随钻跟管桩的竖向承载性能及失效破坏性分析

随钻跟管桩是在克服传统 PHC 管桩成桩缺点基础上提出来的一种非挤土 PHC 管桩基础，实现了大直径 PHC 管桩钻孔、沉桩、排土同步进行，解决了管桩因桩径较大或土层较硬而造成的沉桩难题，对管桩损害小，且施工过程环保，无泥浆排放。本文通过一系列的不同桩型模型静载试验，考虑桩底沉渣的随钻跟管桩抗压静载试验，随钻跟管桩-注浆体-土体接触面剪切试验，注浆液流动性及扩散规律试验和基于三维扫描技术的精细化有限元数值模拟，对随钻跟管桩的竖向承载性能进行了分析与研究
第一章 绪论

1.1 研究背景

桩基础在提高地基承载力、预防沉降、加固土体围岩等方面具有明显的优势，被广泛应用于道路工程、桥梁工程以及港口工程中。目前常用的桩基础形式主要为钻孔灌注桩和 PHC 管桩。钻孔灌注桩具有承载力高、桩身尺寸容易控制以及施工噪音小等优点，但在施工过程中会排放大量泥浆，对环境造成影响。PHC 管桩因施工速度快、造价低、质量可靠等优点被广泛应用于软土地区。目前 PHC 管桩主要施工方式以锤击法和静压法为主，由于 PHC 管桩在施工过程中会产生挤土效应，导致传统 PHC 管桩的直径通常控制在 300~600 mm 范围内，属于中小直径管桩基础。由于中小直径管桩单桩极限承载力通常不超过 3500 kN，且挤土效应明显、施工噪音大，因而不适用于高层建筑、管线高密集地区[1]。鉴于 PHC 管桩的诸多优点，有必要推动大直径 PHC 管桩(直径≥800 mm)在工程中的应用。针对这种情况，广州市建筑科学研究院有限公司研制了随钻跟管桩成套设备及施工技术，并在工程中已逐步得到了应用[2-3]。随钻跟管桩是在克服传统 PHC 管桩成桩缺点基础上提出来的一种非挤土 PHC 管桩基础，实现了大直径 PHC 管桩钻孔、沉桩、排土的同步进行，解决了管桩因桩径较大或土层较硬而造成的沉桩难题，对管桩损害小，桩端可进入中、微风化岩层，单桩承载力高，且施工过程不需要用泥浆进行护壁、施工噪音低、绿色环保。随钻跟管桩的技术要点在于：通过在管桩内腔插入长螺旋钻杆进行无泥浆护壁钻孔，长螺旋钻杆钻头带有可伸缩的略大于管桩外径的钻头；在钻进过程中，预制管桩套在长螺旋钻杆外侧，与钻杆同时下沉，残渣土通过螺旋钻杆的叶片带出，管桩起到套管作用；钻进至设计标高后螺旋杆钻头反转收缩退出管桩，再通过预埋管桩内的注浆管对管壁与孔壁的间隙(约 2 cm)注入水泥浆，完成随钻跟管桩基础的施工。随钻跟管桩的主要施工步骤如图 1-1 所示，它耦合了传统灌注桩与 PHC 管桩的优点，机械化施工程度高、施工速度快，且施工过程不需要泥浆护壁，桩端可进入微风化岩层，能实现桩端嵌岩的目的，相比传统 PHC 管桩和钻孔灌注桩有着明显的优势，具有广阔的发展前景。

1.2 管桩基础的研究现状

1.2.1 中小直径管桩的研究现状

目前中小直径 PHC 管桩(直径 300~600 mm)的施工方法以静压法和锤击法为主，在施工过程中均会产生明显的挤土效应[4]。在渗透性较弱的饱和土和黏性土中，土体受到沉桩挤压时，土中应力主要由孔隙水压力承担，土体不能立即压缩，只能向周边移动，进而导致桩周土体产生竖向位移与水平位移，在靠近桩周处形成较大的孔隙水压力[5-7]，因此在建筑密集区或邻近隧道、管线等区域应用受到较大的限制。此外，由于施工过程噪音较大、且无法沉桩至较硬的岩层中，因而在大型工程中应用受到限制。虽然传统施工方法已难以满足现代工程对管桩基础高承载力的要求，但已有众多学者对传统 PHC管桩的相关物理力学性能进行研究。

