路基工程９４２０１８年第６期总第２０１期ＳｕｂｇｒａｄｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤＯＩ１０１３３７９ｊｉｓｓｎ１００３８８２５２０１８０６２０高速铁路岩溶地区桩基后压浆仿真分析张伟１张凯２马建林２白

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颂何
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1 路基工程年第期总第期ｕｂａｄｅｅｎｎｅｅｎＤＯＩｊｓｓｎ高速铁路岩溶地区桩基后压浆仿真分析伟凯马建林白丁伟中交第三航务工程局有限公司交建工程分公司上海西南交通大学土木工程学院成都摘要为分析后压浆技术对高速铁路岩溶地区桥梁桩基承载特性的影响运用有限元软件ＰＬＡＸＩ模拟分析了顺义特大桥墩钻孔灌注试桩注浆前后的承载性能变化结果表明 ①后压减小沉降约 ②数值模浆能在岩溶地区桥梁桩基发挥重要的作用提高桩基承载力约拟结果与现场试验结果吻合度较好能够很好反映现场实际的工程状况关键词岩溶地区灌注桩后注浆承载特性数值模拟中图分类号ＴＵ文献标志码Ａ文章编号墩桩基依据目前的高原区地形平缓其桥梁引言高速铁路桥梁桩基一般采用泥浆护壁钻孔灌注速铁路钻孔灌注桩设计与施工要求桩体需穿过溶桩但在施工成孔时对桩周土体扰动剧烈容易出洞层进入下方的稳定岩层原设计桩长为ｍ现变形开裂等现象桩底端形成的淤泥残留层及ｍ但这造成施工难度大大增加竣工时间桩径混凝土固化时收缩产生的裂缝等均大大降低了桩基难以控制工程造价高等问题承载力尤其遇到一些特殊地质例如岩溶地区为有效解决墩基设计桩长度过长施工难则需要加长桩长增大桩径但这无疑造成施工难度大竣工时间难以控制等问题采用桩基后压浆度加大竣工时间难以控制等问题技术达到提高桩基承载力缩短桩长减小桩基后压浆技术是利用高压装置将水泥浆通过预埋沉降变形等目的在工程桩附近开展静载试验现的管道压入周围土体达到挤密固化劈裂周围场静载试验场地位于顺义特大桥桥墩土体的目的从而大幅度提高桩基承载力冯忠居之间等基于现场原位试验提出浆液消除了桩端沉渣和桩侧泥皮的影响使桩侧摩阻力增加严青运地层厚度桥址区勘探深度范围内其地表为第四系人工堆用有限元软件对后注浆的受力承载过程进行了数值积层素填土由于其性质很差在试验中将素填土模拟对桩身受力机理进行了研究苏春晖等清除沿勘探深度范围内依次为粉质黏土粉土将后注浆技术应用于京沪铁路桥梁桩基能够很好粉砂中砂地层厚度见表地提升桩基承载力及减小沉降有限元模拟在工程中的应用已成为重要的辅助表地层厚度厚度ｍ层顶高程ｍ素填土粉质黏土参数修正等方法反应实际的工程状况为研究后注粉砂浆技术提供参考粉土粉砂手段本文基于岩土工程有限元软件ＰＬＡＸＩ对顺义特大桥墩钻孔灌注桩进行数值模拟分析通过工程概况京沈客专顺义特大桥连续梁桥墩位于冲洪积平收稿日期基金项目国家重点研发计划ＹＦＣ作者简介伟男山东诸城人助理工程师主要从事路桥工程工作Ｅｍａｌｑｑｃｏｍ名称粉质黏土中砂粉质黏土中砂粉质黏土中砂

