（岩土工程专业论文）灌注桩桩端后压浆扩展半径分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国建筑业的发展，桩基础在工业、港口、铁路、公路和高层建筑的地基中 得到广泛应用。尤其是钻( 挖) 孔灌注桩与预制桩相比，因其施工时噪音低、振动小、 对周围环境影响小等诸多优点，近年来已迅速发展。由于灌注桩桩底虚土难以清理干 净，致使端阻不能充分发挥，对灌注桩极限承载力及沉降产生较大影响。为了提高灌 注桩的承载力以及减小沉降量，压力灌浆法是一种较好的技术方法。对于桩底有压力 容器( 封闭式注浆) 的情况下，注浆压力、桩端土及桩长与桩底注浆量之间的相互关 系还没有完全研究清楚，对于不同地基条件注浆，浆泡的最大扩展半径及其形状目前 研究的较少。 本文运用岩土工程有限元分析软件f l a c 3 d 对桩底后压浆进行数值模拟。首先论 述了灌注桩桩端后压浆的作用机理及其灌浆工艺；其次对实测数据进行模拟分析以验 证数值模拟应用于实际的可行性，同时对扩展半径、桩端土体应力及压密区范围进行 分析；最后确定桩底后压浆扩展半径的影响因素，并对其进行模拟分析。主要可以得 出以下结论： 1 灌注桩桩端后压浆扩展形状与桩端土体性质有关，其竖向位移与水平位移的比 值随土体弹性模量的增大而减小，即桩端孔的形状随弹性模量增大逐渐由近似椭球形 ( 长轴方向为竖向，短轴为水平方向) 变化为球形。 2 桩端孔水平和竖向位移均随内摩擦角的增大而减小，当内摩擦角在2 5 0 3 0 。之 间时，水平和竖向位移减小较大；当内摩擦角大于3 0 0 时，水平和竖向位移减小比较平 缓，且水平和竖向位移比值也逐渐减小。 3 灌注桩桩端扩展半径随注浆压力的增大而增大；桩端孔水平向和竖向位移随距 桩端孔距离增大而减小。 4 桩顶位移受桩长、注浆压力的影响较大，对于灌注短桩( 小于1 0 m ) 采用后压 浆时，注浆压力不宜过大，否则桩顶将出现较大的向上位移；在土体性质相同且注浆 压力恒定不变时，灌注桩桩端孔水平向和竖向位移随桩长的增加而减小。 关键词：钻孔灌注桩；后压浆；扩展半径：f l a c 3 d 数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t p i l ef o u n d a t i o ni sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r y , p o r t ，r a i l w a ya n dh i g hb u i l d i n g s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o nb u s i n e s s c o m p a r e dw i t ht h ep r e f o r m e dp i l e ，t h e b o r e dp i l ei sd e v e l o p e dr a p i d l yf o rt h ev i r t u e ss u c ha sl e s sn o i s e ，l i t t l el i b r a t i o n sa n df e w e r e f f e c t so i lt h ee n v i r o n m e n td u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n b e c a u s eo ft h ev i r t u a le a r t hu n d e rt h e p i l ee n d i n gh a r dt oc l e a n ，t h ee n d i n gb e a r i n gi ss e l d o mw o r k e ds u f f i c i e n t l y ，w h i c hl e a d st o u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n tp r o b l e m s i nt h i sc a s e ，t h ei n j e c t i o ng r o u ti sa p r e f e r a b l ym e t h o dt oi m p r o v et h eh e a r i n gc a p a c i t ya n dr e d u c et h es e t t l e m e n to fb o r e dp i l e w h e nt h e r ei sap r e s s u r ec h a m b e ru n d e rt h ep i l ee n d i n g ，t h er e l a t i o n s h i pa m o n gg r o u t i n g p r e s s u r e s o i lu n d e rp i l ee n d i n ga n dt h ea m o u n to fg r o u t i n gi ss t i l lc o n f u s e d t h es t u d yo n g r o u t i n gi nd i f f e r e n tg r o u n d s i l l ，m a x i m u mr a