缺陷桩基加固处理效果分析研究

肖立江 周云剑 乔 森

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

桩基础广泛应用于各类工民建及桥梁基础中，在桩基浇筑过程中，由于各种原因，导致桩基成桩后形成不同的缺陷，常见的缺陷有：断桩、空洞、混凝土离析等，根据有关数据统计，在所有成桩数据中，约四分之一的桩基础存在不同程度的缺陷，缺陷的存在会导致桩基承载力的下降，从而进一步危及桩基的使用安全。

近年来，社会各界对桩基础缺陷的研究主要集中在缺陷产生的机理、缺陷的形式、缺陷对桩基础的影响程度。曹俊楠[1]利用相关编程软件，编写了以桩身长度、桩径、缺陷位置等为控制变量的计算程序，用于计算分析桩基承载力的变化情况，同时分析了缺陷桩与成品桩承载力与沉降确定的方法。雷丰浩[2]采用有限元软件，对群桩基础在桩底沉渣、扩径、断桩等因素影响下进行非线性计算，得到了缺陷影响下桩基承载力与桩基沉降的规律。苏娟[3]采用模型试验，对桩基断桩位置进行分析，通过不同断桩位置的荷载-位移曲线，进一步得到不同断桩位置对桩基承载力的影响，结果表明，当断桩位置接近桩基顶面时，断桩对桩基承载力的影响越大。

本文主要作以下几方面研究：

（1）对缺陷桩的工作性状及工作机理的研究进行数值模拟，计算分析各类桩基缺陷导致的桩的承载力、刚度的变化情况。

（2）对各类加固方法加固后的桩基进行数值模拟，得出加固后缺陷桩的受力性能，进一步优化处理方案。

1 桩基缺陷对桩基承载力影响的研究

1.1 桥梁结构参数及土体参数

本文选取的模型基础为某大桥工程，桥梁主跨为100m的刚构桥，基础采用钻孔灌注桩基础（端承桩），桩体嵌入基岩2m，桩体直径2.0m，桩身长20m，桩体采用C25混凝土，根据桥梁支承反力计算分配，桩基础单桩承载上部结构传递荷载取整为12400kN，换算顶面压力取整为3950kN/㎡。

模型中土体参数来自该工程项目，桩周土体性质如表1：

表1 桩周岩土体力学参数

1.2 ABAQUS模型

计算条件基本假定：

（1）土体底面的边界条件为完全约束，两侧分别为X方向和Y方向的约束。

（2）加载方式为桩顶加载，ABAQUS中考虑时间因素的线性加载方式进行加载。

桩土模型划分网格后的模型如图1所示。

图1 桩基-土共同作用模型

1.3 计算不同桩基缺陷对承载力的影响

根据建立的桩土模型，对以下内容进行计算分析：

（1）桩基缺陷位置对桩体应力的影响分析。

（2）不同桩基缺陷形式对桩体应力的影响分析。

通过有限元模型，模拟在同一位置桩基扇形缺陷、环形缺陷及全断面缺陷的三种不同形式的缺陷，以缺陷位置为控制变量，寻找不同缺陷类型对桩基影响最不利的位置。缺陷的模拟采用对桩基局部更换材料参数进行，即在原桩模型的基础上，替换不同位置上不同面积的材料，缺陷位置的材料模拟为：弹性模量E为10MPa，泊松比为0.23，模拟加载缺陷位置分别位移桩基顶部、中部及下部。全断面缺陷模拟为桩体全断面0.5m范围内的混凝土材料替换；环形缺陷模拟为以桩体圆心为原点，宽度为0.2m，外径为桩体直径的圆环型，缺陷加载高度为0.5m；扇形缺陷则模拟为桩体不同内角面积，加载高度为0.5m的扇形区域缺陷，通过三种缺陷的计算分析进行横向对比，计算结果梳理如表2所示。

