浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2024, 58(11): 2376-2383 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.11.019

土木工程、交通工程

带扩大桩靴桩侧同步灌浆桩成桩过程试验研究

耿少寒,, 孙梵, 吴君涛,, 王奎华, 杨萤, 干钢

1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058

2. 浙江大学 平衡建筑研究中心，浙江 杭州 310063

3. 浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310027

4. 浙江大地勘测设计有限公司，浙江 杭州 310030

5. 中天建设集团有限公司，浙江 杭州 310016

Experimental study on pile driving process of grouted enlarged toe pile

GENG Shaohan,, SUN Fan, WU Juntao,, WANG Kuihua, YANG Ying, GAN Gang

1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Center for Balance Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310063, China

3. The Architecture Design and Research Institute of Zhejiang University Limited Company, Hangzhou 310027, China

4. Zhejiang Dadi Geological Survey and Design Limited Company, Hangzhou 310030, China

5. Zhongtian Construction Group Limited Company, Hangzhou 310016, China

通讯作者: 吴君涛，男，研究员. orcid.org/0000-0001-9092-401X. E-mail: wujuntao31@126.com

收稿日期: 2023-09-4  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（52108349，52178358）；浙江省自然科学基金探索项目（LTGG24E080001）.

Received: 2023-09-4  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（52108349，52178358）；浙江省自然科学基金探索项目（LTGG24E080001）.

作者简介 About authors

耿少寒（2000—），女，博士生，从事桩基工程的研究.orcid.org/0009-0006-3320-2241.E-mail：gengshaohan2000@126.com , E-mail：gengshaohan2000@126.com

摘要

针对新型带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩基础的施工成桩过程，开展透明土模型的试验研究. 相较于传统预制桩，新桩型成桩完成后，端部扩大桩靴结构及桩周固化后的水泥浆液可以明显提升基桩端阻力和侧摩阻力，使得该新桩型具有较高的抗拔能力. 通过透明土材料Laponite RD模拟软黏土施工环境，分别针对常规预制桩、带扩大桩靴预制桩及带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩开展对比模型试验，采用粒子图像测速（PIV）技术进行成桩施工过程的可视化后处理，以探明该新桩型的成桩过程机理，为新桩型的进一步推广应用提供理论支撑. 研究结果表明，新桩型施工挤土位移场的分布形式不同于常规预制桩，呈涡旋状，挤土位移的影响范围小于桩靴同直径的预制桩. X、Y方向的位移云图显示，扩大桩靴结构和同步灌浆施工技术使得桩周土体表面及内部施工扰动的影响范围更小，这对于挤土型桩基施工而言是十分有益的.

关键词： 扩大桩靴 ; 桩侧灌浆 ; 透明土 ; 成桩机理 ; 施工挤土

Abstract

The transparent soil model test was conducted for the construction process of a new grouted enlarged-toe (GET) precast pile. The end resistance and side friction resistance can be significantly improved because of the expansion of the enlarged toe structure at the end and the solidification of the cement slurry around the pile, which makes the new pile type have higher uplift resistance compared with traditional prefabricated piles. Then the transparent soil material Laponite RD was used to simulate the construction environment of soft clay, and comparative model tests were conducted on conventional precast piles, precast piles with enlarged toe, and grouted enlarged-toe (GET) precast pile. Particle image velocimetry (PIV) technology was used to visualize the post processing of the pile construction process in order to explore the mechanism of the pile formation process of the new pile and provide theoretical support for the further promotion and application. Results showed that the distribution of soil displacement field in the construction of new pile types was different from that of conventional prefabricated piles, showing a vortex shape. The influence range was reduced by the enlarged toe structure and synchronous grouting technology of surface and internal construction disturbances on the soil surrounding pile, which is very beneficial for the construction of squeezed soil pile foundations.

Keywords： enlarged-toe ; side grouting ; transparent soil ; pile driving mechanism ; construction squeezing

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本文引用格式

耿少寒, 孙梵, 吴君涛, 王奎华, 杨萤, 干钢. 带扩大桩靴桩侧同步灌浆桩成桩过程试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2024, 58(11): 2376-2383 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.11.019

GENG Shaohan, SUN Fan, WU Juntao, WANG Kuihua, YANG Ying, GAN Gang. Experimental study on pile driving process of grouted enlarged toe pile. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2024, 58(11): 2376-2383 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.11.019

