0 引 言

预应力混凝土管桩(以下简称管桩)具有桩身质量可靠、施工速度快、单位承载力造价低、施工场地文明等优点^[1]。据统计, 2010年全国已有500多家管桩生产企业, 分布在全国25个省市自治区(不包括港澳台), 年生产各类管桩逾3亿m, 成为世界上生产、应用管桩最多的国家^[2]。随着《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476—2009)^[3]、《预应力混凝土管桩》(10G409)^[4]、《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ／T15-22—2008)^[5]、《预应力混凝土管桩基础技术规程》(DGJ32／TJ109—2010)^[6]等一批国家标准、图集及地方标准的颁布实施^[7-22], 管桩的应用范围越来越广泛。目前管桩已经应用于软弱土地区的工业与民用建筑、铁路、冶金、海港、码头、农业、公路、水利等领域。在我国东南沿海地区, 基础采用管桩的工程占在建工程的70％以上。

然而在软弱土地层中, 管桩桩周土阻力提供承载力远小于桩身结构设计承载力, 桩身材料强度不能充分发挥。其主要原因为:(1) 存在土塞效应影响, 管桩端阻力较小, 且长期稳定性差; (2) 管桩外表面非常光滑, 高密实度混凝土亲土性较差, 侧阻力较小, 特别是在饱和软土层中效果更差。这些缺陷制约了管桩的应用范围及效果。结合灌注桩后注浆技术提高桩基性价比的思路, 为了解决管桩存在的上述问题, 扩大应用范围、改善应用效果, 可以采用后注浆技术提高管桩承载力。由于现有管桩本身并不具备后注浆功能, 因此研制一种稳定可靠的后注浆器成为发展该技术的一项核心内容。现有的管桩后注浆器多数仅能单独实现桩侧后注浆或桩底后注浆^[23-31], 改善桩基承载性能的效果有限, 且管路设置复杂或凸出于管桩外侧, 施工难度大, 难以保证施工质量。为了确保管桩后注浆提高承载力的效果, 必须研制一种新的后注浆器。

经过多种后注浆器设计方案的对比分析, 确定了一种安全、稳定、可靠、造价低的方案, 并经过现场应用成功。

1 注浆器的设计 1.1 注浆器技术要求

为了注浆器的推广和应用, 注浆器必须具有两个关键要素:造价低与性能稳定。根据上述关键要素, 注浆器的设计技术要求还需具有如下基本特征:

(1) 采用钢筋混凝土制作;

(2) 设置逆止阀, 防止浆液回流;

(3) 出浆口能顺利打开, 确保注浆效果;

(4) 具有足够刚度, 避免施工过程中受损;

(5) 进浆管数量不多于2根, 设置在管桩内腔;

(6) 能根据需要进行桩底、桩侧或桩底和桩侧联合注浆的灵活选用。

1.2 设计方案优选

为了满足上述要求, 设计了3种结构形式的注浆器, 其设计参数见表 1。对3种注浆器进行对比分析, 并优选出一种注浆器进行优化设计。图 1为表 1对应的注浆器构造结构示意图。

对比上述3种注浆器构造结构的设计方案, 结构二注浆顺序为先桩底后桩侧, 先注桩底的方案, 由于桩侧和土体存在较大的空隙, 浆液较易涌入侧壁, 难以确保桩底浆液保有量。结构三为双管结构, 布管复杂、制作成本高。结构一先注桩侧, 可以在一定程度上减少桩底注浆时浆液扩散或渗入桩侧, 减少桩底浆液的耗散, 保证桩底注浆量, 因此综合分析结构一、结构二和结构三, 结构一更适合应用于桩底—桩侧联合注浆。

图 2是逆止阀构造及安装示意图, 图 3是注浆器的工作原理图, 结合图 2和图 3及具体实施方式对结构一的工作原理作进一步说明:

(1) 在注浆器内部预留注浆通道内设置逆止阀(图 2), 其中桩底逆止阀、桩侧逆止阀由螺纹、阀体、阀片、弹簧、进浆孔、出浆孔构成, 桩底逆止阀和桩侧逆止阀开启推力F=k·x, 其中k为弹簧弹性系数, x为弹簧压缩量, 桩底逆止阀和桩侧逆止阀通过调整k可以设置不同开启推力。

(2) 弹簧弹性系数k_桩侧 < k_桩底, 即逆止阀开启推力F_桩侧 < F_桩底。当注浆压力F_桩侧 < F_浆液 < F_桩底时, 桩侧逆止阀开启, 随即出浆口挡片打开, 浆液注入桩侧, 浆液量达到设计要求后(以注浆量控制为主, 注浆压力控制为辅。对于风化岩、非饱和黏性土及粉土, 注浆压力宜为3～10 MPa; 对于饱和土层注浆压力宜为1.2～4.0 MPa^[32]), 在注浆管内放入钢珠, 钢珠在自重作用下由主注浆通道进入变径, 桩侧注浆通道堵塞, 浆液停止。当注浆压力继续加大, F_桩底 < F_浆液时, 桩底逆止阀开启, 防堵塞在压力的作用下打开, 浆液注入预制空心桩底部。

2 注浆器结构优化 2.1 优化方案

结构优化需要合理地选择设计变量, 要根据具体情况综合考虑, 尽量挑选对设计结果影响较大的参数^[33-34], 因此对该注浆器主要进行配筋优化, 优化对象为主筋、箍筋数量和直径, 具体优化方案如表 2所示。各优化方案配筋图如图 4所示。

2.2 有限元模型

采用自由网格划分和concrete 65实体单元模拟注浆器^[35], 根据配筋图计算出注浆器纵向、横向配筋率加入到结构内部。建模过程中, 简化掉锥形底座上部导向凸台(注浆器与管桩连接时起导向作用, 压桩、注浆时该结构不受力), 简化前后结构如图 5所示。

为了使各方案得到相同的计算精度, 采用相同的网格划分密度, 最终离散出的节点数为4 179个, 单元数为3 560个, 如图 6所示。

注浆器压桩过程中与土体接触的部位主要是下部锥面, 因此约束注浆器上表面垂直位移, 在锥面上施加3 000 kN的力。

2.3 材料类型

混凝土的强度等级为C30, 配筋主要为一级圆钢和三级螺纹钢。

2.4 结果分析

《混凝土结构设计规范》中规定C30混凝土的轴心抗拉强度设计值为1.43 MPa^[36], 钢筋混凝土破坏主要是由混凝土结构承受拉力造成的, 因此注浆器整体受力时, 拉应力不应大于1.43 MPa。提取注浆器应力云图, 见图 7。

根据对4个模型的有限元分析, 得出了各优化方案的应力、变形结果, 相关数据汇总见表 3。

优化方案4拉应力为1.58 MPa, 大于混凝土的抗拉强度, 且结构的变形较大, 注浆器可能产生破坏而达不到后注浆的目的, 因此该方案被舍弃。优化方案1和优化方案2具有较大的安全系数, 浪费材料。在满足结构拉应力的范围内, 优化方案3的配筋形式能够最大程度的发挥钢筋和混凝土的优势, 不至于浪费钢筋, 因此优化方案3是经济效益最好的结构形式。

2.5 注浆性能验证

在注浆器内部注入3.6 MPa的浆液, 验证其受力变形条件。该结构为预埋注浆通道进行注浆的实施方案, 只要注浆通道在3.6 MPa浆液压力条件下不产生较大变形和破坏, 整体结构的稳定性将不受影响, 因此取注浆器内部一段注浆通道进行注浆压力验证。注浆通道由普通焊接钢管构成, 外径10 mm, 壁厚2 mm, 注浆通道结构如图 8所示。

