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摘 要：单桩沉降量的计算与分析在理论上有荷载传递法、剪切位移法、弹性理论法和分层总合法等，本文通过分层总合法分析在钻孔灌注桩端注浆后桩的沉降影响因素，并以一个工程为背景，建立单桩的ANSYS有限元模型，分别对未注浆桩、注浆桩浆泡尺寸大小、注浆桩的注浆模量的变化等情况的分析，得出关于钻孔灌注桩桩端后注浆沉降的影响因素和主要原因，得出一些有益的结论。
关键词：钻孔灌注桩； 注浆浆泡； 模量； 沉降量
Abstract： The calculation and analysis of pile settlement amount of load transfer in theory， shear displacement method， elastic theory method and stratified total legal， etc. In this paper， the overall legal analysis stratified in Bored pile grouting the settlement factors， and an engineering background， build ANSYS finite element model of single pile， respectively， did not pile grouting， grouting pile analysis slurry bubble size， grouting grouting pile modulus change the situation ， and the main factors draw on bored pile grouting settlement， draw some useful conclusions.
Key words： Bored； grouting slurry bubble； modulus； settlement
引言
鉆孔灌注桩由于施工导致存在桩侧的泥皮问题和桩端的沉渣问题，这些问题导致桩在上部荷载的作用下沉降量过大，致使整个结构体失效。在桩端和桩侧注浆能解决和克服上述问题，即能够提高单桩竖向承载力和减小桩的沉降，但是，由于该项技术刚刚兴起，其理论尚不成熟，特别是对于桩的沉降方面的研究很少。因此，对钻孔灌注桩桩端注浆沉降方面的研究很有理论和实际意义。本文运用分层总合法理论对桩端后注浆钻孔灌注桩沉降的分析，并运用ANSYS有限元软件进行验证。
1.注浆单桩的分层总合法
分层总合法是根据各土层的参数分别计算岩土各层的沉降然后求各层沉降之和以得到总的沉降量。这个方法是计算建筑物总终沉降量的较为简便的方法，在传统的桩基设计中，对于大直径的单桩，考虑到其桩侧摩阻力的荷载分担比相对较小，桩端底面积大且荷载分担比较大，因此，可仿照浅基础采用分层总合法计算沉降，在应用分层总合法计算单桩沉降时，两者有细微的差别。
1.1 与浅基础不同，单桩的桩侧摩阻力占有一定的荷载分担比，按土力学理论，假设桩侧摩阻力以 角扩散到桩尖平面，形成直径为 的原面荷载，并认为轴向压力均匀分布在圆内，因此得到下面公式：
由于桩端注浆，这样在桩端形成一个较大尺寸的大头，这样，可以用扩大头D带入上述公式中，替代d。
1.2 单桩沉降存在一个桩间土的耦合问题，而且单桩沉降还包括桩身压缩，这些都是浅基础沉降分析不需要考虑的。
1.3 单桩沉降的机理和影响因素远比浅基础复杂，因此，在应用分层总合法进行沉降分析时要具体问题具体分析。
采用分层总合法计算单桩的最终沉降量时，根据大直径桩的特点，对计算参数做适当改变，即：
