儀曉立 王振軍 侯向陽 惠 冰 孫 巍 張 旭 苗 鑫

(1.中鐵一局集團(tuán)建設(shè)安裝工程有限公司，西安 710000；2.山東省交通科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014)

灌注樁后注漿是指在鉆孔灌注樁內(nèi)預(yù)埋鋼筋籠和注漿管，成樁后通過高壓泵向樁側(cè)面和端面土層加壓注漿[1-3]。后注水泥漿滲透至樁基泥皮、持力層和沉渣后進(jìn)行填充壓實(shí)，進(jìn)而延伸至深土層形成樹枝狀劈裂，泥漿固結(jié)后有效加強(qiáng)灌注樁樁基的強(qiáng)度，降低了灌注樁的沉降量，提高了樁基的承載能力[4-6]。后注漿漿液向樁基四周的劈裂擴(kuò)散程度直接影響了灌注樁的穩(wěn)定性，而劈裂擴(kuò)散過程受到水灰比、注漿壓力等多種因素的影響，研究后注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理對增強(qiáng)灌注樁強(qiáng)度具有重要意義[7-9]。國內(nèi)外學(xué)者對后注漿進(jìn)行了大量的研究，但對后注漿擴(kuò)散規(guī)律認(rèn)識并不全面[10-14]。周亞龍等[15]研究了后注漿過程中注漿量、注漿壓力、灌注樁位移及承載變形的變化，建立了灌注樁載荷和沉降位移的邏輯關(guān)系，發(fā)現(xiàn)“開式—閉式—開式”復(fù)合式后注漿式漿液重復(fù)交替進(jìn)行滲透、劈裂、壓實(shí)過程，注漿量和注漿壓力可滿足設(shè)計(jì)要求，灌注樁沉降位移較小。李文廣等[16]采用COMOSOL軟件建立了盾尾壁后注漿有限元分析模型，研究了注漿壓力、注漿位置和漿液黏度時變性變化對漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)注漿位置對漿液形態(tài)的影響較大，漿液填充速度越大，注漿壓力隨之增大，而漿液黏度降低，在后期填充時速度明顯變慢。林志豪等[17]研究了樁端注漿和樁基樁端復(fù)合注漿對灌注樁承載能力的影響，發(fā)現(xiàn)樁基樁端復(fù)合注漿使灌注樁樁基承載能力升高了1.35～1.5倍，樁周側(cè)向土層摩阻提高了3～6倍。目前人們對后注漿的研究多集中在注漿過程參數(shù)變化及灌注樁承載力方面，對漿液擴(kuò)散研究較少，而漿液擴(kuò)散是灌注樁強(qiáng)度的直接影響因素，研究其擴(kuò)散區(qū)域及擴(kuò)散變化規(guī)律有利于提高注漿均勻度，增強(qiáng)樁基的穩(wěn)定性[18-20]。本文以山東濟(jì)南某灌注樁現(xiàn)場為基礎(chǔ)，截取注漿擴(kuò)展裂縫某一平面作為研究對象，采用CFD軟件建立灌注樁后注漿平板裂縫漿液擴(kuò)散有限元模型，分析不同因素變化對漿液擴(kuò)散規(guī)律的影響，結(jié)果可為工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)注漿參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 灌注樁后注漿漿液擴(kuò)散模型建立

截取濟(jì)南某灌注樁現(xiàn)場注漿擴(kuò)展裂縫某一平面，采用CFD軟件建立灌注樁后注漿平板裂縫漿液擴(kuò)散模型，如圖1所示。擴(kuò)展裂縫平面尺寸為400 cm×200 cm，樁基直徑為100 cm，注漿孔設(shè)置在平面中心位置，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為49 823個，形狀為六面體，注漿孔設(shè)置為流量入口邊界，注漿量通過注漿時間控制，平面四周設(shè)置為壓力出口邊界。

圖1 灌注樁后注漿平板裂縫漿液擴(kuò)散模型Fig.1 Grout diffusion model for grouting plate cracks after grouting of cast-in-place piles

