钻孔灌注桩后压浆承载性能的分析与模拟

1、第22卷第6期2005年6月公路交通科技Journal of Highway and Transportation Research and DevelopmentVol . 22No . 6Jun . 2005文章编号:1002-0268(2005 06-0115-04钻孔灌注桩后压浆承载性能的分析与模拟赵珍云, 周红波12(1. 宝钢工程技术公司, 上海201900; 2. 上海建科建设监理咨询有限公司, 上海200032摘要:钻孔灌注桩后压浆后承载性能得以显著改善, 运用有限元分析软件模拟分析了某实际工程钻孔桩在注浆前后的承载性能变化情况, 计算值和实测值吻合较好。引入注浆加固体半径和注

2、浆体强度来模拟后压浆对钻孔桩承载力的影响, 并指出注浆量的大小对承载力的影响较大, 基本上随着加固体半径的增加线性增加, 而注浆体强度的影响存在临界值, 超过该值后, 强度增加的影响甚微。关键词:钻孔灌注桩; 桩端后压浆; 承载性能; 数值分析; 影响因素中图分类号:U443. 15文献标识码:AAnalysis and N umerical Simulation on the Bearin gCapacity of Post -grouting Bored PileZH A O Zhen -yun 1, ZHO U H ong -bo 2(1. Baosteel engineering te

3、chnology corporation , Shanghai 201900, China ; 2. Shanghai jianke project management company , Shan ghai 200032, China Abstract :The bearing capacity of bored pile after post -groutin g at the pile end is improved and the nu merical simulations of the change of bearing capacity of bored piles befor

4、e and after grouting of a solid project by FEM are presented . The calculation res ults are better fit to the tested results . The effects of post -grouting on bearing capacity are simulated considering the radium and strength of grouting soil body . The results show that the grouting volume has a l

5、arge effect on the bearin g capacity and the bearing capacity of bored piles is linear -ly increased with the increasing of the radium of the grouting soil body . The strength of grouting soil has a limited effect on the bearing ca -pacity and there is a critical stren gth -value of grouting soil on

6、ce the shength overs the critical value , the increase of strength on the bear -ing capacity is few .Key words :Bored pile ; Post -grouting of pile end ; Bearing capacity ; Numerical analysis ; Effect factors0引言钻孔桩的承载性状和桩侧摩阻力传递特性直接受钻孔桩的施工工艺与技术的影响, 主要是钻成孔方式、护壁泥浆的品种和性能以及成孔暴露时间等。目前上海乃至国内大部分地区泥浆护壁钻孔灌注桩主

7、要采用自然造浆护壁方式, 其施工技术的局限性, 时常会出现钻孔桩承载力达不到设计要求的现象, 主要3是孔底沉渣和孔壁泥皮过厚所引起的。钻孔桩后压浆技术是最近发展起来的用于泥浆护壁钻孔桩以提高收稿日期:2005-01-111, 2其承载力的一种行之有效的新技术, 通过压力注浆, 使水泥浆渗透、挤密排走桩底、桩周土颗粒间的水分和空气, 并占据其位置, 经过一段时间后, 浆液将原来松散的土粒或裂缝胶结成一个整体, 达到将沉渣与泥皮固化、充填胶结和劈裂加筋的效果。本文运用通用的岩土工程有限元分析软件包PL AXIS , 对钻孔桩在注浆前后的静载试验和桩身轴力测试结果进行了数值模拟, 效果较好。然后,

8、按照工程实例验证的模式, 对均质土层中埋设后压浆钻孔桩的承载特性进行有限元分析研究, 主要考虑了桩端注浆数量和注浆4, 5作者简介:赵珍云(1972- , 湖北仙桃人, 工程师, 研究方向为结构设计.116公路交通科技第22卷体的强度对后压浆钻孔桩承载力的影响。1某工程注浆前后钻孔桩静载试验的有限元数值模拟分析1. 1工程概况上海某高层住宅工程进行了1组钻孔桩、2组钻孔后压浆桩的静载试验, 设计桩径600mm , 桩长#37. 77m , 并对94试桩进行对比试验。本场地50m 深度内的土层均为第四纪松散沉积物, 各土层的物理力学性质指标见表1, 土层剖面见图1。表1地基土物理力学性质指标和计

9、算参数层序土层名称填土淤泥质粉质粘土夹砂层厚 m 3. 75. 05. 58. 118. 317. 117. 718. 320. 019. 318. 31. 0141. 3711. 1870. 9810. 6460. 7391. 0148910113331919. 508. 759. 0015. 0015. 0027. 5014. 004. 54容重3kN ·m -94(慢1 和94(慢2 分别为同一根钻孔灌注桩后压浆前后的竖直静载荷试验结果, 并在桩身埋设了轴力测试元件。图2和图3列出了试桩在注浆前后的P -S 曲线及最终桩身轴力分布情况。从中可以看出后压浆后桩基承载力以及最后轴力

