注浆法基础沉降控制技术仿真研究

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　　摘要：旧桥加宽改造工程中，新、旧桥基础差异沉降过大将会引起许多工程病害，不但影响工程工期，还会影响桥梁整体加宽效果，甚至影响桥梁正常运营和行车安全。本文结合工程实际，利用有限元软件进行仿真，分析注浆法在基础沉降中的控制效果。研究成果可以为其他桥梁工程运用注浆法来控制基础沉降提供参考。
　　关键词：注浆法；桥梁工程；沉降控制；有限元仿真
　　
　　
　　Grouting method base settlement control technology simulation
　　Gao Xiao-ming1，Xu Yan-wei2，Yu Wen-chao2
　　（1. Wuxi municipal design institute Co., LTD, Wuxi,214000;2.Jiangsu Bochuang Project Designing Institute Ltd., Yixing,214200）
　　Abstract: In bridge of widening, The new bridge foundation settlement, will cause many projects have disease, Not only influence the construction period, also affect the overall effect of bridge, Even affect the normal operation and safety bridge. In combination with the engineering practice, using finite element software simulation, analysis of the subsidence control effect of grouting method. Research results can be used for other bridge construction control method of settlement of foundation grout reference.
　　Keywords: Grouting method; Bridge engineering; Subsidence control; The finite element simulation
　　
　　
　　 旧桥加宽改造完工后，由于过桥车辆荷载的加重以及自身荷载的影响，新加宽的桥梁基础会随时间的推移继续产生沉降，若新基础工后产生的沉降量过大，则会使新、旧桥基础沉降差过大，进而会引起新、旧桥连接出产生工程病害或使基础产生沉陷、墩台出现倾斜和过大的裂缝，从而影响新、旧桥的整体工作性能，严重时会影响桥梁的正常使用甚至危害行车安全。为确保行车安全，延长旧桥加宽后桥梁使用寿命，对旧桥加宽工后沉降控制技术的研究有十分重要的意义。
　　 根据旧桥的具体情况和结构物的特点，沉降控制技术和方法主要有：地基加固、扩大基础、增补桩基和减轻荷载。其中最为常用的是地基加固（注浆法），该方法是利用液压、气压或电化学原理通过注浆管把浆液均匀地注入桥梁基础地基中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，浆液将原来松散的土颗粒或破碎体胶结成一个整体，从而改善桩侧和桩端土的性质，提高桩侧摩阻力和桩端阻力，加固地基，提高桩基承载力。按照注浆位置不同，桥梁桩基的注浆技术可分为桩侧注浆和桩端注浆。
　　1工程概况
　　 为了分析各种基础差异沉降控制技术的处置效果，本文结合某高速公路上一座需拼宽改造大桥的实际情况，桥梁地质情况及土层计算参数如下。
　　大桥物理力学指标分层统计表 表1
　　土层编号 土层
　　名称 含水量 湿密度 干密度 塑性指数 液性指数 压缩模量 压缩系数 内摩擦角 粘聚力 摩阻力 容许承载力
　　 C
　　 （%） kN/m3 kN/m3 MPa MPa-1 ° kPa kPa kPa
　　1 亚砂土 20.30 20.7 16.7 5.7 0.56 16.00 0.11 34.3 21.00 35 200
　　2 细砂 15.4 21.5 18.6 23.6 0.06 45 200
　　3 亚砂土 20.30 20.7 16.7 5.7 0.56 16.00 0.11 34.3 21.00 35 200
　　4 亚粘土 23.50 20.2 16.40 11.9 0.33 9.20 0.20 13.3 69.00 80 280
　　5 粉砂 18.10 21.8 18.50 - - 28.70 0.05 - - 55 200
　　6 亚粘土 19.8 20.8 17.30 11.0 0.21 7.90 0.21 21.0 87.00 55 260
　　2模型建立与计算参数选取
　　2.1 模型建立
　　 计算模型包括几何模型和材料模型，模型选用得当与否，将直接影响到计算结果的精度及对实际真实受力情况的反映程度。
　　 桩基础的工作机理及承载特性实际上是桩－土共同作用的反映。桩的受力属半空间无限体，它与其四周和底部的土都发生作用，因此，要合理、准确地分析桩－土共同作用时表现出的力学性状，采用三维空间模型是最合理的。
　　2.2 参数选取
　　 实际地基加固过程中，由于土的工程特性差异的影响，注浆时对同一种土而言，注浆材料、注浆压力及注浆施工工艺等不同，会导致被加固部分土的工程性质及力学参数的差异，从而导致桩基承载力的不同。模型选取不同压缩模量下注浆材料的桩侧和桩端注浆效果作为研究对象。
　　3注浆法基础沉降控制技术仿真分析
　　3.1 桩侧注浆