d i u so fg r o u ta n dt h es h a p ei ss t i l lt h el i t t l e r e s e a r c h t h ef l a c 3 di su s e dt os i m u l a t et h ei n j e c t i o ng r o u tu n d e rt h ep i l ee n d i n g t h ew o r k i n g m e c h a n i s mo fb o r e dp i l ep o s tg r o u t i n ga n dt h eg r o u t i n gt e c h n o l o g ya r ed i s s e r t a t e di nt h e f i r s t a n dt h e n ，m e a s u r e dd a t ai sa n a l y z e dt oa s c e r t a i n t h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h ee n l a r g e dr a d i u s ，s t r e s so fe n d i n gs o i la n da r e ao fc o m p a c t i o nz o n ea r ea l s o d i s c u s s e d a tl a s t ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fe n l a r g e dr a d i u si sa s c e r t a i n e da n ds i m u l a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e ： 1 t h ee n l a r g e ds h a p ei sb e a ro nc h a r a c t e ro fe n d i n gs o i l t h er a t i oo fv e r t i c a l d i s p l a c e m e n ta n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti sa m p l i f i e dw h e n t h ee l a s t i c i t yi sd e c r e a s e d t h e s h a p eo fe n d i n gh o l ei sg r a d u a l l yt u r n e di n t os p h e r o i df r o me l l i p s o i d a la p p r o x i m a t e l y 2 v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fe n d i n gh o l ea r eb o t hi n c r e a s e dw i t ht h e d e c r e a s eo fi n t e r n a lf r i c t i o na n g l e w h e nt h ea n g l ei sb e t w e e n2 5 0 a n d3 0 0 ，t h ed i s p l a c e m e n t d e c r e a s e ds h a r p l y ；w h e nb i g g e rt h a n30 0 , t h ed i s p l a c e m e n tc h a n g e ds l o w l y ，a n dt h er a t i oo f t h e mi n t e n d st od i m i n i s h 3 t h ee n l a r g e dr a d i u si n c r e a s e dw i t hg r o u t i n gp r e s s u r e i ta n db es e e nf r o mt h e d i s p l a c e m e n tp i c t u r et h a td i s p l a c e m e n ti sd e c r e a s e dw h e nf a r 4 d i s p l a c e m e n to ft h ep i l et o pi si n f l u e n c e db yt h ep i l el e n g t ha n dg r o u t i n gp r e s s u r e t h ep r e s s u r ec a nn o tb et o ob i gw h e nt h eb o r e dp i l ei sl e s st h a n10 m ，o rau p w a r d d i s p l a c e m e n tw i l lb es e e no nt h ep i l et o p t h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fe n d i n g h o l ea r eb o t hd e