2 伟, 等 : 高速铁路岩溶地区桩基后压浆仿真分析 95 地质剖面, 见图 1 图 2 试桩锚桩布置 ( 单位 :cm) 压浆材料及水灰比在试验注浆过程中选择水灰比的水泥浆作为压浆浆材试桩 S2~S4 后压浆情况, 见表 2 表 2 试桩 S2~S4 后压浆情况图 1 地质剖面 ( 单位 :m) 项目压浆持续时间 /min 最终压浆量 /t 稳定压力值 /MPa 1 2 水文条件桥址区地下水类型主要为上层滞水第四系孔隙水及基岩裂隙水, 地下水埋深较浅, 约 7 5~9 2m ( 高程 35 25~36 35m); 主要由大气降水及河水补给, 水位随季节变化幅度 3 0~5 0m 2 现场静载试验 2 1 试验目的及试验项目为掌握桥梁桩基后注浆技术的承载特性及注浆技术在高速铁路中的应用 [5], 开展桩基后注浆现场静载试验本次静载试验采用锚桩法, 选取 4 根试桩作为试验桩, 周围布置 7 根锚桩作为反力桩试桩桩长 30m, 锚桩桩长 36m, 桩径均为 1 25m 4 根试桩中, 试桩 S1 作为对比桩, 不进行后注浆处理, 试桩 S2~S4 均进行桩侧桩端注浆 2 2 后压浆现场试验设计简介后压浆试桩锚桩设计建筑桩基技术规范 (JGJ ) 规定的压浆前后极限承载力 : 压浆前极限承载力标准值 Q uk =7933kN, 压浆后极限承载力标准值 Q uk =22319kN 现场静载试验试桩单桩设计荷载为 3600kN, 锚桩其单桩竖向抗拔力为 9029kN 试桩 S1,S2 均加压至桩体极限荷载, 试桩 S3,S4 分别加压至设计荷载 (3600kN) 的 2~4 倍试验场地平面布置试验场地平面布置, 见图 2 S2 S3 S4 S2 S3 S4 S2 S3 S4 桩侧距桩顶 13 7m 桩侧距桩顶 24 7m 桩端合理压浆量根据建科院合理压浆量计算公式 G cp =π(htd+ξn 0 d 3 ) (1) 式中 :G cp 为水泥浆压浆量 ;h 为桩底压浆时浆液沿桩侧上返高度, 约 3 00~6 00m;t 为包裹于桩身表面的水泥结石厚度, 约 0 05~0 20m;d 为桩径, 取为 1 25m;ξ 为水泥填充率, 依据现场试验确定 ; n 0 为桩底土的天然孔隙率, 取为合理压浆压力合理压浆压力估算式为 P g =(0 2~0 3)H/10 (2) 式中 :P g 为泵压 ;H 为压浆深度, 一般为注浆口距离地面的高度终止压浆条件为 : 桩端压水泥量为 2 0~5 0 吨 / 压浆断面, 桩侧为 0 5~2 5 吨 / 压浆断面, 同时压浆压力达到 8MPa, 桩侧压力达到 6MPa 如出现冒浆现象, 要多次压浆保证压浆质量 2 3 试验监测设备压浆管道布置为达到更好的压浆效果, 桩侧压浆管均位于砂性土底部, 分别位于距桩顶 13 7,24 7m 处在试桩内部预先埋设桩侧压浆管 3 根桩端压浆管 3 根, 与钢筋笼一起下放在压浆管的布置上其桩侧高出桩顶 0 3m, 桩端压浆管向桩底延伸 0 3m 压浆管

路基工程年第期总第期ｕｂａｄｅｅｎｎｅｅｎ直径为ｍｍ与环向管利用三通管连接并沿管外现场静载试验结果及分析侧每ｍｍ开孔注浆管截面见图试桩静载试验结果见表表试桩静载试验结果理论极限试验最大极限荷载承载力ｋｎ加载量ｋｎ量ｋＮ试桩最大沉降ｍｍ量卸荷回弹ｍｍ量试桩现场荷载沉降曲线见图图注浆管截面加载设备