从公式1、2、3中分析可知，在其它条件不变的情况下，桩的沉降与桩端的d有很大关系，当d增加时，桩的底面积A增大，这样桩端的附加压力 就会减小， 与S成正比例关系，桩的沉降 随之减小。因此，对于一般未注浆的钻孔灌注桩来说，桩径为d，桩体在受到上部荷载作用下发生沉降，沉降量为某一个值，但由于桩端沉渣和桩侧泥皮问题，导致桩的沉降量要大于按上述公式计算出来的结果。对于注浆桩体来说，一方面，注入的浆液沿着桩侧向上爬升，这样可以就可以将桩体和桩周围的土体结合成一体，增加了侧摩阻力，另一方面，注入的浆液可以被挤压入到桩底的沉渣中，这样就改善了桩端土的力学性质，增加的桩端土的模量，实际上就是解决的桩端的沉渣问题，同时，由于注浆压力比较大，注入的浆液可以被压入到桩端周围的土体中，形成一个扩大头，通过公式1可知，桩端d与桩的底面积A成正比，当d增大时，桩的底面积A也增大，而公式3中的桩端的附加压力 与桩的底面积A成反比，当桩的底面积A增大时，桩端的附加压力 减小，那么计算出的沉降就会减小，钻孔灌注桩后注浆形成的扩大头与施工中在桩端形成的扩大头有一些差别，施工中在桩端形成扩大头不能解决桩侧的泥皮和桩端的沉渣问题。而桩端经过注浆后桩侧阻力不但没减小反倒增加，另一方面，桩端形成的扩大头能够完全和桩端周围土体形成一体，这样，注浆桩的沉降减小要比施工中在桩端形成的扩大头效果要好。
2.有限元模型分析注浆桩的沉降
2.1有限元模型的建立
模型的计算参数，对于单桩，桩、土、浆泡均采用节点SOLID42单元；网格由程序自动完成，在桩顶和桩端进行网格加密；模型大小取40.8*80.1m。桩径为0.8m，桩长按与实际工程的载荷试验桩长一致，取58.1m。边界条件为：两侧边均无水平位移，底边完全固定。
2.2 材料参数
桩体假设为各向同性弹性体，土的本构模型采用Drucker-Prager模型，计算采用的各材料的力学参数见桩模型设计参数表所示，对某些参数进行影响作用分析时，它的取值有所变化。 3.桩的沉降对比分析
3.1 浆泡扩散尺寸的大小对沉降性状的影响
通过图1可知：在相同荷载作用下，桩端未注浆的桩体沉降量最大，当桩端注浆后，桩体的沉降明显减小，这主要是未注浆时，桩端存在大量沉渣，形成大量浮土，在荷载作用下，桩体迅速下沉，导致沉降增大，当桩端注浆后，桩端沉渣中注入大量浆液，浆液和沉渣形成一体，这样桩端下土体的模量增加，在受到荷载作用下，桩体下沉到一定阶段后遇到模量较大的浆泡体上，桩体下沉减小。随着桩体浆泡逐渐增大时，桩的沉降量逐渐减小，而且沉降量减小比较明显，这主要是因为随着浆泡扩散尺寸的增大，相当于在桩端形成的扩大头尺寸增大，桩的沉降因此减小，但尺寸到了一定时候，沉降减小的幅度逐渐减小。
3.2 浆泡模量大小对沉降性状的影响
通过图2可知：未注浆桩体沉降量很大。随着桩端后注浆浆泡模量的增加，桩体总的沉降逐渐减小，这是由于桩端浆液的注入使得桩侧的泥皮效应和桩端的沉渣问题得到根本的改变，使得桩端土体的模量增加，桩的沉降因此减小，但随着桩端注浆体模量增加，沉降量减小的幅度越来越小，也就是说，桩端浆泡模量达到一定值后，浆泡模量的增加并不能对桩端沉降降低幅度起到明显作用。造成这种结果的主要原因是形成的漿泡在桩端形成一个扩大头，当这个扩大头的模量提高到一定，桩在受到上部荷载作用时，桩的沉降量的的大小取决于浆泡周围土体模量的大小。
没有注浆 浆泡模量为80Mpa 浆泡模量为200Mpa 浆泡模量为300Mpa 浆泡模量为400Mpa
3.结论
由以上分析可得以下结论：
1）钻孔灌注桩桩端注浆后，按照分层总合法公式进行分析得出，桩的沉降量减小的原因在于桩端形成一个扩大头，这样，桩的截面积增加，导致桩端附加应力减小，从而沉降减小。
2）分析了注浆桩和扩底桩的区别和实质。得出注浆桩体的沉降幅度小于同尺寸的扩底桩。
3）通过有建立有限元模型分析验证了浆泡尺寸的大小和桩端注浆浆泡模量的大小对沉降产生的影响。
总之，桩端注浆对桩体沉降是非常有效的一种方法，浆泡尺寸和浆泡模量的等因素对对桩体沉降桩的沉降起决定性的因素。
参考文献
[1] 张忠苗.桩基工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007
[2] 张忠苗、辛公锋.不同持力层钻孔桩桩底后压浆应用效果分析[J].建筑结构学报.Vol.23.No.6.Dec.2002
[3] 郝哲、王来贵、刘斌.岩体注浆理论与应用[M].北京：地质 出版社，2006.