c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s eo fp i l el e n g t hw h e nt h es o i la n dg r o u t i n gp r e s s u r e jsc o n s t a n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 k e y w o r d s ：b o r e dp i l e ；p o s t g r o u t i n g ；e n l a r g e dr a d i u s ；f l a c 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学曲南交通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者虢i 勰 日期：汐o - s 力够 艚棚签名叫唯朱 日期勘k s 、2 午 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文运用岩土工程有限元分析软件f l a c 3 d 对桩底后压浆进行数值模拟，对扩展 半径、桩端土体应力及压密区范围进行分析；确定桩底后压浆扩展半径的影响因素， 并对其进行模拟分析。 1 得出了灌注桩桩端后压浆扩展形状与桩端土体性质有关，其竖向位移与水平位 移的比值随土体弹性模量的增大而减小，即桩端孔的形状随弹性模量增大逐渐由近似 椭球形( 长轴方向为竖向，短轴为水平方向) 变化为球形。桩端孔水平和竖向位移均 随内摩擦角的增大而减小。 2 得出灌注桩桩端扩展半径随注浆压力的增大而增大；桩端孔水平向和竖向位移 随距桩端：f l 足g 离增大而减小。 3 得出在土体性质相同且注浆压力恒定不变时，灌注桩桩端孔水平向和竖向位移 随桩长的增加而减小。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 渗掰 日期：沙) o 、s ，涉 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 灌注桩的发展 第1 章绪论 桩基的使用已有相当长的历史，人类首先使用的是木桩，到1 9 世纪后期，钢筋、 水泥、混凝土和钢筋混凝土相继问世，并被成功地用来作为制桩材料。 桩基础是一种重要的基础结构型式，是土木建筑深基础工程的主要手段和形式。 近2 0 多年来，随着土木建筑工程向大型化、群体化发展以及城市改造向高层、超高层 发展，桩的种类、桩基形式、施工工艺和设备、桩基理论和设计方法等都有了很大发 展。随着各项技术的不断发展，产生了不同的施工工艺。 钻孔灌注桩是在人工挖孔桩问世后约5 0 年，亦即2 0 世纪初随着大功率钻孔机具 的研制成功，首先在美国问世【lj ，随着钻孔机具和技术的发展与进步，钻孔灌注桩逐步 得到推广应用。荷兰最早于1 9 2 7 年采用回转法钻孔，前苏联1 9 4 1 年用转盘钻打大口 径孔；法国和原西德都在5 0 年代分别采用泵吸反循环和贝诺特法施工大口径灌注桩。 日本从1 9 5 4 年引进贝诺特钻机，1 9 6 2 年引进反循环钻机及其施工方法，并在技术和应 用上很快加以完善和发展。由于山区城市建设的需要，嵌岩灌注桩也应运而生，如澳 大利亚许多大城市的高层建筑普遍采用大直径嵌岩灌注桩【3 】。随着新的施工工艺和施工 机械的发展，大直径灌注桩至今在各国基础建设中仍发挥着重要作用1 1 j 。 我国灌注桩的应用较晚，1 9 5 9 年河南黄县利用打井锥具钻孔，首次做成钻孔灌注 桩。公路桥梁上采用钻孔灌注桩基础始于2 0 世纪6 0 年代河南安阳的冯宿桥【2 j ，通过 1 9 6 5 年在河南召开的钻孔桩技术鉴定会，认为它是一项重大的技术革新，从此在全国 推广，逐渐发展成为一种常用的基础型式。钻孔灌注桩以其低噪音、小震动、无挤土( 与 挤土桩相比) 、投资少、施工风险小、工期短、施工工艺比较成熟、对河流水沙条件影 响较小( 与沉井相比) ，对周围环境及邻近建筑物影响小，能穿越各种复杂地层和形成较 大的单桩承载力，适应各种地质条件和不同规模建筑物等优点，在桥梁、房屋、水工 建筑物等工程中均得到广泛的应用，现已成为一种重要的深基础。 钻孔灌注桩作为一种常见的桩基形式，尤其适用于在软土地基上建造高层建筑及 大跨度厂房等建筑。但其成孔工艺存在固有的缺陷，一是桩底沉渣难以清理干净，其 厚度一般为o 3 o 5 r n ，而厚者可达1 m 以上【1 9 】。虽然规范规定承受竖向荷载摩擦型灌 注桩桩底沉渣不得超过l o o m m f l7 1 ，但现场施工时不易检查，致使端阻降低；二是因泥 浆护壁而产生的桩侧泥皮，厚度也有l o - 2 0 m m ，使得侧阻降低。这样，钻孔灌注桩的 侧阻系数和端阻系数比打入式预制桩低，导致桩端阻力和桩侧摩阻力显著降低。为了 弥补这些缺陷，灌浆技术才得以进一步的应用和发展，采用桩端压力注浆和桩侧压力 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 注浆技术，对桩端( 孔底) 及桩侧( 孔壁) 实施压力注浆。桩端和桩侧后注浆技术能在一定 程度上解决灌注桩应用上的缺陷，技术经济效果显著。目前，这项技术应用广泛，发 展迅速。并且桩基注浆技术己编入2 0 0 8 年桩基技术规范( j g j 9 4 2 0 0 8 ) 。 