第二章 不同成桩工艺对管桩承载性能影响试验研究

2.1 引言

随钻跟管桩具有承载性能高、成桩质量好、地层适应性广等优点，且施工过程环保，具有广阔的发展前景和工程应用价值。现阶段对随钻跟管桩的竖向承载性能进行的研究较少，有必要对其进行深入研究。工程现场的静载试验是确定桩基承载力、研究桩基承载变形性能最直接的方法，但由于试验周期长、成本高且易受到场地等因素限制，在科研领域中应用较少。因此，模型试验作为重要的研究方式被广泛采用，其试件可按照原型以一定比例缩小，对试验设备的要求相对较低，可通过重复试验来消除试验误差，使试验结果更准确。同时可根据试验需要来控制边界条件、桩土材料参数，在研究桩基础承载性能时具有较好的针对性和目的性，所获得的信息远比原型观测和静载试验多，使其成为研究桩基础承载性能中一个重要的方法[161-164]。宋林辉等[165]通过室内模型试验，对灌注桩桩底沉渣作用下群桩的承载性能及荷载传递机制进行了分析。赵春风等[166]基于室内模型试验，研究了泥浆循环时间对灌注桩的荷载与沉降关系、桩身轴力分布、桩身侧摩阻力分布的影响。程雪松等[167]在砂箱内采用 PVC 管作为模型桩，进行了开挖作用下的模型桩的破坏试验，确定了局部破坏下支护桩的荷载传递规律。

2.2 试验概况

2.2.1 试验装置

采用自主研制的试验模型箱进行试验研究，其中模型箱平面尺寸为 2.2×2.2 m，深度为 2.4 m，由壁厚 30 mm 的钢板焊接而成(如图 2-1 所示)，模型箱顶部设有可分离式反力架，与模型箱通过螺栓进行连接。桩顶加、卸载由液压千斤顶控制，通过设置在桩顶的高精度压力传感器和激光位移计量测桩顶荷载和位移，另外桩身应变采用东华静态应变测试系统采集（见图 2-2）。

第三章 考虑桩底沉渣的随钻跟管桩承载性能试验研究.................................................... 34

3.1 引言........................................................................................................................... 34

3.2 试验概况................................................................................................................... 35

3.3 试验结果及分析....................................................................................................... 38

3.4 桩侧注浆界面构造分析........................................................................................... 45

3.5 本章小结................................................................................................................... 46

第四章 随钻跟管桩桩-注浆体-土体接触面特性试验研究 ................................................. 47

4.1 引言........................................................................................................................... 47

4.2 试验概况................................................................................................................... 48

4.3 试验结果分析........................................................................................................... 54

4.4 接触面侧阻力作用机制分析................................................................................... 60

4.5 结论........................................................................................................................... 63

第五章 基于三维扫描技术的随钻跟管桩精细化模型重构及数值模拟............................ 64

5.1 引言........................................................................................................................... 64

5.2 三维扫描技术在桩基础工程中的应用................................................................... 65

5.3 基于三维扫描技术的随钻跟管桩承载性能数值分析........................................... 72

5.4 本章小结................................................................................................................... 91

第六章 随钻跟管桩注浆液流动及扩散规律试验研究........................................................ 93

6.1 引言........................................................................................................................... 93

6.2 试验方案................................................................................................................... 94

6.2.1 试验装置........................................................................................................ 94

6.2.2 试验流程........................................................................................................ 96

6.3 注浆效果分析........................................................................................................... 99

6.4 本章小结................................................................................................................. 104