随着工程实践的不断发展，对桩基承载力的要求与日俱增，异型桩基础得到了越来越多的关注和应用. Wu等[1-2]建立填砂竹节桩复合地基的广义模型，研究竹节段对竖向振动管桩动力响应的影响. 王奎华等[3-4]研究竹节桩的竖向动力响应及振动特性. 童魏烽等[5-8]基于非等截面桩体模型研究楔形桩的动力响应及振动特性，为楔形桩的完整性检测提供了理论支持. 林祥军等[9]通过模型试验，研究螺旋桩的抗压承载力. 赵宇[10]结合数值模拟，提出螺旋桩极限承载能力的计算公式. 张新春等[11]在振动特性方面对螺旋桩进行详细的研究，讨论桩体几何结构对纵向振动响应特性的影响. 虽然已有研究表明异型预制桩在提高桩基承载力、改善桩-土界面处的物理力学性质方面有明显的优势，但是由于其自身结构复杂且依赖于特殊施工设备配合，相应的施工技术要求往往更高. 注浆法[12-14]在工程界广泛用于提高桩基承载力. 在软黏土场地中，预制桩沉桩后，随着桩侧土体变形的恢复，桩周土体孔隙水排出，桩身与周围土体间的空隙减小，严重影响压力注浆的效果.

为了解决上述问题，王奎华等[15]提出新型的带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩基础. 该新桩型由预制桩桩身和底部扩大桩靴组成. 因桩靴直径大于桩身直径，在打桩过程中，桩身和桩周土体之间会产生空隙，在空隙中灌注配置的水泥浆液填料，待固化后完成新桩型施工. 该新桩型具有以下优势. 1）该新桩型在沉桩时桩身和桩周土之间的空隙可以明显降低桩侧摩阻力，提高沉桩效率. 2）水泥浆液凝固后可以增大桩身的有效直径，提高桩侧摩阻力. 3）与常规的预制桩结构相比，新桩型在桩端处连接扩大桩靴，几乎不会增加桩基施工成本，仍可使用常规预制桩沉桩设备施工，施工方法简便. 4）考虑到注浆法在软黏土地基中的局限性，新桩型采用桩侧同步灌浆技术，在低压力或自重作用下将水泥浆液充分填充于桩周空隙，以保证浆液凝固后在桩侧形成良好的固化圈层. 该新型桩基可以达到提高单桩承载力、减小沉桩阻力及降低施工成本的效果.

预制桩在贯入场地过程中产生的挤土效应可能会使邻桩产生桩端上浮、桩位偏移、桩身折断等问题，影响相邻建筑物. 探明新桩型成桩过程中的桩周土体位移场，对于该新桩型的推广应用有重要意义. 随着近年来粒子图像测速技术（particle image velocimetry，PIV）的快速发展，众多专家学者使用该方法进行研究. Iskander等[16-17]研究类似黏土和砂土的透明土的制备及土体的物理力学性质，为岩土工程领域诸多问题的研究提供了更多的可行性. White等[18]基于PIV技术，研究沉桩过程中桩周土体位移的变化情况. 曹兆虎等[19]通过透明土试验，研究不同形式管桩的挤土效应. Liu等[20]基于PIV技术，研究不同角度桩尖贯入土体时的桩土作用机理. 周航等[21]运用PIV技术对XCC桩进行透明土试验，研究桩基的挤土效应. 以上通过透明土及PIV技术对桩周土位移场的诸多研究，为本文提出的新桩型桩周土体位移场的研究提供了可行性思路，但对各桩基的挤土效应研究大多基于透明砂土，对模拟透明黏土环境下的桩周土体位移场试验研究较少.

综上所述，本文采用的新桩型可以达到提高单桩承载力、减小沉桩阻力及降低施工成本的效果，具有节约成本、环境友好的特点. 作为一种挤土桩型，新桩型成桩施工过程及场地挤土效应不甚明晰，因此本文采用透明土模型试验，使用Laponite RD材料模拟软黏土施工环境，分别对常规预制桩、带扩大桩靴预制桩及带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩开展透明土模型试验. 采用PIV技术，对该新桩型成桩过程中的桩周土体位移场进行可视化研究，以探明成桩机理，为新桩型的进一步推广应用提供理论支撑.

1. 带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩

1.1. 桩基施工方法

提出带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩，桩身结构如图1所示. 利用端部扩大桩靴结构和施工工艺，可以起到提高单桩承载力、减小沉桩阻力及控制施工成本的作用，特别是由于端部扩大桩靴的存在使得沉桩时桩基更易穿过硬壳层. 如图2(a)所示为施工步骤示意图，施工步骤主要分为以下几步.