1 2 论文选题背景 随着我国建筑事业的发展，桩基础在工业、港口、铁路、公路和高层建筑的各种 地基中普遍得到采用。尤其是钻( 挖) 孔灌注桩与预制打入桩相比，因其施工时无噪 音、无振动、对周围建筑及环境影响小等优点，近年来已得到广泛应用。由于灌注桩 桩底虚土难以清理干净，致使端阻不能充分发挥，并且侧阻与端阻不能同时发挥，对 灌注桩极限承载力产生很大影响。为了提高灌注桩的承载力，特别是端阻力，压力灌 浆法是一种较好的技术方法。压力灌浆法分为桩侧灌浆和桩端灌浆，桩端灌浆又分为 开口式灌浆和封闭式灌浆，其有各自的适用范围，桩端开口式灌浆技术对持力层为卵 砾石层、粗砂层、粉砂层效果最好，承载力提高幅度较高，针对持力层为软土、粘土 以及湿陷性土，采用封闭式桩端注浆技术效果较好。桩端注浆能够有效提高桩的极限 承载力己在工程应用中得到了验证，但承载力提高的幅度还没有完全搞清楚，对不同 的地质条件，不同的注浆压力以及注浆量均对最后的承载力有一定的影响，一般认为 承载力随着注浆压力、注浆量的增大承载力增大。对于有桩底有压力容器的情况下， 桩直径的变化与桩底注浆量之间的相互关系对桩极限承载力影响还没有研究清楚，对 于不同的地基条件注浆，能够形成的最大扩展半径还没有这方面的研究，以及桩底后 注浆对群桩承载力及群桩不均匀沉降的影响还没这方面的研究成果。 后压浆作为一种新型技术，具有良好的应用前景。然而，对其桩端的扩大端的形 状、扩展半径、设计注浆压力都有待于进一步研究、探讨和分析。因此，当前迫切需 要对后压浆工作性状进行深入的研究。 1 3 灌注桩后压浆技术概述 桩基础是一种重要的基础结构形式，随着我国建筑业的不断发展，对桩基础的承 载力有了更高的要求，并且对基础的沉降要求越来越严格。因此桩长和桩径也在不断 增加，各种施工工艺也在不断发展，钻孔灌注桩虽有许多优点而被广泛应用，但由于 施工中存在桩端持力层扰动问题、沉渣问题、桩侧土应力释放松驰问题、泥浆护壁泥 皮问题、桩身混凝土收缩引起与桩侧土间接触分离等导致侧阻和端阻承载力降低。灌 注桩桩端后注浆就应运而生，后注浆是通过注浆泵将水泥浆或其它浆体高压注入桩底 或桩侧土层有效地克服以上问题，使灌注桩的承载力大大提高，基础的沉降量大大减 小，所以桩端后注浆在工程中应用越来越广泛。 西南交通丈学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 1 灌注桩后注浆技术简介 后注浆是指钻孔灌注桩在成桩后，由预埋的注浆管用高压注浆泵将一定压力的水 泥浆或其它浆体压入桩端土层和桩侧土层，通过浆液对桩端沉渣和桩端持力层及桩周 泥皮起到渗透、填充、压密、固结等作用来增强桩端土和桩侧土的强度，从而达到提 高桩基极限承载力，减少群桩沉醉量的一项技术措施。压浆工法可用于各类钻、挖、 冲孔灌注桩及地下续墙的沉渣、泥皮和桩底、桩侧一定范围土体的加固。 l3 2 灌注桩后压浆分类 13 2 1 按洼浆位置分类 灌注桩注浆可以按注浆的应用位置进行分类：桩侧压浆和桩端压浆。 桩侧后压浆是由预埋的注浆管用高压注浆泵将一定压力的水泥浆或其它浆体压入 桩侧土层的一种技术方法。桩侧后压浆的水泥浆液，可以破坏和消除桩孔护壁泥皮， 充填挤密桩身混凝土与桩侧周围土体间的间隙和桩身混凝土固化缩径形成的间隙，增 强了桩侧混凝土与桩周土体之间的黏结力，从而提高了桩侧摩阻力。 桩端压浆是由预埋的注浆管用高压注浆泵将一定压力的水泥浆或其它浆体压入桩 端土层一种技术方法。向桩端压注水泥浆时，水泥浆液是由下而上渗透的，浆液首先 渗透到桩底疏松的沉渣闻隙中，继而对沉渣和被扰动的桩端土体进行挤密，充填和固 结。这样在桩端部位形成了强度较高的复合固结体，当桩端采用石于胶囊时则形成 强度相对更高的结石体，从而消除了桩底沉渣对承载力的不利影响。 13 22 桩端注浆按工艺可咀划分为闭式注浆和开式注浆 n ! m 图1 - 1 闭式注浆工艺图1 - 2 开式注浆工艺 闭式注浆工艺是将预制的腔体( 又称承压包、预压包、注浆胶囊等) 或压力注浆 室随已绑扎好的灌注桩钢筋笼放入孔底，成桩后桩体有一定强度后，在压力作用下经 预留注浆通道将浆液压入腔体内或压力注浆室内。随着灌浆压力和浆量的增加，弹性 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 腔体逐渐膨胀、扩张，在桩底下土层中形成浆泡。浆泡逐渐扩大、压密沉渣和桩端土 体，并用浆体取代( 置换) 部分桩端土层；随着注浆压力和注浆量的增大，扩大头逐 渐形成，压密区范围也逐渐增大，直至达到设计要求为止。闭式注浆示意图见图1 1 。 开式注浆工艺是把浆液通过注浆管( 一般为双根，当直径较大时可以采用多根) 特殊 注浆装置等直接注入桩端土层或岩体中，浆液与桩端沉渣和周围土体呈混合状态，呈 现出渗透、填充、置换、劈裂等效应，在桩端显示出复合地基的效果，开式注浆示意 图见图1 2 。 1 3 2 3 桩端注浆按注浆压力及浆液与土的作用机理等分类 注浆技术按注浆压力的大小，可分为静压注浆和高压喷射注浆两大类。静压注浆 一般压力较低，注浆压力随浆流在被注介质中遇到的阻力的增大而升高，浆液为流动 状态。静压注浆根据地质条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、浆液的运动形式 和占位方式，可分为渗透性注浆、压密注浆和劈裂注浆。