深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究.pdf
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1、桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)31文章编号:1003-4722(2023)Sl-0031-07 DOI:10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.005深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究周 霄1,王钺钺2,刘新华2,徐 欣2(1.湖北交投实业发展有限公司,湖北武汉430056;2.中交第二公胳勘察设计研究院有限公司,湖北武汉430056)摘要:为研究深厚卵石层后压浆灌注桩的承载性能,以湖北观音寺长江大桥为背景,通过现 场自
2、平衡静载试验进行后压浆灌注桩承载性能研究。采用分布式后压浆技术,通过试桩现场试验 获取压浆前、后深厚卵石层桩土接触界面桩侧摩阻力r桩土相对位移s、桩端阻力弘桩端位移 S关系曲线,揭示后压浆对桩土接触界面剪切力学特性的影响,通过压浆前、后的桩侧、桩端初始刚 度变化揭示压浆效应对深厚卵石层桩基承载能力增强的作用机理。结果表明:卵石层灌注桩采用 分布式后压浆可以有效提高桩基的极限承载力,减小桩顶沉降;压浆后灌注桩桩侧摩阻力、桩端承 载力得到提高,桩侧、桩端初始刚度得到增强,承载性能明显改善;现场实测桩基各承载性能指标约 为理论值的1.1倍;压浆后桩基各承载性能指标为压浆前的1.82.0倍。关键词:桥
3、梁工程;钻孔灌注桩;深厚卵石层;分布式后压浆;承载性能;初始刚度;自平衡静载 试验中图分类号:U443.154 文献标志码:AResearch on Load Bearing Performance of Post-Grouting Bored Piles in Deep and Thick Pebble LayerZHOU Xiao1,WANG Cheng-cheng2,LIU Xin-hua2,XU Xin2(1.Hubei Pro vinc ial Co mmunic at io ns Invest ment Indust rial Devel o p ment Co.,Lt d.,Wu
4、h an 430056,Ch ina;2.CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:In t h is p ap er,t h e Guany insi Ch ang j iang River Bridg e in Hubei Pro vinc e is used as a c ase,c o mbined wit h fiel d sel f-bal anc ing st at ic l o ad t est,t o st udy t h e l o ad bearing p
5、 erfo rmanc e o f p o st-g ro ut ing bo red p il es in deep and t h ic k p ebbl e l ay er.Trial p il es were p rep ared and p o st g ro ut ed fo r t h e t est,based o n wh ic h t h e variat io n o f a series o f p aramet ers befo re and aft er g ro ut ing was invest ig at ed,and t h e rel at io nsh
6、ip bet ween l at eral p il e surfac e fric t io n r and p il e-so il rel at ive disp l ac ement s as wel l as t h e rel at io nsh ip bet ween p辻e-t ip resist anc e and p il e-t ip disp l ac ement su c o nc erning t h e p il e-so il int erfac e in t h e deep and t h ic k p ebbl e l ay er were fit t e
