考虑土体径向卸荷效应的桩端后注浆灌注桩竖向承载机制

Due to the effect of radical unloading of soil, a weak interface with certain thickness exists between the cast-in-place piles and soil. In the process of the post-grouting of pile tip, the cement grout moves up a certain height along the interface，because of the grouting pressure. The shear strength of soil around the pile is affected by the interface, while the cement grout moving upward form a hardened layer with a certain thickness around pile, which have great effect on the friction. Post-grouting technique can also affect the tip resistance mechanical behavior, because of the reinforcement effect in the pile tip soil, moreover it can also enlarge the pile tip. In present study, large-scale direct shear tests, laboratory model tests, and theoretical analysis combined with numerical simulation would be employed. With the self-developed grouting and loading devices, the model between the pile side friction and displacement which considers the effects of radical unloading of soil and upward movement of cement grout would be respectively established, Moreover the model between the pile tip resistance and displacement under the condition of the post-grouting would be proposed too. The cast-in-place piles vertical bearing mechanism based on the above two models would also be developed, with considering the effects of radical unloading post-grouting. The research results would be valuable both for the theoretical studies and practical applications of the base post-grouting piles.

由于土体的径向卸荷效应，使得灌注桩桩土间存在着一个具有一定厚度的软弱面，在桩端后注浆过程中，浆液在压力作用下会沿着软弱面向上运动一定高度。桩周土体软弱面会影响桩周土体的抗剪强度，浆液的上返则会形成一定厚度的硬质层，影响桩侧阻力的发挥机理。桩端后注浆通过对桩端土体和桩底沉渣的加固效应、桩端浆液形成浆泡导致的桩端面积增大的扩底效应以及桩端注浆残余应力的作用等影响桩端阻力的发挥。本课题采用大型直剪试验、大比例尺室内模型试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，利用自行研发的注浆装置和加载装置，建立考虑土体径向卸荷效应和浆液上返影响的桩侧阻力-位移模型和桩端后注浆条件下的桩端阻力-位移模型，以及基于这两个模型的考虑土体径向卸荷效应和桩端后注浆影响下的灌注桩竖向承载机制。其成果对今后桩端后注浆灌注桩的设计、施工等均具有重要的理论意义和实际应用价值。

灌注桩桩侧土体存在径向卸荷效应沿桩周形成软弱面从而影响灌注桩竖向抗压承载特性，桩端后注浆通过浆液对桩端土体的加固以及通过浆液沿桩侧上返改善灌注桩承载特性。基于目前工程上对灌注桩桩端后注浆的研究不考虑桩侧土体径向卸荷效应的影响，且现有理论未能全面分析桩端后注浆的浆液加固机理，本课题分别进行了考虑土体径向卸荷效应的砂土和黏性土中后注浆大型接触面剪切试验以及桩端后注浆室内模型桩试验，通过理论研究建立了考虑土体径向卸荷效应的桩端后注浆桩侧阻力和桩端阻力分析理论，并结合现场试验和数值模拟对其进行了进一步的修正和补充，得出了考虑土体径向卸荷效应、桩周土体性质以及桩端后注浆综合影响的桩侧阻力和桩端阻力变化规律，建立了考虑土体径向卸荷效应的桩端后注浆灌注桩竖向抗压承载特性分析机制。本课题的主要研究结论如下：.（1）后注浆接触面剪切试验结果表明，浆液主要通过显著提高土-混凝土接触面的等效黏聚力进而改善接触面力学特性，对接触面等效内摩擦角的改变可近似忽略，浆液对土与结构物接触面力学特性的改善效率随着接触面土体卸荷程度的减小而逐渐减弱。.（2）桩端后注浆模型桩试验结果表明，桩端后注浆对桩端承载力的提高存在一最优注浆压力，此时的桩端注浆模式为压密注浆；浆液上返高度随桩侧卸荷程度增大而增大，现场灌注桩桩端后注浆浆液上返高度在无实测条件下可近似取15倍桩径；浆液在桩端扩散模式随着注浆压力的增大由渗透注浆向压密注浆以及劈裂注浆模式转变。.（3）桩端后注浆对抗压桩竖向承载特性的影响主要可以分为三个方面：水泥浆液在桩端形成浆泡产生的扩底效应，水泥浆液挤密桩端土体形成的加固效应，以及凝固后的水泥浆液残余应力的影响。.（4）试验、理论和数值模拟结果均表明注浆量的增加会显著提高单桩极限承载力并增强单桩抗沉降能力。