对于桩端有压力容器的注浆 属于压密注浆。 1 渗透性注浆 渗透性注浆，属于偏适应性注浆，是在不足以破坏地层构造压力下，把浆液注入 到粒状土的孔隙中，取代或排除其中的空气和水。一般来说，渗透性注浆的扩散要根 据土颗粒的孔隙情况来决定，孔隙大的位置填充浆液较多，反之则较少，若土颗粒比 较均匀，则浆液的渗透也较均匀。 2 压密灌浆 压密灌浆是将极稠的浆液通过灌浆管强行挤入土体，在灌浆点附近形成近似球形 的浆泡，通过浆泡挤压附近的土体，使土体受挤压并提高土体的密度。浆泡的半径随 着灌浆量的增多而增加。浆泡的水平投影面积与灌浆压力的乘积形成上抬力，可将桩 体抬起，此时灌浆压力不再升高，应停止灌浆。 3 劈裂灌浆 在土体中灌浆时，当浆液压力超过劈裂压力时，土体中产生水力劈裂，即土体中 突然出现一条劈裂缝并迅速扩展。水泥浆灌入劈裂中。土体产生劈裂缝后，如果继续 灌浆，灌浆压力也会缓慢提高，浆液沿裂缝流向距离更远的地方。而随着灌浆的进行， 土体中还会出现新的劈裂面，这样在灌浆点附近形成网状浆脉。当浆液进入水平方向 的浆脉时，就可能使地基上抬，达到加固土体和基础纠偏的目的。劈裂灌浆是通过浆 脉挤压加固土体的。浆脉内的压力远小于压密灌浆中浆泡内的压力，但浆脉延伸得很 远，其与土体的接触面积大于浆泡与土体的接触面积，因而劈裂灌浆适合于加固大体 积土层 3 s j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 国内外对灌注桩后压浆技术研究现状概述 1 4 1 国外研究现状 根据有关文献记载1 8 0 2 年法国人查理斯贝里格尼( c h a r l e sb e r i g n y ) 在修建河道 的挡潮闸时，用一种木质冲击筒装置，采用人工锤击方法向地层挤压粘土浆液，被认 为是注浆技术的开始。1 8 8 3 年英国汤姆逊隧道开始用水泥浆进行填充注浆i l 引。之后桩 端后注浆开始有所发展，桩端后注浆提高桩承载力的最早报道是1 9 5 8 年委内瑞拉的 m a r a c a i b o 桥梁基础工程，该工程将灌浆法运用于钻埋预制桩的端部灌浆，1 9 6 1 年发表 正式报告。在此之后，灌浆法技术的试验研究工作逐步开展起来。 阿根廷的z a r a t e b r a z ol a r g o 公路一铁路桥梁工程( 1 9 7 1 年由意大利s o i l m e c 公司施 工) 中应用了压力注浆技术，其主桥2 3 6 根钻孔灌注桩桩径2 0 0 0 m m ，桩长5 0 - 7 3 m 不等，桩端进入密实的砂层，单桩承载力为1 5 0 0 0 k n 。在压浆中采用“压力盒”装置， 压力盒为高5 0 c m 且断面与钢筋笼差不多的圆盒，盒内填满3 c m 厚的碎石。压力盒固 定在钢筋笼下端，盒盖与两根3 8 m m 注浆管相连，两根注浆管形成一个灌浆循环回路。 在浇注桩身混凝土两周之后，利用注浆管将准备好的水泥浆液压入压力盒内，并通过 底板孔眼挤入沉渣及软土中。 1 9 7 5 年，法国人g o u v e n o t 和g a b a i x 对6 根直径6 6 0 m m 施工于砂土和粘土中的桩 进行试验，发表成桩后灌浆对大直径桩行为影响的试验报告，在总结后压浆试验的效 果后，得出如下结论：后注浆桩的极限承载力提高幅度达到2 3 倍；屈服荷载的变化 与极限承载力相同，且极限承载力与屈服荷载的比值与压浆影响无关；注浆桩在循环 荷载作用下几乎没有残余变形；极限承载力的提高幅度与【( v + v p ) ( v o + v p ) 】：t l z 存在 比例关系，其中v 为浆液体积，v o 为桩的体积，v d 为初始重力注浆消耗的浆液体积。 1 9 8 3 年，法国工程师开发了一种预留压力注浆室，采用闭式注浆工艺。封闭室的 目的是为注浆预留出一个空间，第一次注浆后形成第一个水泥浆球体，该球体在膨胀 过程中，挤压周围地层，根据需要可进行第二次注浆。 1 9 8 5 年，德国b i l t i n g e r t b e r g e r 公司发明了压力腔法和压力箱法。压力腔法是将设 置在钢筋笼下端的压力腔( 塑料承压包) 随钢筋笼插入到桩孔底部，而后灌注桩体混 凝土。待混凝土有一定的强度后，再以适当的压力将水泥浆压入压力腔内对桩端预加 荷载。压力箱法是将一种像液压油缸那样的工作装置，同样是在灌注桩体混凝土前预 先安装到桩孔底部l l2 1 。 1 9 8 6 年，b r u c e 根据国外所进行的试验，总结了钻孔灌注桩后灌浆方法和试验， 宏观地概括了这种方法对钻孔灌注桩承载力和沉降影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 9 8 8 年，g h a z a l i 发表了红海东海岸所进行的试验，钻孔桩桩径1 0 m ，桩端持力 层为石灰岩沉积层和珊瑚礁地层。 1 9 9 1 年，澳大利亚悉尼大学发表了桩端持力层为海相石灰岩时灌注桩桩端后灌注 浆的模型试验。同期，泰国也发表了曼谷桩端持力层为硬粘土层时桩端后灌浆钻孔灌 注桩的承载性能的研究报告。 1 9 9 3 年，f t e m i n g 分析了桩端后灌浆方法对钻孔灌注桩承载力和沉降的影响，考 虑了灌注桩在桩端后灌浆时桩的变位情况，指出在灌浆过程中桩周土体对桩身产生了 负摩擦力，从面使桩的承载力提高。 