7、d,t o reveal t h e infl uenc e o f p o st g ro ut ing o n t h e sh ear p ro p ert y o f p il e-so il int erfac e.Th e variat io n o f t h e p il esh aft and p il e-t ip init ial st iffness befo re and aft er g ro ut ing was anal y zed t o fig ure o ut t h e st reng t h ening effec t o f g ro ut ing
8、o n t h e l o ad bearing p erfo rmanc e o f bo red p il es in deep and t h ic k p ebbl e l ay er.Th e resul t s demo nst rat e t h at t h e dist ribut ed p o st-g ro ut ing c an effec t ivel y imp ro ve t h e ul t imat e l o ad bearing c ap ac it y o f bo red p il es in deep and t h ic k p ebbl e l
9、ay er and reduc e p il e-t o p set t l ement.Aft er g ro ut ing,t h e p il e surfac e fric t io n and p il e-t ip l o ad bearing c ap ac it y are enh anc ed,t h e p il e-sh aft and p il e-t ip init ial st iffness h as g o t st reng t h ened and t h e l o ad bearing收稿日期收稿日期=2022-11-09基金项目:贵州省交通运输厅科技项
10、目(2022-122-021)Pro j ec t o f Sc ienc e and Tec h no l o g y o f Dep art ment o f Transp o rt at io n o f Guizh o u Pro vinc e(2022-122-021)作者简介:周 霄,高级工程师,E-mail:36353O634q q.c o rn.研究方向:道路桥梁建设与管理,路衍经济发展。32桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)c ap ac it y o f t h e p il e is remarkabl y imp ro v
11、ed.Th e measured indic at o rs o f l o ad bearing c ap ac it y are 1.1 t imes o f t h e t h eo ret ic al val ues.Aft er g ro ut ing,t h e indic at o rs o f l o ad bearing c ap ac it y are 1.8 t o 2.0 t imes o f t h e val ues befo re g ro ut ing.Key words:bridg e eng ineering;bo red p il e;deep and t
12、 h ic k p ebbl e l ay er;dist ribut ed p o st g ro ut ing;l o ad bearing c ap ac it y;init ial st iffness;sel f-bal anc ing st at ic l o ad t est1引言随着高速公路、铁路等工程规模逐步扩大,桩基 础的应用越来越广泛,对桩基础承载力和变形控制 提出了更高的要求山。后压浆技术因其工艺简单、成本低、加固效果可靠,是提升桩基承载性能的有效 手段,已在大量钻孔灌注桩基础工程中得到应 用灌注桩后压浆技术是指成桩后,由预埋的压 浆通道用高压注浆泵将一定压力的水泥浆压