第六章 随钻跟管桩注浆液流动及扩散规律试验研究

6.1 引言

桩基后注浆是指在成桩后，由预埋的注浆通道用高压注浆泵将一定压力的水泥浆注入桩端或桩侧土体，通过浆液对桩周土及桩端持力层起到渗透、填充、固结等作用来增强桩周土强度，从而达到提高桩基承载力、减少桩基沉降的技术措施。虽然随钻跟管桩的桩侧注浆技术属于后注浆范畴，但和传统的后注浆工艺依然有较大差异，源自其独特的施工工艺，使得随钻跟管桩桩身不会和土体直接接触，而是存在一个 20 mm 左右的桩-土间隙，随钻跟管桩的侧摩阻力主要依靠桩-土间隙内的注浆体提供，这对注浆材料和注浆工艺提出了更高的要求。随钻跟管桩桩侧注浆液沿着桩土环空间隙的流动扩散特征，以及沿着径向与土体发生的压密、渗透和劈裂等相互作用机理，直接影响着注浆体的三维空间分布形态及浆液的扩散范围，这最终决定了注浆效果及形成的桩侧摩阻力大小。图 6-1 为笔者所在团队开展随钻跟管桩注浆性能相关试验研究时采用不同注浆参数的注浆效果，二者所产生的桩侧摩阻力相差数倍。随钻跟管桩的注浆效果可由注浆体-土体接触面的强度以及浆液扩散面积来综合判定，它和注浆材料、注浆压力、注浆工艺等密切相关。虽然国内外学者对浆液在土体中的渗透及扩散规律进行了深入研究[207-209]，但随钻跟管桩施工工艺较为特殊，这些成果在随钻跟管桩的适用性还有待研究。本章通过可视化桩侧后注浆试验，研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动及扩散规律，并分析水灰比、注浆压力等因素对随钻跟管桩注浆效果的影响，研究成果可为优化随钻跟管桩注浆工艺和关键注浆参数，提升随钻跟管桩承载性能提供参考。

第七章 结论与展望

随钻跟管桩是在克服传统 PHC 管桩成桩缺点基础上提出来的一种非挤土 PHC 管桩基础，实现了大直径 PHC 管桩钻孔、沉桩、排土同步进行，解决了管桩因桩径较大或土层较硬而造成的沉桩难题，对管桩损害小，且施工过程环保，无泥浆排放。本文通过一系列的不同桩型模型静载试验，考虑桩底沉渣的随钻跟管桩抗压静载试验，随钻跟管桩-注浆体-土体接触面剪切试验，注浆液流动性及扩散规律试验和基于三维扫描技术的精细化有限元数值模拟，对随钻跟管桩的竖向承载性能进行了分析与研究，可以得出以下结论：

(1) 通过不同成桩工艺下管桩的承载性能模型试验结果可知，成桩工艺不同导致不同桩型的极限承载力存在明显的差异，均质砂土环境下，随钻跟管桩的极限承载力最大，比中掘管桩高 19%以上，锤击管桩最小。

(2) 在中密砂地层中，挤土桩的挤土效应较小，锤击管桩与中掘管桩的侧摩阻力不能得到有效的提高，而桩侧注浆的随钻跟管桩，其侧摩阻力更大；随钻跟管桩属于端承摩擦桩，完全填芯的随钻跟管桩由于填芯效应，其侧摩阻力发挥更为明显，侧摩阻力发挥与填芯高度有关。极限状态时完全填芯的随钻跟管桩承载力和侧摩阻力比填芯 400mm 的工况提升 11%和 8%。

(3) 通过考虑桩底沉渣的随钻跟管桩抗压承载性能试验可知，桩底沉渣的存在使得桩侧摩阻力的发挥更为显著，但是靠近桩端附近却有所削弱，且沉渣厚度越厚，削弱的程度越明显。桩底无沉渣的随钻跟管桩，当承载力达到极限状态时，其沿深度方向的桩身轴力是同步增大的，而带有桩端扩大头的随钻跟管桩轴力呈现上部增大较大、下部增大较小的情况。当桩底存在沉渣时，随钻跟管桩的桩身轴力分布表现为上部较大，靠近桩端处接近于 0。