1 9 9 4 年，o s a m u k u s a k a b e 等发表了预制桩桩端灌浆的模型试验，桩端持力层为砂 土，指出桩端后灌浆钻孔灌注桩的破坏形态为刺入破坏和灌浆体的劈裂破坏。 总之，国外近几十年来，对于钻孔灌注桩采用后注浆进行一些试验工作，由于注 浆方法与钻孔灌注桩的成桩工艺本身受诸多因素影响，加之岩土性质的复杂性，虽然 桩端后注浆对于提高钻孔灌注桩的承载力和减小沉降有很大的作用，但许多问题尚没 有得到很好的解决，对这些问题的探讨有待于继续研究。 1 4 2 国内研究现状 我国把注浆技术用于桩基础最早报道是1 9 7 4 年在天津塘沽新港进行氰凝固结桩间 土的灌浆试验，根据灌浆后桩的载荷试验，单桩竖向极限承载力提高了5 0 。 2 0 世纪8 0 年代初，北京等地区曾应用桩端灌浆法处理砂砾石持力层干作业灌注桩 桩端虚土，以提高其端阻的试验和工程实践。1 9 8 3 年，北京市建筑工程研究所在国内 首先研究开发出预留注浆空腔方式的桩端压力注浆桩，进行室外桩端压力注浆桩的静 载试验。1 9 8 4 年，北京市建筑工程研究所在北京崇文门7 号楼首次应用预留注浆空腔 方式的桩端压力注浆桩，共计7 7 3 根，该桩采用长螺旋干作业成孔方式，在桩端设置 固定式隔离钢板，采用钢管和p v c 管的组合管作为注浆管。静载试验结果表明，桩端 压力注浆桩的极限荷载为未注浆桩的2 1 3 1 倍。 1 9 8 7 年，沈保汉和曾鸣研制开发出带活动钢板的预留注浆空腔方式的桩端压力注 浆装置1 3 引。1 9 9 0 年，西南交通大学岩土工程研究所赵善锐、吴兴序等与郑州铁路局合 作，将灌浆法应用于嵌岩桩端填充式灌浆的试验研究，取得了一定成效，对认识嵌岩 桩的承载机理及灌浆效果起到了积极的推动作用，为桩端高压灌浆的实施打下了良好 的基础。并在1 9 9 3 年成功开发了弹性腔体粗骨料法的新工艺，用于钻孔灌注桩的桩 端压密灌浆，取得了预期的效剽2 1 1 。 1 9 9 3 - 1 9 9 4 年，中国建筑科学研究院地基基础研究所分别在天津开发区国际大厦和 上海江山大厦工程应用所研发的泥浆护壁钻孔灌注桩桩端及桩侧后注浆技术获得了成 功，取得了良好的工程效果。中国建筑科学研究院地基所在2 0 世纪9 0 年代初开发的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 灌注桩后注浆技术，因工艺简单、可靠性高，在全国各地建设工程灌注桩基础中得到 推广应用。 浙江大学岩土工程研究所张忠苗等1 9 9 2 年研制出软土地基中长桩单管管端打孔包 扎注浆成套技术，并于1 9 9 3 年开始在杭州、瑞安等灌注桩工程中成功应用l l7 1 。1 9 9 5 年西南交通大学岩土所与郑州铁路局合作，在黄土地层进行了桩端压密灌浆现场试验 研究，对认识灌浆方法用于该地区的可行性积累了经验1 18 | 。1 9 9 6 1 9 9 7 年，在武汉、福 州、扬州等地就桩端土层为中砂层、粘土层、风化岩层、粉土层、卵石等地层中钻孔 灌注桩桩端灌浆工艺进行试验，取得了大量试验资州1 4 】。 1 9 9 7 年，高文生在刘金砺教授的指导下完成了题为“后压浆灌注桩单群桩承载力性 状的研究”的博士论文。该论文开展模型桩室内群桩注浆试验工作，并通过荷载试验揭 示模型群桩的受力变形特性。 1 9 9 7 年，沈保汉研制开发出y q 桩端中心压力注浆装置和注浆工艺。1 9 9 9 年，张 忠苗在吴世明教授指导下完成了题为“基于桩顶桩端沉降受力性状与桩端注浆新技术” 的博士论文【l6 | 。该技术己在台州国际饭店等许多建筑物中得到了广泛应用。1 9 9 9 年， 王旭在赵善锐教授的指导下完成了题为“桩端灌浆钻孔灌注桩竖向承载特性研究及工 程应用”的博士论文【1 制。 2 0 世纪9 0 年代，国内许多地区均进行了钻孔后压浆试验，形成了比较完整的施工 工艺，后压浆方法从桩端压浆发展到桩端、桩侧联合压浆；注浆装置也呈现出多样化 的发展趋势，由以往传统的一次压浆，发展到循环注浆；由应用于中小直径的中短桩， 发展到应用于超长超大直径的桩。 2 0 0 3 年，循环注浆工艺首次在国内应用于苏通大桥，通过对桩长1 2 5 m 、直径2 5 m 的桩进行试验，取得成功并应用于主塔基础【1 2 1 【6 7 1 1 6 8 1 。 总之，桩端( 侧) 后注浆技术在我国得到了广泛的应用与发展，理论研究也日益 深入。 1 4 3 后压浆技术目前存在的问题 土体压密注浆起源于美国，2 0 世纪5 0 年代早期用于工程，但没有对其原理进行研 究，直到1 9 6 9 年，g r a f 首次描述压密注浆的过程并提出有关压密注浆的一些基本概念。 1 9 7 3 年b r o w n 和w a r n e r 报道了有关压密注浆的试验过程和实际工程应用情况，并提 出压密注浆最大挤密效果发生在最弱的土层或土体中i ”】。2 0 0 2 年，李向红博士通过室 内试验、现场试验、理论分析和数值模拟等方法对软粘土中的压密注浆进行了试验研 究和理论探索。另外，对于速凝型浆液而言，注入的方式可能不在注浆管底端注入而 是在某一注浆段注入，如果这时仍将单个浆泡假设成球体就显得不太合适。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 灌注桩注浆技术在国内已经得到广泛的应用，但其在设计、施工、检测评价中存 在着以下问题有待于进一步发展和完善。 