10、均大大提高。# 孔隙比内聚力 kPa内摩擦压缩模角 (° 量 MPa图2注浆前后94#试桩的P -S 曲线2. 172. 484. 156. 1013. 595. 882. 66. 5淤质粘土3. 67. 31粘土2粉质粘土22. 024. 0粉质粘土1. 83. 3砂质粉土粉砂1. 74. 7未钻穿1粉质粘土图3注浆前后94#试桩的最终桩身轴力分布1. 3后压浆效果的数值模拟用有限元软件PLAXI S 对94桩在注浆前和注浆后的性状进行模拟, 数值分析模型如下:土层的标高取平均标高, 桩身端部的多边形区域为注浆区域, 主要模拟桩端后压浆在桩端形成的扩大头, 注浆前此区域的性质和土体

11、相同, 注浆后计算参数的取值见表2, 土层的物理力学计算参数见表1。#由此得到, 94桩注浆前后P -S 曲线和轴力分布的数值模拟和实测比较如图5、图6所示。从中可以看出, 采用有限元计算得到的桩基注浆前后的荷载-沉降曲线以及最后的轴力分布与实测值较吻合, 说明数值计算是可行的。表2桩身和浆体加固区的材料参数参数破坏准则线弹性线弹性重度 kN ·m -325. 020. 0弹性模量 MPa3000015000泊松比0. 20. 2#图1场地土层剖面桩体注浆加固体1. 2 试桩结果分析 第6期赵珍云, 等:钻孔灌注桩后压浆承载性能的分析与模拟表3土体性质渗透弹性干重度湿重度破坏准则系数

12、模量33kN ·m - kN ·m - md -1 MPa Mohr -Coulomb18. 519. 00. 00160117内摩膨胀泊松内聚力擦角角比 kPa(° (° 0. 41520表4桩身和浆体加固区的材料参数参数桩体注浆加固体破坏准则线弹性线弹性重度 kN ·m -325. 020. 0弹性模量 MPa30000泊松比0. 20. 2分析模型如图7所示, 桩长24m , 桩径600mm 。桩端注浆对桩体承载力的影响主要取决于两个方面:注浆量和浆体的性质。在本例中以弹性模量的大小来表示浆体材料的性质, 分别取600MPa 、1800M

13、Pa 、3000MPa 、5000MPa 、9000MPa 和12000MPa6种情况。假定注浆区域为球形, 以球体的半径R 来表示注浆量多少, 浆体半径分别为0. 7、1. 2、1. 8和2. 4m 。图494#桩数值模 拟的模型图5注浆前94#桩实测与计算的P -S 曲线和轴力分布图7数值模拟的基本模型2. 2注浆量对桩基承载力的影响分析图6注浆后94#桩实测与计算的P -S 曲线和轴力分布根据以上模型计算得到注浆量对桩基承载力的影响曲线, 如图8。当注浆区域半径达到2. 4m 后, 桩基承载力为最大, 相对于0. 7m 半径的注浆量, 承载力有大幅度的增长, 达到2倍以上。曲线到后期趋于

14、平缓, 说明注浆量不可能对承载力有无限的提高作用, 其有效的作用半径有一定的范围, 随着注浆量的增加, 浆球半径变大, 其与土体的接触面积也增大, 所以在达到规定沉降值时桩顶能承受的荷载有较大增长。从图中还可以看出, 随着注浆浆球半径的增大, 浆体强度对桩基承载力的影响不是很明显。2. 3注浆体强度对桩基承载力的影响分析2影响后压浆钻孔桩承载性能因素的数值模拟分析2. 1数值分析模拟的基本方法为分析后压浆对提高钻孔灌注桩承载力的机理和影响因素, 采用有限元进行数值模拟分析, 基本方法如同前面实例验证所介绍:假设压浆后的浆土加固区域为一个球形体, 其强度大于原始土体。考虑地基为均质土体, 其参数

15、如下表3所示。桩和浆体加固区的材料参数如表4。 118公路交通科技第22卷图10不同R 下注浆体强度对桩承载力的影响图8注浆量对桩基承载力的影响曲线的影响。浆体半径0. 7m 时注浆体强度对桩基承载力的影响如图9。当浆体的弹性模量增加到一定程度后, 如从600MPa 增加到1800MPa 后, 其对Q c 的影响似乎不明显, 但当浆体模量由小变大时, Q c 还是呈非线性增长趋势。不同浆体半径下注浆体强度与桩基承载力的关系如图10。从中可以看出, 桩端注浆体的强度对桩基承载力的提高存在一个临界值, 这可能与整根桩的荷载传递性状相关 。了钻孔桩注浆前后的承载性状, 并对均质土层中的后压浆桩基,

16、考虑注浆量的大小以及注浆体的强度对桩基承载力的影响, 从中可以得出以下结论:对桩基承载力Q c 有显著影响的应该是注浆量的大小, 基本上随着注浆体半径的增加线性增加。而浆体的性质, 即注浆体的强度在达到一定程度的时候对Q c 已经没有太多影响, 即存在临界值。当达到临界值以后, 虽然浆体和桩体一样有较多的强度储备, 但土体达到塑性破坏后, 桩基下沉, 桩顶位移增加, 浆体强度的大小此时与桩基沉降没有大的关系, 所以对承载力的影响也趋于平缓。参考文献:1Dan Brown . Effect of construction on axial capacity of drilled foundationsin piedmont soils J . J ournal of geotechnical and geoenvironment engi -neering , 2002, 128(12 :967-973.2M ing -Fang Chang , Hong Zhu . Construction effect on load trans fer alongbored pile J . Journal of geotec hnical and geoenvironment e