对注浆通道进行网格划分, 采用四面体单元, 共划分17 640个节点, 9 535个单元, 约束注浆通道纵向轴线剖面处, 提取应力和变形云图, 见图 9。

根据注浆通道在浆液压力条件下的结果数据, 注浆通道所承受的最大应力为14.8 MPa, 远小于其屈服强度235 MPa。注浆通道的最大位移为161 μm, 变形极小, 刚度符合要求。

3 应用效果 3.1 场地概况

依托聊城市金柱绿城桩基工程, 在施工现场进行了管桩后注浆器的应用试验。试验场地位于聊城市光明路以南, 兴华西路以北, 场地所处地貌类型为鲁西黄河冲积平原地貌单元; 地面相对标高约-1.20 m; 地下水类型为第四系孔隙潜水, 水位埋深3.00 m。场地表层为杂填土, 其下依次为第四系粉土、粉质黏土、粉细砂, 如图 10所示。

3.2 试验桩简介

试验中管桩均采用PHC 400 AB 95, 如表 4所示。

考虑到现场条件和浆液扩散半径, 避免注浆和静载试验时相邻管桩相互影响, 管桩间距均大于6 m。按照桩位布置点, 采用全站仪放点, 将注浆器对准点位安放妥当, 具体安装过程如图 11所示。

注浆器安装完毕以后, 采用ZYJ680型静力压桩机进行管桩植入施工, 具体施工工艺与普通静压管桩相同。压桩完成后管桩所处地层如图 10所示, 相关数据汇总见表 5。

管桩静置28 d以后进行后注浆, 见表 6。

3.3 注浆体形态

对4#桩进行开挖, 观测其注浆体形态, 如图 12所示。注浆后的管桩呈现两头粗中间细的形态; 管桩底端水泥浆加固体直径约510 mm, 水泥浆加固体厚度约110 mm; 管桩顶端水泥浆加固体直径约515 mm, 水泥浆加固体厚度约115 mm。

分析管桩注浆体形态, 后注浆提高管桩承载力的机理包括以下3个方面:

(1) 桩端形成扩大头, 提高了管桩的端承力;

(2) 桩侧注浆改善了桩土界面, 增大了土层与管桩的握裹力;

(3) 管桩桩周土阻力提供承载力增大, 桩身材料强度进一步发挥。

3.4 后注浆效果

由于扩大头的设置, 管桩植入施工时, 管桩和桩侧土之间形成空隙, 注浆前管桩无侧阻力, 端阻力即为单桩承载力, 静载结果曲线如图 13所示。

对比注浆前后单桩竖向抗压极限承载力, 注浆后单桩竖向抗压极限承载力约为注浆前的1.3～2.0倍, 提高率为28.7％～103.4％, 相关数据汇总见表 7。

分析承载力与注浆量的关系, 单位质量水泥提高承载力幅度约0.6～4.1 kN／kg(表 8)。承载力提高率不仅和注浆量有关, 还和注浆器所处地层条件相关。根据表 5所示, 3#桩桩端位于粉细砂, 标贯击数20, 1#桩桩端位于粉质黏土, 标贯击数3, 尽管3#桩注入水泥量大于1#桩, 但承载力提高率小。

4 结 论

根据注浆器技术要求, 设计了三种不同注浆顺序及方式的桩底-桩侧联合注浆器, 通过分析比较优选出了一种注浆器进行优化, 最终得出了一种结构合理、性能稳定、制作简便的注浆器, 并在工程试验中成功应用, 得出以下结论:

(1) 研制的桩底-桩侧联合注浆器通过优化配筋率使结构形式更加合理、经济、可靠, 结构整体强度既能满足压桩要求, 又能满足注浆要求。

(2) 根据1#～3#桩承载力实测值, 承载力提高率不仅和注浆量有关, 还和注浆器所处地层条件相关, 地层越硬后注浆提高承载力效果越不明显。

(3) 根据工程试验应用结果, 研制的注浆器能够满足现场后注浆要求, 并显著改善桩基承载力, 对提高管桩性价比具有很好的效果。

今后将深入研究后注浆器对管桩侧阻、管桩端阻的提高效果, 以期为进一步改进注浆器提供依据。