图 1

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图 1   新桩型结构的示意图

Fig.1   Schematic diagram of new pile foundation structure


1）预制并连接新桩型桩身与端部扩大桩靴，制作半径大于桩身外径的钢制桩靴，通过焊接、栓接、拼接等方式与桩端固定相接（见图2(b)）.

2）配制桩周水泥浆液，根据工程需求将工程泥浆、水泥、膨润剂等按一定比例进行混合，配制形成桩侧灌浆液.

3）沉桩及桩侧同步灌浆可以采用振动、静压或锤击等常用预制桩施工方法进行沉桩，在桩周产生的空隙中同步灌注提前配制的水泥浆液，可以达到润滑桩侧便于沉桩的效果（见图2(c)）.

4）静置一段时间，待桩侧水泥浆液固化膨胀后完成成桩.

图 2

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图 2   新桩型施工

Fig.2   Construction of new pile foundation


1.2. 工程应用实例

该新桩型提出后，首次在我国东南沿海城市软黏土地区得到成功应用. 试验场地位于浙江省杭州市临平区，试验场地土层主要以粉质黏土为主，试验采用预制管桩（PHC-500(125)AB，桩长为15 m），在桩端焊接外径为700 mm的钢制扩大桩靴，桩侧浆液由占浆液总质量18%~22%的工程废弃水泥、8%的水泥固化剂及地基粉土等混合配置而成，沉桩时同步向桩周空隙中灌浆.

成桩28 d后开展静载试验，如图3所示为静载试验现场图和Q-s曲线图. 从图3(c)可知，在相同的竖向压力下，该新型桩沉降明显小于常规预制桩；相同条件下新桩型的竖向抗压承载力特征值（2 475 kN）比常规预制桩(1 500 kN)提高65%以上. 表1中，Q为抗压承载力，W为单桩成本，Wq为单位承载力成本. 如表1所示，与常规预制桩相比，采用该新型桩可以节约30%左右的单位承载力成本. 该试桩数据显示了该新桩型在提高桩基承载力及降低工程成本方面的优势，为该新桩型的应用推广提供了可行性支持.

图 3

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图 3   单桩静载试验

Fig.3   Single pile static load test


表 1   单位承载力成本计算表

Tab.1  Unit bearing capacity cost calculation table

桩型Q/kNW/元Wq/（元·kN−1）
PHC500-AB-1251 5006 8254.55
新桩型2 4757 7363.13

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2. 透明土模型试验

2.1. 透明土的制备

试验采用Laponite RD和去离子水制备透明土. Laponite RD是合成层状硅酸盐，它的颗粒形状呈圆盘形，单个颗粒高为0.92 nm，直径为25 nm. 与天然黏土矿物中蒙脱石的结构相似，Laponite RD由两分子四面体配位的二氧化硅和一分子八面体配位的氧化镁组成[19].

如图4所示为当土样厚度为50 mm时，透明土质量分数分别为3%、4%、5%时的透明效果图. 该长方形模型盒中的透明土厚度为50 mm，在50 mm盒壁处设置黑白格子，观察透明土不同质量分数下的土体透明度. 本试验设置透明土质量分数为4%，以满足试验对土体透明度和强度的需求.

图 4

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图 4   土样厚度为50 mm处的透明度对比

Fig.4   Transparent comparison at soil sample thickness of 50 mm


试验配置透明土时，应先根据模型箱尺寸及透明度的要求，确定Laponite RD和去离子水的用量. 采用搅拌机，在高速转动的状态下向容器内缓缓加入Laponite RD粉末和示踪粒子，使Laponite RD粉末发生水合和膨胀，以形成无色透明状胶体. 静置待其均匀融合及状态稳定后，开展后续压桩试验. Wallace等[22-23]通过试验测定Laponite RD的材料参数，如表2所示.

表 2   Laponite RD的材料参数

Tab.2  Material parameter of Laponite RD

参数数值
单晶尺寸/nm25×0.92
含水率/%<10
折射率/%1.5
相对密度2.53

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2.2. 模型桩的参数

设计4组模型桩进行对比试验，分别研究常规预制桩、带扩大桩靴预制桩及带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩在贯入土体过程中的桩周土位移场变化情况. 如图5所示为试验中的模型桩实物图. 图中，从左至右依次为#1桩、#2桩（#3桩）、#4桩. 模型桩的尺寸数据如表3所示. 其中4组模型桩基贯入土体深度均为100 mm，本试验中编号#2、#3桩端部扩大桩靴均呈圆盘形，桩侧灌浆液采用质量分数为4.5%的染色Laponite RD模拟. 在搅拌均匀保持流动性的同时贯入桩侧空隙中，以防止桩侧土缩径，便于观察桩侧灌浆的效果.