1 灌注桩注浆方案的设计中，注浆方案的确定、注浆持力层的选择、注浆压力的 控制、注浆前后设计承载力的计算、注浆时灌注桩上浮量的控制和注浆次数的设计等。 在设计过程中要充分考虑工程条件的具体情况，上部结构的特点和周边环境的影响等 来综合确定注浆方案。更好的办法采用动态设计，及时调整注浆方案。 2 灌注桩要后注浆的施工问题主包括注浆头的制作、注浆管材料及直径的选择、 注浆管的埋设、注浆开塞时间的选择、注浆水灰比的选择、注浆节奏的选择、注浆顺 序的确定、注浆泵的选择、注浆压力的控制、设计注浆量达到与否、注浆事故的处理 等。 3 每根单桩实际注浆量的确定、注浆效果的检测评价、注浆后持力层承载力值和 桩侧实际承载力标准值的确定，开式注浆扩散范围、闭式注浆压力容器的尺寸大小确 定等都有待于研究。 1 4 4 数值模拟在注浆中的发展现状 数值模拟与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺 少的手段。一方面，数值模拟比理论分析更为直观、细致，它不仅可以了解问题的结 果，而且可显示出研究发展的过程，另一方面，数值模拟促进了试验的发展，对试验 方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论 指导。第三方面，不管是现场试验还是室内模型试验都要花费大量的人力物力，而数 值模拟以其成本较低且可进行反复模拟试验的独特优势，得到了广泛应用。 数值模拟在注浆领域也得到了初步应用，人们通过考虑灌浆前后岩土介质的物理 力学指标，可以模拟灌浆前后工程的变形和稳定性，评价注浆效果。比如：可以通过 改变桩底结石体强度模量参数、桩底扩大端直径等方式来模拟灌注桩后压浆技术对桩 承载力及沉降的影响。 国内外学者也曾对注浆过程进行过模拟，由于该领域理论研究的不成熟和注浆过 程本身的复杂性、多变性，大大制约了注浆过程的数值模拟研究。 1 5 本论文的主要内容 由于泥浆护壁法等钻( 冲) 灌注桩存在桩底沉渣和桩侧泥皮的固有缺陷，导致桩 端阻力和桩侧阻力大幅下降，故后压浆技术得到了广泛的应用与发展。桩端注浆能够 有效提高桩的极限承载力己在工程应用中得到了验证，但承载力提高的幅度还没有完 全研究清楚，对不同的地质条件，不同的注浆压力以及注浆量均对最后的承载力有一 定的影响，一般认为承载力随着注浆压力、注浆量的增大而增大。在桩底有压力容器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 量| 舅| 鲁舅舅量皇皇岂舅曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇舞曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼i 皇曼曼曼量曼舅曼鼍曼皇舅蔓舅舅量曩舅曼皇曼曼曼舅置蔓曼蔓曼舅_ 的情况下，桩长、桩径及桩端土性质的变化与桩底注浆量之间的相互关系还没有研究 清楚，对于不同的地质条件注浆，能够形成最大扩展半径的研究成果很少。本文针对 灌注桩桩端孔扩展半径及扩展半径的影响因素进行数值分析研究。 本文的主要特点和内容： ( 1 ) 对钻孔灌注桩后压浆技术作用机理以及灌浆工艺进行初步地探讨。同时应用球 形扩张理论给出扩展半径与注浆压力的定量关系。 ( 2 ) 根据压浆前、后实测数据，应用f l a c 3 d 有限差分程序进行验证，以证明该 程序应用于工程实际的可行性。 ( 3 ) 通过数值模拟分析，确定灌注桩桩端注浆压力的大小和桩端合理扩展半径，分 析灌注桩在不同的注浆压力下，桩端孔竖向和水平向位移变化规律。 ( 4 ) 通过数值模拟分析灌注桩桩底扩展半径的主要影响因素。 1 6 本章小结 本章首先简要介绍了灌注桩的发展过程，以及灌注桩存在的固有缺陷。其次介绍 了灌注桩后压浆技术的发展，国内外对这一技术的研究状况，后压浆桩分类及优缺点。 最后介绍了数值模拟在后压浆技术工程的应用，针对目前研究过程中存在的问题，提 出了本文的研究内容及方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章灌注桩桩端后压浆技术作用机理研究 钻孔灌注桩后压浆技术是指在成桩过程中，在桩底或桩侧预置压浆管路，待桩身 混凝土有一定强度后用高压注浆泵对桩底或桩侧注入特殊配方的浆液( 水泥或其他浆 液) 一种方法。 2 1 灌注浆桩端压力注浆作用机理 当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于桩周土的向 下位移，与此同时，桩侧表面受到土的向上摩阻力的作用，桩身荷载通过所发挥出来 的摩阻力传递给桩周土层，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在该加荷的初 始阶段，摩阻力与位移近似地呈直线关系。随着荷载继续增加，桩身的压缩量和位移 量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，从而将荷载也部分传给桩端土层并使 其压缩和产生桩端阻力。桩端土层的压缩导致桩土相对位移加大，桩身摩阻力进一步 发挥，当桩侧摩阻力全部发挥出来达到极限后，位移继续增大，桩侧摩阻力便保持不 变，而摩阻力达到极限时的位移与土的性质有关。桩的上半段侧摩阻力发挥远比桩的 下半段早，而桩侧摩阻力又总是比桩端阻力更早地得到发挥。