最大值为84.69mm，高压旋喷桩加固扰动地层后的桩端沉降最大值为75.26mm，桩端沉降值减小11.13%，群桩基础桩端沉降如图11所示。通过分析可得，因高压旋喷桩相比原状土层具有不易压缩性，且由于高压旋喷桩的作用使传递到桩端的力降低，桩端土压缩量减小，故采用高压旋喷注浆法加固扰动地层后的桩端沉降值比加固前减小。

图11 桩端沉降(单位：m)

4 结语

1)高压喷射注浆法加固扰动地层有效解决钻进过程中出现的扩孔和护筒掉落现象，在保证施工进度的前提下，有效提升群桩基础施工质量，增强桥梁上部结构的可靠度和安全性。

2)采用高压喷射注浆法加固扰动地层后，桩侧平均摩阻力增大，桩身平均轴力由桩顶向桩底逐渐变小，桩端沉降减小。

3)高压喷射注浆法加固扰动地层有效提高群桩基础竖向承载力，对比群桩基础荷载-沉降曲线可知，竖向承载力增加约16.57%，群桩基础承载性能得到提升，加固效果良好。