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)：注漿壓力為3 MPa、注漿量為0.2 m3、漿液黏度為40 cPa·s、裂縫高度為10 cm、裂縫寬度為200 cm，控制注漿壓力變化范圍在2～5 MPa，變化梯度為0.5 MPa；注漿量變化范圍在0.05～0.4 m3，變化梯度為0.05 m3；漿液黏度變化范圍在10～80 cPa·s，變化梯度為10 cPa；裂縫高度變化范圍在5～50 cm，變化梯度為5 cm；裂縫寬度變化范圍在50～400 cm，變化梯度為50 cm，研究不同因素變化對注漿漿液最大擴(kuò)散半徑的影響。

2 灌注樁后注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律

2.1 注漿壓力對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響

控制注漿量0.2 m3、漿液黏度40 cPa·s、裂縫高度10 cm、裂縫寬度200 cm，改變注漿壓力，得到后注漿漿液最大擴(kuò)散半徑變化趨勢如圖2所示。

圖2 注漿壓力對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響Fig.2 Effect of grouting pressure on the maximum diffusion radius of grout

從圖2可以看出，隨著注漿壓力的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑先增大，后增大幅度趨于平緩。這是因?yàn)?，在注漿壓力較低時，壓力的增加為漿液流動提供了更多動力，增強(qiáng)了漿液對周圍土層的滲透和劈裂能力，導(dǎo)致最大擴(kuò)散半徑顯著增大。當(dāng)注漿壓力較高時，漿液向土層深處延伸，劈裂擴(kuò)展需要克服的反作用力增強(qiáng)，雖然仍可進(jìn)一步劈裂擴(kuò)展，但其擴(kuò)展能力降低，最大擴(kuò)散半徑增大幅度趨于平緩。由圖2可知，當(dāng)注漿壓力為2 MPa時，漿液最大擴(kuò)散半徑為51.5 cm，當(dāng)注漿壓力達(dá)到4 MPa后，漿液最大擴(kuò)散半徑達(dá)到69.3 cm且變化速度變緩，當(dāng)注漿壓力達(dá)到5 MPa時，漿液最大擴(kuò)散半徑達(dá)到74.4 cm。采用對數(shù)形式擬合注漿壓力與漿液最大擴(kuò)散半徑的關(guān)系(圖2)，曲線擬合優(yōu)度為0.998 74，擬合誤差較小，可為設(shè)計(jì)人員提供計(jì)算依據(jù)。考慮建造成本和樁基穩(wěn)定性，注漿壓力優(yōu)選4 MPa。

2.2 注漿量對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響

控制注漿壓力3 MPa、漿液黏度40 cPa·s、裂縫高度10 cm、裂縫寬度200 cm，改變注漿量，得到后注漿漿液最大擴(kuò)散半徑變化趨勢如圖3所示。

圖3 注漿量對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響Fig.3 Effect of grouting amount on the maximum diffusion radius of slurry

從圖3可以看出，隨著注漿量的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑先增大，后增大幅度趨于平緩。分析其原因認(rèn)為，在低注漿量下，漿液雖然有足夠的能量向外部拓展，但受到漿液量的限制，難以達(dá)到土壤深層，當(dāng)注漿量升高時，在足夠的動力驅(qū)動下更多漿液向外部滲透劈裂，最大擴(kuò)散半徑快速增大；在高注漿量下，雖然漿液量足夠，但動力不足導(dǎo)致最大擴(kuò)散半徑變化趨于平緩。由圖3可知，當(dāng)注漿量為0.05 m3時，漿液最大擴(kuò)散半徑為50.1 cm，當(dāng)注漿量達(dá)到0.3 m3后，漿液最大擴(kuò)散半徑達(dá)到66.3 cm且變化開始趨于平緩，當(dāng)注漿量為0.4 m3時，漿液最大擴(kuò)散半徑為69.2 cm，注漿量對最大擴(kuò)散半徑的影響相對較大。采用對數(shù)形式擬合注漿量與漿液最大擴(kuò)散半徑的關(guān)系(圖3)，曲線擬合優(yōu)度為0.995 21。

2.3 黏度對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響

控制注漿壓力3 MPa、注漿量0.2 m3、裂縫高度10 cm、裂縫寬度200 cm，改變漿液黏度，得到后注漿漿液最大擴(kuò)散半徑變化趨勢如圖4所示。

圖4 黏度對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響Fig.4 Effect of viscosity on the maximum diffusion radius of slurry