图 5

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图 5   模型桩的示意图

Fig.5   Schematic diagram of model pile


表 3   Laponite RD材料的参数

Tab.3  Parameter of Laponite RD material

编号桩型桩身尺寸
（桩长×直径）		桩靴尺寸
（直径×厚度）
#1常规预制桩200 mm×20 mm—
#2带扩大桩靴预制桩200 mm×20 mm30 mm×2 mm
#3带扩大桩靴+桩侧灌浆预制桩200 mm×20 mm30 mm×2 mm
#4常规预制桩200 mm×30 mm—

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2.3. 试验仪器及步骤

该试验装置的示意图如图6(a)所示，实验装置的实物图如图6(b)所示，包括加载系统、反力架、激光器、CCD高速工业相机、计算机控制及后处理软件等部分. 其中，模型箱材料采用有机玻璃，为了减小尺寸效应[24]的影响，选取模型箱尺寸为200 mm×120 mm×300 mm，激光器功率为75 mW. 根据现场试验沉桩速率选定加载装置，以1 mm/s的速度将模型桩压入透明土中.

图 6

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图 6   透明土模型的试验装置图

Fig.6   Experimental setup diagram of transparent soil model


使用上述试验仪器设备，开展透明土模型试验. 根据下述试验步骤，依次进行4组模型桩透明土试验，得到各桩贯入土体过程中的桩周土体位移场，分析各桩的挤土效应.

1）配制高度为20 cm的透明土并放于模型箱中静置，连接仪器设备.

2) 调节激光位置，使其照射模型箱侧面，在透明土内部形成观察纵向垂直剖面；激光光束与模型桩的中轴线对齐，以确保相机成像平面在激光照射平面上，形成如图7所示的散斑场.

图 7

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图 7   散斑场的示意图

Fig.7   Schematic diagram of speckle field


3) 开始沉桩，通过标定亚克力板进行标定. 如图8所示，在竖向上设置5个间距为5 cm的标记点，横向上设置2个间距为1 cm的标记点. 记录沉桩过程，对于桩侧灌浆的模型桩，须提前在土体表面设置护筒. 在桩基贯入透明土的过程中，通过注射器和导管同步向护筒内注入浆液，保证浆液顺利灌注于桩基四周空隙中. 如图9所示为桩侧灌浆效果图.

图 8

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图 8   标定点的示意图

Fig.8   Schematic diagram of calibration point


4) 利用所得的试验数据结果，通过可视化后处理软件MatPIV（Matlab工具箱，通过使用激光片照射流体中的颗粒，利用高速摄影机记录粒子图像，捕捉粒子位移）[25]进行处理分析.

图 9

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图 9   桩侧灌浆效果图

Fig.9   Grouting effect diagram on pile side


3. 对比试验结果及分析

通过对#1、#2、#3、#4桩分别进行透明土模型试验，分析各桩在沉桩不同位置时的位移场及沉桩10 cm处的X、Y方向桩周土体位移等值线轮廓图.

3.1. 基桩沉桩挤土位移场

由于试验模型为对称结构，取一半模型的试验结果进行分析，#1、#2、#3、#4桩分别在沉桩深度为2、5、10 cm处的桩周土体位移矢量场如图10所示.

图 10

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图 10   桩侧土体位移图

Fig.10   Diagram of displacement of soil mass at pile side


从10(a)、(d)可以看出，常规预制桩#1和#4桩周土体位移及影响范围均随沉桩深度的增加而增大，桩侧土体均向外排开，表现为径向传递至地面隆起，桩端土体位移呈扩散状，表现为桩端土体的挤压，与文献[19]所述闭口管桩的挤土规律一致. 由于#4桩直径大于#1，位移最大值及影响扰动范围均大于#1. 从10(b)可以看出，端部扩大桩头的存在对端部土体的影响较大，对桩侧土体的扰动甚至比#1常规预制桩更小. 从10(c)可以看出，土体表面的最大隆起位移出现于距桩身2.5r~3.5r处（其中r为原点到模型桩外侧的距离，对于#2和#3桩，r=15 cm），且桩侧土体位移在沉桩深度中点处位移矢量出现分流. 上半部分表现为径向排开并向上隆起，下半部分表现为径向排开向下挤压，位移矢量大致呈椭球状，与吴君涛等[26]已有研究的相关结论一致. 在桩靴及桩身连接处附近形成涡旋状位移矢量场，同时桩周土体最大位移出现在桩端与桩身下半部分之间. 这是由于桩端扩大桩靴在贯入土体的过程中，由于变截面的影响，桩端土体受到较大的挤压影响，桩侧土体开始被排开，但由于桩身与土体之间空隙的存在使得桩侧土体出现整体向桩身回缩的趋势，桩周土体位移矢量场呈涡旋状.