13、入桩端 土层和桩侧土层,通过浆液渗透、填充、压密、劈裂、固结等作用来提高桩侧和桩端土体的强度,消除成 桩过程中桩侧泥皮、桩端沉渣的固有缺陷,改善桩周 土体的力学性能,从而提高竖向、水平承载力,减小 竖向沉降、水平变形旳。与非压浆桩相比,相同承载 力要求下,后压浆桩可以大大缩短桩长或减小桩径、桩数,减少二氧化碳排放,具有显著的经济和环境效 益。近年来,国内外学者对此进行了深入研究*讷。传统压浆方式包括桩端压浆、桩侧压浆以及桩端桩 侧组合压浆等。这些压浆方式的局限性在于需要在 原有钢筋笼的基础上预埋竖向压浆管路引至地面,预埋竖向压浆管的数量会随桩长增加,从而增加桩 基施工的难度和造价。由于桩侧环管
14、压浆范围由预 埋的桩侧压浆管位置确定,通常间距1012 m,难 以实现浆液离散性、小间距多点位分布。基于此,提 出一种分布式后压浆工艺,可利用桩基内原声测 管,通过串联压浆器实现小间距多点位分布压浆,相 较于传统压浆方式,其可控性更强,可利用声测管串 联压浆器,实现一管两用,减少钢筋笼连接时压浆管 的接头数量,有效提高施工工效的效果。目前后压浆技术在黏土、砂土、粉土等不同地层 条件的应用研究较多如,但深厚卵石层后压浆灌 注桩承载性能的研究较少。深厚卵石层具有强透水 性、施工难度大的特点,由于钻孔灌注桩受施工工艺 的影响,存在诸多不利于钻孔灌注桩承载性能的因 素。为研究深厚卵石层后压浆灌注桩的承
15、载性能,以武汉至松滋高速公路观音寺长江大桥为背景,进 行自平衡静载试验,通过试桩现场试验获取压浆前、后深厚卵石层桩土接触界面桩侧摩阻力r桩土相 对位移s、桩端阻力桩端位移“关系曲线,揭示 后压浆对桩土接触界面剪切力学特性的影响;通过 试桩现场试验得到压浆后桩侧、桩端初始刚度与压 浆前桩侧、桩端初始刚度的关系,揭示压浆效应对深 厚卵石层桩基承载能力增强的作用机理。同时验证 分布式后压浆工艺的可行性,可为类似工程应用提 供参考。2工程背景观音寺长江大桥是武汉至松滋高速公路江陵至 松滋段跨越长江的通道,主桥为主跨1 160 m双塔 双索面混合式组合梁斜拉桥,全长1 860 m。基础 采用分离式承台+
16、群桩基础,单个承台桩基采用22 根宜径3.2 m钻孔灌注桩,辅助墩及过渡墩桩基采 用4根宜径2.2 m钻孔灌注桩。该桥所处长江两岸分别为江陵岸和公安岸。桥址区位于长江湖北荆州观音寺至郝穴段。主要 地层分为粉质黏土、黏土:软塑,褐黄色、灰褐 色,多发育于地表,最大厚度3 m;粉质黏土、黏 土:可塑,黄褐色,厚2.89,0 m;粉质黏土、黏 土:硬塑,灰褐色,厚4.5&1 m;粉砂:稍密,灰褐色,厚2.5-5.9 ni;粉砂:中密,灰褐色,厚 1.95.5 m;细砂:中密,灰色,厚2.313.2 m;细砂:密实,主要位于卵石上部,发育 厚度较薄;卵石:密实,灰褐色,厚38.0 85.9 m,其工程
17、力学性质较好,分布广泛,发育稳 定,为桩基础主要持力层。主要地层设计参数见 表1。公安侧8号辅助墩试桩地层剖面见图1。表1主要地层设计参数Tab.1 Main Geotechnical Design Parameters序号地层名称状态桩侧摩阻力 标准值Qik/kPa地基承载力 特征值人o/kPa粉质黏土、黏土软塑30100粉质黏土、黏土可塑50150粉质黏土、黏土硬塑70220粉砂稍密2590粉砂中密35110细砂中密40210细砂密实70300卵石密实160800深厚卵石层后压浆灌注桩承载性能研究 周 霄,王钺钺,刘新华,徐 欣33图1公安侧8号辅助墩试桩地层剖面Fig.1 Cut-awa
18、y View of Soil Formation of Trial Pile of Auxiliary Pier No.8 on Gongan Side3分布式后压浆方案设计与施工选择公安侧8号辅助墩试桩进行原位试验,其桩 径2.2 m,桩长35 m。采用分布式后压浆工艺,试桩 采用声测管兼作注浆管。桩侧每间隔6 m布置1层 分布式桩侧压浆器,共4层,最下层距离桩端6 m,单 层压浆量0.5t 注浆管底部布置5个桩端压浆器,沿桩身圆周均匀布置,桩端压浆量7.1 t,单桩总压浆 量9.1 t。浆液采用P O 42.5普通硅酸盐水泥,水 灰比0.50.6。桩端压浆压力1.24.0 MPa,桩侧 压
19、浆压力0.42.0 MPa。压浆遵循“细流慢注”的原 则,出浆口的压浆流量不超过75 L/min。分布式后压浆首先通过钻机成孔,成孔达到 设计深度后,一次清孔,下放预埋有压浆器的钢筋 笼至孔内。预埋压浆器,利用声测管串联连接桩 端及桩侧压浆器,并在桩端压浆器底部焊接保护 钢筋,以免在下钢筋笼过程中损坏桩端压浆器。钢筋笼安装完成,二次清孔后浇筑桩身混凝土,混 凝土浇筑完成后需对声测管进行冲洗,确保声测 管畅通,并将声测管上口封闭;待桩身混凝土强度 达到75%、且声测完成后,利用绕管机通过声测管 口放入带有止浆塞的压浆软管至声测管底部,膨 胀止浆塞将上部声测管封闭后,压注桩端水泥浆,待桩端水泥浆压