3 路基工程年第期总第期ｕｂａｄｅｅｎｎｅｅｎ直径为ｍｍ与环向管利用三通管连接并沿管外现场静载试验结果及分析侧每ｍｍ开孔注浆管截面见图试桩静载试验结果见表表试桩静载试验结果理论极限试验最大极限荷载承载力ｋｎ加载量ｋｎ量ｋＮ试桩最大沉降ｍｍ量卸荷回弹ｍｍ量试桩现场荷载沉降曲线见图图注浆管截面加载设备采用两根锚桩作为反力支座试桩试桩采用根锚桩为反力支座在每个支座上安放个或个ｋＮ并联油压千斤顶并联施加竖向力监测设备图现场试桩荷载沉降曲线位移监测采用在桩顶个正交方向对称安置的个位移计进行量测各级荷载下的桩顶沉降量同时每个锚桩安置个位移计监控上拔量由表图可知试桩均达到极限状态试桩在达到倍的单桩工作荷载作用下后注浆压力的监测不同深度处浆液压力为注压浆加固桩均未达到极限破坏状态注浆桩相对浆机出口处浆液压力与相应深度水头压力之和由于其承载特性明星提升极限承载力提于未注浆桩水头压力与注浆机出口处压力相比可忽略不计故认升约注浆桩其极限承载力达到未注浆桩为不同深度处浆液压力近似等于注浆机出口处浆液压的倍时其最大沉降量仅提高约在荷力因此根据压力和流量自动记录装置中注浆管路载为ｋＮ时注浆桩相对于未注浆桩沉压力的变化调节注浆泵转速改变注浆时的压力降减小约试验方法由图还可知当荷载较小时注浆桩与未注本次试验采用慢速维持荷载法以测试单桩竖浆桩其桩顶位移相差不大随着荷载逐渐增加至极向抗压承载力特征值加载分级进行采用逐级等限荷载时注浆桩相对于未注浆桩其承载特性明显量加载当加载至桩体极限荷载后逐次卸载至零提升表明后注浆技术对于提升高速铁路桥梁桩基具体如下分级荷载增量为ｋＮ分级荷载承载特性效果明显增量为ｋＮ分级荷载增量均为ｋＮ荷载ｋＮ下各桩沉降量见表试桩反力加载见图表荷载ｋｎ下各桩沉降量试桩ｍｍ沉降量ｓ Δ 备注冒浆注 Δ ｓｓｓ代表沉降减小代表沉降加大由表可知试桩由于存在一定程度的串浆冒浆现象其沉降略大于未注浆桩但试桩其沉降均小于试桩表明后注浆技术对于减小高速铁路桥梁桩基沉图试桩反力加载单位ｃｍ降效果明显

4 伟, 等 : 高速铁路岩溶地区桩基后压浆仿真分析 97 体积 3 有限元数值模拟为更好地研究后注浆对于高速铁路桥梁桩基的承载特性 [6], 运用岩土工程有限元软件 PLAXIS 对试桩进行数值模拟分析 3 1 数值计算模型建立土层参数土体采用理想弹塑性本构模型, 服从摩尔 - 库伦屈服准则依据现场勘测资料及室内试验得出土层参数, 见表 5 表 5 土层参数表重度 / 变形模量 / 黏聚力 / 内摩擦土层泊松比 (kn m -3 ) MPa kpa 角 /( ) 粉质黏土粉质黏土粉砂粉土中砂注浆加固体注 : 无地下水桩体模型试桩桩长为 30 00m, 桩径 1 25m 桩体参数, 见表 6 4πr 3 3 =V (4) n 式中 :n 为压浆管个数 ;r 为浆液球体的扩散半径 V=πR 2 h (5) 式中 :h 为圆柱体高度,h=2r;R 为桩端加固体折算半径 (2) 桩侧加固区域压浆量 V= h 2π(D 2 2 -D 2 1 ) (6) 4 式中 :D 1 为内直径, 即桩体直径 ;D 2 为加固区域外部直径 ; 桩侧加固区域高度 h 2 依据现场压浆压力土体孔隙率等及工程经验确定为 3m 加固区域尺寸参数, 见表 7 试桩 S2 及加固区域模型, 见图 6 试桩上部内直径上部外直径表 7 加固区域尺寸参数桩侧下部内直径下部外直径桩侧高度折算半径桩端 m 高度 S S S 注 : 上部指标高 13 7m 处, 下部指标高 24 7m 处表 6 桩体参数材料模型重度 /(kn m -3 ) 弹性模量 /MPa 泊松比线弹性定义接触面在竖向荷载作用下, 桩土之间通过接触面发生相互作用, 作用大小取决于接触面的法向挤压力和切向摩擦力在 PLAXIS 中通过自动生成正向界面, 其虚拟厚度因子取 0 1, 界面强度折减系数 R inter 取注浆加固体参数注浆加固体的形成是通过高压技术将浆液挤入桩周土体, 固化桩底沉渣等, 改变桩周土体参数, 提高桩体极限荷载加固体服从莫尔 - 库伦模型, 其参数见表 5 根据文献 [7], 在压浆压力增大时, 桩端竖向位移的发展速度大于水平位移, 浆液的渗透性状呈圆柱形渗透, 故桩端加固区域为圆柱形, 桩侧采用圆环形加固区 (1) 桩端加固区域压浆量 V=V cj /b (3) 式中 :V 为压浆量 ;b 为土体容浆率 ;V cj 为水泥浆图 6 试桩 S2 加固区域示意 ( 单位 :m) 试桩 S3,S4 均采用相同方法, 改变加固区域的范围模拟后注浆对高速铁路桥梁桩基的承载特性加载情况静载试验依据建筑桩基检测技术规范进行模拟, 荷载级数依据现场加载情况进行模拟, 达到终止条件后停止模拟分别得到 4 根试桩荷载 - 位移数值模拟结果 3 2 数值模拟计算结果及分析