由圖4可知，隨著漿液黏度的升高，最大擴(kuò)散半徑減小。這是因?yàn)?，?dāng)漿液黏度升高時，其流動性能下降，漿液內(nèi)部摩擦力和黏結(jié)力造成流體部分能量損失，促使其擴(kuò)展能力下降，而漿液黏度升高后，漿液與土層黏結(jié)力加強(qiáng)，漿液向土層深處的滲透能力降低，導(dǎo)致最大擴(kuò)散半徑減小。當(dāng)漿液黏度為10 cPa·s時，最大擴(kuò)散半徑為68.1 cm，當(dāng)漿液黏度升高至80 cPa·s時，最大擴(kuò)散半徑減小至42.6 cm。采用對數(shù)形式擬合漿液黏度與最大擴(kuò)散半徑關(guān)系(圖4)，曲線擬合優(yōu)度為0.999 0。工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)水泥漿配合比時，在考慮力學(xué)性能基礎(chǔ)上應(yīng)引入漿液黏度對最大擴(kuò)散半徑的影響。

2.4 裂縫高度對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響

控制注漿壓力3 MPa、注漿量0.2 m3、漿液黏度40 cPa·s、裂縫寬度200 cm，改變裂縫高度，得到后注漿漿液最大擴(kuò)散半徑變化趨勢如圖5所示。

圖5 裂縫高度對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響Fig.5 Effect of crack height on the maximum diffusion radius of slurry

由圖5可知，隨著裂縫高度的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑先增大后降低。這是因?yàn)?，?dāng)裂縫高度較小時，漿液受到裂縫高度的限制流動阻力變大，當(dāng)裂縫高度升高時，漿液流動阻力降低，最大擴(kuò)散半徑顯著升高。當(dāng)裂縫高度較大時，流動阻力不再是影響流動的主要因素，在注漿量和注漿壓力一定時，漿液不僅需要向橫向滲透劈裂，還需要向縱向流動填充，導(dǎo)致其最大擴(kuò)散半徑降低。當(dāng)裂縫高度為5 cm時，漿液最大擴(kuò)散半徑為55.3 cm，當(dāng)裂縫高度達(dá)到25 cm時，漿液最大擴(kuò)散半徑增大至最大值66.4 cm，當(dāng)裂縫高度繼續(xù)增加至50 cm，漿液最大擴(kuò)散半徑反而降低至54.1 cm。采用多項(xiàng)式形式擬合裂縫高度和最大擴(kuò)散半徑的關(guān)系(圖5)，對應(yīng)曲線擬合優(yōu)度為0.967 56。因此，裂縫高度為25 cm有利于灌注樁承載能力的提升。

2.5 裂縫寬度對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響

控制注漿壓力3 MPa、注漿量0.2 m3、漿液黏度40 cPa·s、裂縫高度10 cm，改變裂縫寬度，得到后注漿漿液最大擴(kuò)散半徑變化趨勢如圖6所示。

圖6 裂縫寬度對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響Fig.6 Effect of crack width on the maximum diffusion radius of slurry

由圖6可知，隨著裂縫寬度的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑降低。注漿寬度主要影響注漿向兩側(cè)的發(fā)展，對縱向最大擴(kuò)散半徑影響較小。當(dāng)裂縫寬度為50 cm時，漿液最大擴(kuò)散半徑為64.2 cm，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到400 cm后，漿液最大擴(kuò)散半徑減小至56.1 cm。

對比各因素對漿液最大擴(kuò)散半徑的影響，注漿壓力、注漿量、黏度的影響較大，裂縫高度的影響相對較小，裂縫寬度的影響最小。

3 結(jié)論

工藝參數(shù)注漿壓力、注漿量、漿液黏度以及注漿擴(kuò)展裂縫高度和寬度對灌注樁樁基后注漿漿液擴(kuò)散均具有一定影響，隨著注漿壓力的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑先增大后增大幅度趨于平緩，考慮建造成本和樁基穩(wěn)定性，注漿壓力優(yōu)選4 MPa。隨著注漿量的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑先增大后增大幅度趨于平緩。隨著漿液黏度的升高，最大擴(kuò)散半徑減小，工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)水泥漿配合比時，在考慮力學(xué)性能基礎(chǔ)上應(yīng)引入漿液黏度對最大擴(kuò)散半徑的影響。隨著裂縫高度的增加，漿液最大擴(kuò)散半徑先增大后減小，裂縫高度為25 cm時，有利于灌注樁承載能力的提升，裂縫寬度對最大擴(kuò)散半徑的影響較小。