20、注完成后,向上提升止浆塞至桩 侧出浆口,根据设计间距依次向上完成灌注桩后 压浆施工。采用智能化后压浆控制系统及成套设 备,具有定位、自动化、智能化、网络化的特点,施 工透明、效率高、易操作;设备安全可靠、节能环 保,可保障压浆施工的工期与质量。分布式后压 浆施工工艺流程见图2,施工布置见图3。图2分布式后压浆施工工艺流程Fig.2 Flowchart of Distributed Post Grouting施工示靈施工现场图3分布式后压浆施工布置Fig.3 Construction Organization of Distributed Post Grouting4自平衡静载试验基桩自平衡法是
21、基桩静载试验的一种新方法,其主要装置是一种特制的荷载箱,与钢筋笼相接,通 过地面上的油泵加压,荷载箱将同时向上、下发生变 位,发挥桩侧阻力和桩端阻力的作用,同时测得荷载 箱上、下部桩身各自承载力匚迪。本次试验采用双荷 载箱自平衡测试法,通过上、中、下3段桩的荷载 位移曲线,得到上、中、下3段桩的承载力,进而确定 整桩承载力。选择公安侧8号辅助墩试桩进行原位试验。在 试桩内安放上、下2个荷载箱,将桩身分成三部分,34桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)下荷载箱至桩端距离为1 m,上荷载箱至桩端距离 为8mo上、下荷载箱加载值分别为2X14 400 k
22、N.2X32 600 kN。双荷载箱自平衡测试示意见图4。图4双荷载箱自平衡测试示意Fig.4 Schematic Diagram of Self-Balancing Static LoadTest with Double Load Cells试验加载采用慢速维持荷载法,按基桩静载试 验自平衡法进行测试。测试完成后进行压 浆,压浆龄期达到相关要求后进行压浆后的测试,压 浆后测试与压浆前相同。在桩体内预埋钢筋应变计 以获得每级荷载作用下各桩截面的桩身轴力以及轴 力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。应变计 在桩身岩土层分界面处平均布置4个,桩身应变计 布置见图5。11i i1 1i 1 1.*9
23、-22l 1-.,+11.A2宀二卜卜卜1r-y-3.5 1 3:桩1 站图5桩身应变计布置Fig.5 Layout of Stress Gauges on Pile Shaft5试验结果分析5.1极限承载力和位移根据基桩静载试验自平衡法,试桩的竖向 极限承载力:Q=Q;W+Q”Q 詁(1)式中,Q。为单桩竖向承载力极限值(kN);Qg为上 段桩的极限加载值(kN);Qu为中段桩的极限加载 值(kN);Qd为下段桩的极限加载值(kN);W为上 段桩的自重与附加重量之和(kN)*为桩的修正系 数,按荷载箱上部土的类型确定:黏土、粉土/=0.8,砂土 7=0.7,岩石7=1,若土层类型不同应取 加
24、权平均值。试桩压浆前、后极限承载力见表2。由表2可 知:试桩压浆前抗压极限承载力为32 865 kN,压浆 后抗压极限承载力为67 425 kN,承载力是压浆前 的2.05倍。表2试桩压浆前、后极限承载力Tab.2 Ultimate Load Bearing Capacity of Trial Pile before and after Grouting状态-各段桩极限承载力/kN扣除 重力/kN修正试桩竖向极限上段桩中段桩下段桩系数承载力/kN压浆前10 000 7 33314 4001 5400.7632 865压浆后30 42730 4271 9390.7767 425注:压浆后上段桩、
25、中段桩承载力之和为30 427kN。试桩压浆前、后桩顶等效荷载等效位移曲线 见图6。由图6可知:在桩顶荷载相同的条件下,试 桩压浆后桩顶位移小于压浆前;在桩顶发生相同位 移时,压浆后的试桩承受的桩顶荷载明显高于压浆 前。综上可知,深厚卵石层中采用分布式后压浆技 术可以显著提高桩基抗压极限承载力,桩的沉降也 会大大减小。图6试桩压浆前、后桩顶等效荷载等效位移曲线 Fig.6 Relationship between Pile-Top Equivalent Load and Displacement before and after Grouting5.2桩侧摩阻力、桩端阻力及初始刚度5.2.1规
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