[4] 刘强华等.渗透注浆扩散理论探讨[J].重庆交通学院学报，2006.25（5）：105-108
[5] 汪鹏程、朱向荣、方鹏飞.考虑土应变软化及剪胀特性的大应变球孔扩张的问题[J].水利学报，2004（9）：78-82
[6] Zhang，Yaonian，Yiming Gong，Chun Liu，et al.Behavior of large bored piles in Fuzhou[J].Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 1993， 3： 584-589
[7] 王志辉、孙东方、呆树生.桩端点源驱水渗透注浆分析[J].山东交通学院学报.Vol.12 No.3，sep.2004
[8] 杨秀竹、雷金山、夏力农等.幂律型浆液扩散半径研究[J].岩土力学，2005，26（11）：1803-1806
[9] 刘金砺、祝经成.泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用[J].建筑科学，1996，（2）：13-18
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【文章编号】1627-6868（2017）05-0016-03
【作者简介】吴斌（1979-），男，浙江义乌人，工程师，长期从事岩土工程勘察和设计工作。
关键词：钻孔灌注桩； 注浆浆泡； 模量； 沉降量
Abstract： The calculation and analysis of pile settlement amount of load transfer in theory， shear displacement method， elastic theory method and stratified total legal， etc. In this paper， the overall legal analysis stratified in Bored pile grouting the settlement factors， and an engineering background， build ANSYS finite element model of single pile， respectively， did not pile grouting， grouting pile analysis slurry bubble size， grouting grouting pile modulus change the situation ， and the main factors draw on bored pile grouting settlement， draw some useful conclusions.
Key words： Bored； grouting slurry bubble； modulus； settlement
引言
鉆孔灌注桩由于施工导致存在桩侧的泥皮问题和桩端的沉渣问题，这些问题导致桩在上部荷载的作用下沉降量过大，致使整个结构体失效。在桩端和桩侧注浆能解决和克服上述问题，即能够提高单桩竖向承载力和减小桩的沉降，但是，由于该项技术刚刚兴起，其理论尚不成熟，特别是对于桩的沉降方面的研究很少。因此，对钻孔灌注桩桩端注浆沉降方面的研究很有理论和实际意义。本文运用分层总合法理论对桩端后注浆钻孔灌注桩沉降的分析，并运用ANSYS有限元软件进行验证。
1.注浆单桩的分层总合法
分层总合法是根据各土层的参数分别计算岩土各层的沉降然后求各层沉降之和以得到总的沉降量。这个方法是计算建筑物总终沉降量的较为简便的方法，在传统的桩基设计中，对于大直径的单桩，考虑到其桩侧摩阻力的荷载分担比相对较小，桩端底面积大且荷载分担比较大，因此，可仿照浅基础采用分层总合法计算沉降，在应用分层总合法计算单桩沉降时，两者有细微的差别。
1.1 与浅基础不同，单桩的桩侧摩阻力占有一定的荷载分担比，按土力学理论，假设桩侧摩阻力以 角扩散到桩尖平面，形成直径为 的原面荷载，并认为轴向压力均匀分布在圆内，因此得到下面公式：
由于桩端注浆，这样在桩端形成一个较大尺寸的大头，这样，可以用扩大头D带入上述公式中，替代d。
1.2 单桩沉降存在一个桩间土的耦合问题，而且单桩沉降还包括桩身压缩，这些都是浅基础沉降分析不需要考虑的。
1.3 单桩沉降的机理和影响因素远比浅基础复杂，因此，在应用分层总合法进行沉降分析时要具体问题具体分析。
采用分层总合法计算单桩的最终沉降量时，根据大直径桩的特点，对计算参数做适当改变，即：