综上可知，从图10可知，位移影响范围径向由大到小为#4>#3>#1>#2，竖向由大到小为#2>#3≈#4>#1. #1和#4桩侧土体大体表现为径向排开隆起，未见明显的挤压区，而#2、#3桩在桩身中点以下位置表现为径向排开挤压，在桩靴及桩身连接处附近呈涡旋状. 桩端部分位移矢量与水平方向之间的夹角不同，#3桩介于#2桩和#4桩之间，端部扩大桩靴的存在使得端部位移矢量扩散角变小.

3.2. 径向位移场

模型桩沉桩10 cm时径向（X方向）桩周土体的位移轮廓图（等值线图（左）、云图（右））如图11所示. 可以看出，#1和#4桩在桩侧及土体表面均呈排开趋势，在桩侧靠近桩端的位置，径向位移最大. #2桩周径向位移最大值出现在距桩靴1r处，对桩侧土体的影响较小，这是由于扩大桩靴的存在，使得土体表面的位移有向桩身方向收缩的趋势. #3桩灌浆使得桩侧土体径向位移较#2桩大，但小于#4桩沉桩引起的最大径向位移及影响范围. 如图11所示，#3新桩型径向位移场同时具有#2、#4径向位移场的规律特征，但#3桩对桩周土体的影响均小于#2、#4桩，体现了2种桩基形式影响效果的平衡，也是该新桩型预期达到的效果.

图 11

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图 11   X方向桩周土体的位移轮廓图

Fig.11   Displacement contour of surrounding soil in X direction


#3新桩型在X方向上的位移场说明，相较#4桩及#2桩，#3新桩型对桩周土体径向位移的影响范围主要集中在距桩身外侧小于1r及距桩端下部小于1r的范围内，对表面土体及离桩身距离大于4r的桩周土体影响很小. 图11显示了新桩型在沉桩过程中对桩周土体径向挤土位移场扰动较小的优势.

3.3. 竖向位移场

为了分析沉桩过程中桩基土体表面的隆起和桩端部挤压区的变化情况，模型桩沉桩10 cm时的桩周土体竖向（Y方向）位移轮廓图（等值线图（左）、云图（右））如图12所示. 可以看出，#1和#4常规预制桩的桩端土体呈挤压趋势，且在距桩端1r处存在最大值，桩侧土体呈向上隆起的趋势；在挤压区和隆起区之间有明显的过渡区，与文献[20]一致. #4桩侧土体在距桩身外侧大于5r的地方仍有隆起. 可以看出，桩径越大，则对桩侧土体隆起区的影响程度和影响范围越大. #2桩端挤压区的位移最大值在距桩端1r处，但桩侧扰动隆起极小，甚至小于#1桩的影响. #3桩挤压区的位移最大值出现在离桩端下方小于1r的范围内，隆起区的位移最大值在靠近桩身的桩顶处，影响范围集中.

图 12

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图 12   Y方向桩周土体的位移轮廓图

Fig.12   Displacement contours of surrounding soil in Y direction


从#3新桩型在竖向（Y方向）的位移场可知，与#4桩与#2桩相比，#3桩桩端挤压区和土体表面隆起区的范围更集中，挤压区与隆起区之间的过渡带范围相对较小，因此对桩周土体在竖向上产生影响的扰动区域范围较小. 从图12可知，沉桩过程中该新桩型对桩周土体竖向位移的影响范围得到了有效的控制.

4. 结　论

(1) 分析不同沉桩深度时的4种模型桩桩周土体位移场可知，新桩型桩身中点以下位置表现为径向排开挤压，整体位移场呈涡旋状，位移影响范围小于等直径预制桩.

(2) 分析各桩径向位移场可知，#3新桩型的灌浆技术使得桩侧土体径向位移增大，但小于等直径预制桩沉桩的影响范围，径向位移场同时具有#2、#4位移场的规律特征，但影响程度均小于两桩.

(3) 竖向位移场表明，#3新桩型的桩端挤压区和土体表面隆起区的范围更集中，对桩周土体在竖向上产生影响的扰动区域范围更小.

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