5 98 路基工程 SubgradeEngineering 2018 年第 6 期 ( 总第 201 期 ) 根据有限元软件模拟结果, 读取不同荷载下试桩桩顶位移数据, 见表 8 表 8 有限元数值计算结果 S1 荷载 - 位移数据 S2 荷载 - 位移数据 S3 荷载 - 位移数据 S4 荷载 - 位移数据荷载 /kn 实测值 /mm 模拟值 /mm 荷载 /kn 实测值 /mm 模拟值 /mm 荷载 /kn 实测值 /mm 模拟值 /mm 荷载 /kn 实测值 /mm 模拟值 /mm 依据有限元模拟数据得出 4 根试桩模拟曲线, 见图 7~ 图 10 其中试桩 S1,S2 荷载 - 位移曲线, 见图 7 图 8 试桩极限荷载取值点的确定为在同样荷载增量的情况下, 桩顶位移发生陡降的点极限荷载 ( 试桩 S1 和 S2 极限荷载为 13500kN 25000kN), 结果表明 :1 模拟结果与现场试验数据相吻合, 表明数值模拟中确定的土体层数桩体及加固体的参数是正确的 ;2 数值模拟荷载 - 沉降曲线走势与现场数据趋势一致, 其数值略大于现场实测数值, 表明数值模拟可以有效模拟后注浆技术试桩 S3 和 S4 荷载 - 位移曲线, 见图 9 图 10 图 7 试桩 S1 荷载 - 位移曲线图 9 试桩 S3 荷载 - 位移曲线图 8 试桩 S2 荷载 - 位移曲线由图 7 图 8 可知 : 试桩 S1,S2 均加载至桩体图 10 试桩 S4 荷载 - 位移曲线