表2 不同缺陷形式下桩身应力应变计算结果

计算结果表明，当桩基存在缺陷时，在同样的外部荷载下，桩体内部将承载更大的应力，同时桩体变形也增大，导致桩基承载力下降，进而对桩基的使用安全及可靠度产生影响。其中，在模拟的三种缺陷中，当缺陷位置发生在桩基底部时对桩基变形的影响最大。当缺陷发生在同一位置时，以环形缺陷对桩基承载力影响最大。另外，当扇形缺陷发生在桩基下部时，缺陷对桩身压力的影响最大。

2 缺陷桩基加固模拟分析

应用有限元ABAQUS建立缺陷桩采用不同加固方式加固的模型，计算分析各种加固方式加固补强后桩基的受力性能的变化，加固的方式主要采用注浆法加固处理、增大截面法、增强补桩法，其中注浆加固考虑注浆位置和注浆量两个变量因素。最后将处理过后的桩与原设计在相同地质条件下的受力性能作对比，得到各类加固方法的理论效用。

2.1 注浆法

采用有限元模型分别模拟桩基、桩侧土及注浆体，加固模型采用原计算模型，注浆浆体采用高标号硅酸盐水泥制作，根据试验数据，取加固后浆体强度为30MPa，桩侧土假设为粘土，弹性模量拟定为18MPa，泊松比为0.35，分别计算不同位置注浆后桩土应力的计算结果如表3，截取上部注浆后结算云图如图2、图3所示。

图2 上部注浆后桩-土应力计算结果

图3 上部注浆后桩-土应变计算结果

表3 不同缺陷桩身应力应变计算结果

从表3中可以看出，摩擦桩桩基注浆加固时，采用上部、中部、下部三种注浆形式对桩体缺陷进行补强后，桩体应力、应变值均有所减小。注浆量一定时对缺陷位置及以上部分加固，桩身应力应变值最小，最接近未缺陷前桩基的受力状态，即加固效果最明显，加固应从桩基缺陷位置以下1m～3m位置开始。

2.2 增强补桩法

增强补桩法又叫做桩基托换法，适用于桩身缺陷位置存在较深，且经计算桩身强度已不满足使用要求或者使用性能不满足规范要求的情况，常常用于断桩处理，处理方法彻底但资金耗费大。使用6根直径40cm的PC管桩，单根长度20m，桩基同样是摩擦桩，原缺陷桩模拟为中部出现断裂，计算出增加小直径管桩的整体桩基承载力，并计算出原始设计有承台时桩基的承载力，两者对比。

2.3 增大截面法

在ABAQUS中对存在缺陷的桩基进行桩帽处的增大截面，补强混凝土选用C25混凝土，在桩帽处以桩圆心为中心环形增大直径0.5m截面，高度1.0m，补强钢筋选用Φ25mm的HRB335钢筋，模型如图4所示。

图4 增大截面加固后应力计算结果

施工中常用的注浆法、增强补桩法、增大截面法均能有效的对缺陷桩进行处理，能够降低缺陷桩基缺陷处的应力，如表4所示。

表4 缺陷桩加固处理结果对比

3 结束语

本文通过对不同桩基缺陷及加固进行模拟，计算分析桩基应力及应变情况，从而判断缺陷及加固情况下桩基承载力的变化情况，得到以下主要结论：

（1）桩基缺陷的存在，会导致桩基内部应力状态增大，变形增大，使桩基的使用安全、可靠度存在较大影响，其中，较缺陷发生在上部、中部时当缺陷发生在桩体下部时对桩体影响最大。

（2）不同缺陷形式对桩基的影响不一，在模拟的扇形缺陷、环形缺陷、全断面缺陷中，在同样的发生位置，环形缺陷对桩基的影响最大，而当桩基上部发生扇形缺陷时，对桩体应力相对其他两种缺陷而言影响最大。

（3）不同的桩基缺陷加固方式对桩基加固后的结果影响较大，对于摩擦桩，增大截面法对桩基缺陷的加固最为有效。