从公式1、2、3中分析可知，在其它条件不变的情况下，桩的沉降与桩端的d有很大关系，当d增加时，桩的底面积A增大，这样桩端的附加压力 就会减小， 与S成正比例关系，桩的沉降 随之减小。因此，对于一般未注浆的钻孔灌注桩来说，桩径为d，桩体在受到上部荷载作用下发生沉降，沉降量为某一个值，但由于桩端沉渣和桩侧泥皮问题，导致桩的沉降量要大于按上述公式计算出来的结果。对于注浆桩体来说，一方面，注入的浆液沿着桩侧向上爬升，这样可以就可以将桩体和桩周围的土体结合成一体，增加了侧摩阻力，另一方面，注入的浆液可以被挤压入到桩底的沉渣中，这样就改善了桩端土的力学性质，增加的桩端土的模量，实际上就是解决的桩端的沉渣问题，同时，由于注浆压力比较大，注入的浆液可以被压入到桩端周围的土体中，形成一个扩大头，通过公式1可知，桩端d与桩的底面积A成正比，当d增大时，桩的底面积A也增大，而公式3中的桩端的附加压力 与桩的底面积A成反比，当桩的底面积A增大时，桩端的附加压力 减小，那么计算出的沉降就会减小，钻孔灌注桩后注浆形成的扩大头与施工中在桩端形成的扩大头有一些差别，施工中在桩端形成扩大头不能解决桩侧的泥皮和桩端的沉渣问题。而桩端经过注浆后桩侧阻力不但没减小反倒增加，另一方面，桩端形成的扩大头能够完全和桩端周围土体形成一体，这样，注浆桩的沉降减小要比施工中在桩端形成的扩大头效果要好。
2.有限元模型分析注浆桩的沉降
2.1有限元模型的建立
模型的计算参数，对于单桩，桩、土、浆泡均采用节点SOLID42单元；网格由程序自动完成，在桩顶和桩端进行网格加密；模型大小取40.8*80.1m。桩径为0.8m，桩长按与实际工程的载荷试验桩长一致，取58.1m。边界条件为：两侧边均无水平位移，底边完全固定。
2.2 材料参数
桩体假设为各向同性弹性体，土的本构模型采用Drucker-Prager模型，计算采用的各材料的力学参数见桩模型设计参数表所示，对某些参数进行影响作用分析时，它的取值有所变化。 3.桩的沉降对比分析
3.1 浆泡扩散尺寸的大小对沉降性状的影响
通过图1可知：在相同荷载作用下，桩端未注浆的桩体沉降量最大，当桩端注浆后，桩体的沉降明显减小，这主要是未注浆时，桩端存在大量沉渣，形成大量浮土，在荷载作用下，桩体迅速下沉，导致沉降增大，当桩端注浆后，桩端沉渣中注入大量浆液，浆液和沉渣形成一体，这样桩端下土体的模量增加，在受到荷载作用下，桩体下沉到一定阶段后遇到模量较大的浆泡体上，桩体下沉减小。随着桩体浆泡逐渐增大时，桩的沉降量逐渐减小，而且沉降量减小比较明显，这主要是因为随着浆泡扩散尺寸的增大，相当于在桩端形成的扩大头尺寸增大，桩的沉降因此减小，但尺寸到了一定时候，沉降减小的幅度逐渐减小。
3.2 浆泡模量大小对沉降性状的影响
通过图2可知：未注浆桩体沉降量很大。随着桩端后注浆浆泡模量的增加，桩体总的沉降逐渐减小，这是由于桩端浆液的注入使得桩侧的泥皮效应和桩端的沉渣问题得到根本的改变，使得桩端土体的模量增加，桩的沉降因此减小，但随着桩端注浆体模量增加，沉降量减小的幅度越来越小，也就是说，桩端浆泡模量达到一定值后，浆泡模量的增加并不能对桩端沉降降低幅度起到明显作用。造成这种结果的主要原因是形成的漿泡在桩端形成一个扩大头，当这个扩大头的模量提高到一定，桩在受到上部荷载作用时，桩的沉降量的的大小取决于浆泡周围土体模量的大小。
没有注浆 浆泡模量为80Mpa 浆泡模量为200Mpa 浆泡模量为300Mpa 浆泡模量为400Mpa
3.结论
由以上分析可得以下结论：
1）钻孔灌注桩桩端注浆后，按照分层总合法公式进行分析得出，桩的沉降量减小的原因在于桩端形成一个扩大头，这样，桩的截面积增加，导致桩端附加应力减小，从而沉降减小。
2）分析了注浆桩和扩底桩的区别和实质。得出注浆桩体的沉降幅度小于同尺寸的扩底桩。
3）通过有建立有限元模型分析验证了浆泡尺寸的大小和桩端注浆浆泡模量的大小对沉降产生的影响。
总之，桩端注浆对桩体沉降是非常有效的一种方法，浆泡尺寸和浆泡模量的等因素对对桩体沉降桩的沉降起决定性的因素。
参考文献
[1] 张忠苗.桩基工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007
[2] 张忠苗、辛公锋.不同持力层钻孔桩桩底后压浆应用效果分析[J].建筑结构学报.Vol.23.No.6.Dec.2002
[3] 郝哲、王来贵、刘斌.岩体注浆理论与应用[M].北京：地质 出版社，2006.
[4] 刘强华等.渗透注浆扩散理论探讨[J].重庆交通学院学报，2006.25（5）：105-108
[5] 汪鹏程、朱向荣、方鹏飞.考虑土应变软化及剪胀特性的大应变球孔扩张的问题[J].水利学报，2004（9）：78-82
[6] Zhang，Yaonian，Yiming Gong，Chun Liu，et al.Behavior of large bored piles in Fuzhou[J].Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 1993， 3： 584-589
[7] 王志辉、孙东方、呆树生.桩端点源驱水渗透注浆分析[J].山东交通学院学报.Vol.12 No.3，sep.2004
[8] 杨秀竹、雷金山、夏力农等.幂律型浆液扩散半径研究[J].岩土力学，2005，26（11）：1803-1806
[9] 刘金砺、祝经成.泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用[J].建筑科学，1996，（2）：13-18
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【文章编号】1627-6868（2017）05-0016-03
【作者简介】吴斌（1979-），男，浙江义乌人，工程师，长期从事岩土工程勘察和设计工作。