桩侧摩阻力发挥至极限 后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。若荷载增大至使桩端持力 层大量压缩和塑性挤出，位移将显著加大，直至桩端阻力达到极限而破坏。此时桩所 承受的荷载就是桩的极限承载力。桩端压力注浆技术应用于灌注桩，改变了桩端、桩 周土体的物理力学性质及桩土界面的接触条件，从而改变了灌注桩的承载性能。浆液 在压力作用下逐渐注入桩端土体。由于桩端土体性质、桩长、压浆压力、压浆时间、 压浆量等因素的影响造成浆液在桩端及桩侧分布情况不同。常见的浆液作用形式有压 密压浆、渗透灌浆和劈裂压浆。 2 1 1 压密压浆的机理 当极稠的浆液通过压浆管道强行挤向桩端土体，或者通过压浆管道将浆液压入桩 端预埋压浆室，从而在桩端形成近似球体浆泡，压密注浆开始阶段，浆柱的直径和体 积均较小，压力主要是径向的亦即水平方向；随着浆柱体积的增加，产生的挤密作用 效果逐渐明显。继续压入浆液，浆泡体积不断增大。体积不断增大的浆泡对其邻近的 土体进行挤压，使桩端土体压密，强度和刚度增加，并在桩端形成扩大头。浆泡体一 旦在桩端形成，其半径随着压浆压力的增大而增大。随着浆泡体半径的增大，浆泡周 围土体受到挤密作用，距浆泡愈近，则挤密程度愈大。如果土体为非饱和土，则挤密 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 较明显；对于饱和土，浆泡先引起超静孔隙水压力，待超静孔隙水压力消散后土的密 度才会提高。对于饱和砂土，排水条件良好，压密压浆也会引起超静孔隙水压力，但 消散很快。在这种情况下，尚应控制压浆速率，防止因超静孔隙水压力提高而引起的 土体失稳。注浆体的大小受地基土的密度、含水量、力学特性、地表约束条件、注浆 压力、注浆速率等因素控制。 2 1 2 渗透灌浆的机理 在灌浆压力的作用下，浆液主要在较小的压力作用下克服各种阻力而渗入孔隙和 裂隙，压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。在灌浆的过程当中地层结构不受扰 动和破坏，浆液主要是渗入孔隙和裂隙，而没有将土颗粒移动或移动的非常小，这点 与前面提到的压密灌浆与后面要讲的劈裂压浆不同，因而对渗透灌浆的浆液有一定的 要求，浆液的颗粒必须小于要渗入的孔隙和裂隙的大小，否则渗透灌浆将不能维持， 而增大压力则成为压密灌浆或劈裂压浆。一般来讲，渗透灌浆对于水泥系浆液来讲仅 适用于渗透系数较大的粗颗粒土层中，如砾石、卵石、中粗砂层，而对于弱透水性土 层则不适宜。而对于溶液系( 不含不溶于溶剂的物质) 则适合于粘土、粉土、粉砂、 细砂土层中。 2 1 3 劈裂压浆的机理 对于桩端为弱透水性土层，当压浆压力超过土体劈裂压力时土体中将产生水力劈 裂，即土体内出现劈裂缝或劈裂面，浆液填充这些劈裂缝或劈裂面，形成劈裂加筋的 效果。劈裂面出现后，压力浆液随之填充，随着浆液的增加，压力增大，会使小主应 力增加，一旦压浆压力提高到大于土体中的中间主应力时，就会在中间主应力面产生 新的劈裂面，如此继续压浆，在桩端压浆点附近就会形成网状浆脉。劈裂作用可提高 土体刚度，浆脉网能提高土体的稳定性，从而增加桩端土体的抗力，提供桩基承载力。 由上述可以看出两者之间加固机理不尽相同，对于钻孔桩桩底普遍存在的沉渣层 及桩底土应力释放、软化，桩端下采用压密灌浆其针对性强、效果好，特别是对于砂 性土层。桩底压密灌浆可以采用极稠的水泥浆或水泥砂浆，以较大的灌浆速率灌注， 国外有采用干硬的水泥砂浆来实现压密灌浆【2 】，浆液也能够自然成形，但这样对灌浆施 工机械也有要求，劈裂灌浆往往采用水压或稀水泥浆，先使土体中产生劈裂，而后才 能实现劈裂灌浆。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 1 4 灌浆型式的控制与适用性 根据工程的具体情况选定灌浆型式后，就希望采取相应灌浆工艺来达到要求的灌 浆型式。劈裂灌浆是容易控制的，只需先注水入钻孔中并不断提高水的压力，直到压 力突然降落，即表示发生水力劈裂。如果地基是比较透水的松砂，注水不一定能达到 水力劈裂的目的，则可改用稀水泥浆。压密灌浆的控制主要是注浆压力的控制，当压 力增大很快的过程属于压密灌浆，一旦压力突然降低将转为劈裂压浆，在土中较软弱 的位置发生破坏，浆液迅速进入缝隙，压力下降。而渗透灌浆与灌注桩桩体土的性质 有很大关系，对于粘性土或软土则几乎不会发生渗透灌浆，一般渗透灌浆的压力较小， 当增大灌浆压力时渗透灌浆向压密灌浆转化。 2 2 桩底灌浆工艺 针对目前工程界钻孔桩桩底灌浆工艺，下面讨论桩底灌浆中的开式灌浆与闭式灌 浆及其特点。 2 2 1 开式灌浆 所谓开式灌浆是将水泥浆液通过预埋的灌浆管道( 单、双或多根) 直接注入桩底土体 中，浆液与桩底沉渣、桩底周围土体呈混合状态，还可能产生劈裂灌浆，在砂性土层 中这种效果要优于粘性土层。开式灌浆中应注意土层的不均匀性与软弱土层、暗沟的 存在，否则灌浆加固达不到预期的效果，耗浆量也较多，甚至是不可行的，不得不采 用其它方法来处理。目前，灌注桩桩端压浆采用开式灌浆的也不少，大多是作为灌注 桩承载力的一种补充。 2 2 2 闭式灌浆 k l a u sk r u b a s i k l o 】介绍了德国b i l t i n g e r tb e r g e r 公司为减小大直