6 伟, 等 : 高速铁路岩溶地区桩基后压浆仿真分析 99 由图 9 图 10 及表 8 可知 : 试桩 S3,S4 未加载至极限荷载, 其荷载 - 位移曲线未出现明显拐点, 基本处于线弹性范围, 考虑到注浆桩理论极限值为 22319kN( 见 2 2 1), 而试桩 S3 最大加载量为 7500kN 试桩 S4 最大加载量为 14250kN, 可知在荷载较小时, 其荷载 - 沉降曲线近似呈线性分布试桩 S3 其有限元模拟荷载 - 位移曲线与现场实测荷载 - 位移曲线在加载初期其差值较大, 但沉降数值仅为毫米级并随着荷载增加其曲线的差值减小 ; 试桩 S4 其有限元模拟荷载 - 位移曲线与现场实测荷载 - 位移曲线拟合度较高说明有限元可以很好地模拟后注浆技术在高速铁路桥梁桩基中的承载特性 4 结语本文运用岩土工程有限元软件 PLAXIS 对京沈客专顺义特大桥 # 190 墩后注浆试桩进行现场静载试验及有限元数值模拟分析, 得出结论如下 : (1) 由现场试验数据看出, 后注浆技术能够有效提高高速铁路桥梁桩基承载力, 提高约 85%, 沉降减小约 57% (2) 通过有限元软件 PLAXIS 计算与现场试验数据的对比, 数值模拟所得荷载 - 沉降曲线与现场拟合较好, 说明有限元可以很好地模拟后注浆技术在高速铁路桥梁桩基中的承载特性 (3) 在荷载较小时, 其荷载 - 位移曲线近似呈线性, 随着荷载增加注浆体逐渐发挥效用, 从而提升桩基承载特性参考文献 (References): [1] 冯忠居, 任文峰, 李晋. 后压浆技术对桩基承载力的影响 [J]. 长安大学学报 ( 自然科学版 ),2006,26(3): FENGZJ,RENWF,LIJ.Bearingcapacityofpost groutingpilefoundation [J].JournalofChang anuniversity(naturalscience)2006,26(3): [2] 严青. 数值模拟在机场后压浆桩基承载力分析中的应用 [J]. 价值工程,2013,32(21): YANQ.Anapplicationofnumericalsimulationtobearingcapacityanalysis oftheairportpost groutingpiles[j].valueengineering,2013,32(21): [3] 苏春晖, 马建林, 袁晓波. 高速铁路后注浆技术影响桥梁沉降的现场试验分析 [J]. 工程勘察,2016(1): SUCH,MAJL,YUANXB.Experimentalanalysisonbridgesetlement after post grouting in Beijing Shanghai High speed Railway [J]. GeotechnicalInvestigation&Surveying,2016(1): [4] 苏春晖, 马建林, 潘海泽. 京沪高速铁路天津特大桥深厚软土超长群桩沉降现场监测与分析 [J]. 铁道建筑,2013(8): SUCH,MAJL,PANHZ.Sitemonitoringandanalysisofsuperlargegroup pilessetlementattianjinsuperlargebridgeofbeijing shanghaihighspeed [J].RailwayEngineering,2013(8): [5] 刘炎炎. 钻孔灌注桩后注浆技术在工程中的应用研究 [D]. 沈阳 : 东北大学,2011. LIUYY. Study on post grouting technology of cast in place pile in engineeringapplication[d].shenyang:northeasternuniversity,2011. [6] 黄敏, 克绪, 尔齐. 嵌入砂或砂砾层中的桩底灌浆桩竖向承载性能研究 [J]. 土木工程学报,2002,35(3):77-81,98. HUANGM,ZHANGKX, ZHANGEQ. The behaviorofgrouting pile insertedintosand orgravellayerunderaxialload [J]. China Civil EngineeringJournal,2002,35(3):77-81,98. [7] 李小青. 竖向荷载下后压浆桩承载性状的数值分析 [J]. 探矿工程, 2000(6):9-11. LIXQ.Numericalanalysisofbearingcharacterofbasegrouted pilein verticalloading[j].explorationengineering,2000(6):9-11. SimulationAnalysisofPostGroutingforPileFoundationinKarstRegions alonghighspeedrailway ZHANGWei 1,ZHANGKai 2,MAJianlin 2,BAIDingwei 2 (1.TheCommunicationsConstructionEngineeringCompany,CCCCThirdHarborConsultantsCo.,Ltd., Shanghai200000,China;2.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China) Abstract:Inordertoanalyzetheinfluenceofpost groutingtechniqueonbearingcharacteristicsofbridgepile foundationinkarstregionsalonghigh speedrailway,thefiniteelementsoftwareplaxiswasusedtosimulate andanalyze,forthecast in placeboredpilesforthe # 190pierofShunyiGrandBridge,howthebearing behaviorthereofchangesbeforeandaftergrouting.theresultshowsthat,1 thepost groutingcanplayan importantroleinbridgepilefoundationinkarstregions,andsignificantlyimprovethepilebearingcapacityby about85% andreducethesetlementbyabout58%;2 theresultofnumericalsimulationisconsistentwith thatofthefieldtest,andmayreflecttheactualconditionsofworksonthesite. Keywords:karstregions;cast in placepile;postgrouting;bearingcharacteristics;numericalsimulation

刘振华, 等 : 管桩单桩竖向极限承载力的沉降预估研究 91 淤泥质粉质黏土 (mq 3 4): 灰黑色, 可塑, 湿 - 饱和, 干强度与韧性中等, 具有明显臭味全场分布, 厚度较深, 达 20m 左右砂质黏土 (alq 3 ): 红褐色, 可塑主要由黏性土混和砂石等组成, 砂石含量占 10

刘振华, 等 : 管桩单桩竖向极限承载力的沉降预估研究 91 淤泥质粉质黏土 (mq 3 4): 灰黑色, 可塑, 湿 - 饱和, 干强度与韧性中等, 具有明显臭味全场分布, 厚度较深, 达 20m 左右砂质黏土 (alq 3 ): 红褐色, 可塑主要由黏性土混和砂石等组成, 砂石含量占 10 90 DOI:10 13379/j isn 1003 8825 2018 05 18 管桩单桩竖向极限承载力的沉降预估研究刘振华 1, 修占国 2, 袁义臣 1 1, 梁平 (1. 中建五局华东建设有限公司, 浙江平湖 312400;2. 东北大学资源与土木工程学院, 沈阳 110819) 摘要 : 为了更加精确地预估预应力管桩路基地基的沉降变形, 基于慢速维持荷载理论, 进行了路基预应力管桩的静载试验和试桩的