　　 将旧桩、未注浆桩（新桩）和不同桩侧注浆工况下计算得桩基P-S曲线及承载力情况进行对比。
　　桩侧注浆桩基承载力对比表2
　　模量
　　（MPa） 极限承载力（kN） 桩侧摩阻力 桩端阻力
　　 （kN） （%） （kN） （%）
　　未注浆 13110 9000 68.6 4110 31.4
　　旧桩 13920 9390 67.2 4530 32.8
　　200 18200 14000 76.9 4200 23.1
　　300 19200 15000 78.1 4200 21.9
　　400 19650 15400 78.4 4250 21.6
　　500 19700 15500 78.7 4200 21.3
　　注：“200、300、400、500”分别为注浆材料的压缩模量。
　　
　　图1桩基承载力情况变化曲线
　　 桩侧注浆后桩基P-S曲线为缓变型，注浆体模量增大，桩的承载能力相应提高，见表2，当桩侧注浆体模量由300MPa提高到500MPa时，桩基极限承载力变化较小。桩侧注浆体模量为200MPa、300MPa、400MPa、500MPa时极限承载力分别比未注浆时提高了38.8%、46.5%、49.9%和50.3%。从中可以看出，桩侧注浆使桩基承载能力提高，但提高程度是有限的，当桩侧土体加固到一定程度后，改变注浆功和注浆材料，桩基极限承载力不再增大。

　　 从表2和图1可以看出，桩侧注浆体模量为200MPa、300MPa、400MPa、500MPa时桩侧阻力分别比未注浆时提高了55.5%、66.7%、91.1%和72.2%，桩端阻力也有所提高，但提高程度很小。随着桩侧注浆体模量的提高，桩侧阻力占极限承载力比例逐渐变大，桩端阻力占极限承载力的比例有所降低。
　　3.2 桩端注浆
　　 对旧桥桩基、未注浆桩（新桩）和不同桩端注浆工况下桩基P-S曲线及承载力情况进行对比。
　　桩端注浆桩基承载力对比 表3
　　模量（MPa） 极限承载力（kN） 桩侧摩阻力 桩端阻力
　　 （kN） （%） （kN） （%）
　　未注浆 13110 9000 68.6 4110 31.4
　　旧桩 13920 9390 67.2 4530 32.8
　　200 14000 9420 67.3 4580 32.7
　　300 14600 9700 66.4 4900 33.6
　　400 15200 9900 65.1 5300 34.9
　　500 15400 10100 65.6 5300 34.4
　　
　　图2桩基承载力情况变化曲线
　　 桩端注浆后桩基P-S曲线为缓变型，注浆桩承载弹性区间较大，且随着注浆体模量的增加，弹性区间变大，桩的承载能力相应提高，见表3，但当桩端注浆体模量由400MPa提高到500MPa时，极限承载力的增量较小，仅为200kN，桩端注浆体模量为200MPa、300MPa、400MPa、500MPa时极限承载力分别比未注浆时提高了6.8%、11.4%、15.9%和17.5%。从中可以看出，桩端注浆使桩基承载能力提高，但提高幅度并不是无限的，当桩端土体加固到一定程度后，改变注浆功和注浆材料，桩基极限承载力提高幅度降低。
　　 从表3和图2中可以看出，桩端注浆体模量为200MPa、300MPa、400MPa、500MPa时桩端阻力分别比未注浆时分别提高了11.4%、19.2%、29%和29%，桩侧阻力分别比未注浆时提高了4.7%、7.8%、10%和12.2%，这说明桩端注浆使桩端阻力和桩侧阻力都有所提高，但桩端阻力的提高量是有限的，当注浆体模量大于或等于400MPa时，端阻力5300kN基本不变，但桩侧阻力仍略有提高。无论桩端注浆体模量如何变化，桩端和桩侧极限摩阻力与极限承载力之比的变化幅度都不是很大。
　　4小结
　　 对桥梁基础桩侧和桩端注浆进行仿真，分析其基础沉降控制效果，得出以下结论：
　　 （1）桩侧注浆主要提高桩基的桩侧摩阻力，从而使桩基承载能力提高，但提高程度是有限的，当桩侧土体加固到一定程度后，改变注浆功和注浆材料，桩基极限承载力不再增大。
　　 （2） 桩端注浆主要通过提高桩基的桩端阻力使桩基承载能力提高，但提高程度并不是无限的，当桩端土体加固到一定程度后，改变注浆功和注浆材料，桩基极限承载力提高幅度降低。
　　 （3）在实际工程中，桩侧和桩端注浆对对桩基承载能力的提高是有限的，并不能一味通过注浆功或改变注浆材料提高桩基承载力。
　　
　　
　　参考文献：
　　 [1] 交通部标准《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）[S]．北京：人民交通出版社，2004
　　[2] 交通部标准《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）[S]．北京：人民交通出版社，2000
　　 [3] 陈火红．Marc有限元实例分析教程[M]．北京：机械工业出版社，2003
　　 [4] 何旭辉等．挖孔桩注浆提高承载力的试验研究[J]．长沙铁道学院学报，2001（1）
　　[5] 曾友金，章为民等．基桩有效桩长几个问题的探讨[J]．岩土力学，2003,24（3）：529-534
　　[6] 王梅，洪毓康．成层土中群桩沉降计算及分析[J]．岩土工程师，1990，2（3）：8-14
　　[7] 杨敏，赵锡宏．分层土中的单桩分析法[J]．同济大学学报，1992，20（4）：421-425
　　 [8] 杨克己等．基础－桩－土共同作用的性状与承载力研究[J]．岩土工程学报，1988，10（1）：30-36
　　 [9] 陈开旭，关安峰，鲁亮．采用有厚度接触单元对桩基沉降的研究[J]．岩土力学，2003，21（l）：92-96
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