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1、基于FLAC3D的灌注桩后注浆施工工法1.前言注浆效率，提高施工质量，节约注浆施工成本。为此，扬州泰达Y-MSD项目针对后注浆施工过程中注浆参数无法准确确定等问题进行了技术攻关，利用FLAC3D差分元软件针对灌注桩的后注浆过程进行了数值模拟，解决了灌注桩后注浆施工过程中注浆参数难以准确确定，注浆效果不理想等问题，避免了由于注浆参数与工程地质状况不匹配造成的“串孔”、“冒浆”等浆液流失的现象，保证工程顺利进行的前提下，节约了施工工期与施工成本。扬州泰达Y-MSD项目总结了灌注桩后注浆施工过程中对注浆参数有效管控的成功经验，对FLAC3D软件的数值模拟过程以及指导后注浆施工的过程进行了总结提炼，形
2、成了此工法。应用本工法在减少了施工成本的同时，有效的提高了施工质量，加快了施工进度，为灌注桩后注浆施工的过程管控提供了借鉴经验，具有广阔的技术应用前景。2.工法特点2.0.1 提供FLAC3D的建模功能，以及模型尺寸及边界条件和材料选用参数等，利用FLAC3D命令流进行精细化建模，节约运算时间，从而使用户的工作效率达到最高。2.0.2 利用FLAC3D软件对灌注桩后注浆全过程进行数值模拟，通过调整注浆参数得到不同注浆参数下桩体的Q-S曲线，通过对Q-S曲线的对比得到最佳的后注浆设计及施工参数。2.0.3采用本工法进行施工，利用FLAC3D差分元软件模拟后注浆灌注桩注浆过程及受力特性，可以提前预
3、知单桩沉降量以及相应工程地质状况下的合理注浆参数，减少工程实际试桩施工量，缩短工期，降低成本。3.适用范围适用于桥梁、房建等各领域基础灌注桩后注浆施工。4.工艺原理FLAC3D软件采用了混合离散方法模拟材料的屈服或塑性流动特性，采用显示方法得到非线性模型的本构关系，应用差分元的方法可以快速有效的得到桩基单元后注浆后加载受力的过程，并反馈不同注浆参数对灌注桩单桩承载力的影响。利用Mohr-Coulomb模型作为土体的本构模型，利用弹塑性模型模拟桩体及注浆体模型，通过为模型赋予相应工程地质参数，改变注浆体状态，得到该地质状况下的最佳注浆参数。通过利用FLAC3D数值模拟软件模拟后注浆施工过程，并进
4、行数值模拟对比试验，得到相应工程地质状况下的最佳注浆参数，并将该设计参数应用于后注浆施工，进一步提高后注浆灌注桩的单桩承载力，降低施工成本，提高注浆效率。5.施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程图5.1.1-1 施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1现场试桩载荷试验在工程施工前，依据设计要求按参数施工2组试桩，并按照图纸要求对试桩进行后注浆施工，详细记录后注浆的施工过程。后注浆施工完成后对桩身进行低应变检测、超声波检测，确定桩长及桩身完整性满足设计要求，随后按照设计要求进行静载试验，并记录试验过程及相应数据，生成试验报告由资料员统一保存，以备后期调用。5.2.2 FLAC3D模型的建立在数值模
5、拟软件中，模型按照完全等比例进行建模；其中土体模型采用Mohr-Coulomb模型，灌注桩及注浆材料采用弹性模型建立。建模过程中将土体考虑为各项同性的弹塑性体；在数值模拟过程中，后注浆只考虑渗透压密作用，不考虑劈裂加筋作用；桩端及桩侧固结体简化成为规则的圆柱体；采用接触面单元模拟桩壁与土体之间的接触面；模拟静载试验时桩顶荷载设置为均布荷载。模型的建立按照如下步骤进行：确定模型尺寸建立网格化模型确定边界条件将土体参数及桩体注浆材料参数赋予模型形成初始地应力场改变桩顶均布荷载逐级加载获得计算结果。1 建立网格化模型与常规有限元软件不同，FLAC3D软件本身具有强大的网格建模功能，通过命令流的方式可
6、以建立符合要求的网格化模型。以扬州泰达项目为例，计算模型中桩长56.6m，桩径0.7m。土体所取计算范围为：水平方向取边长30D（D为桩的直径）的正方形区域，垂直方向取2L（L为桩长），桩端注浆固结体为直径1.6m，高1.75m的圆柱体，计算模型如图5.2.2-2注浆体建模图。桩周围土体根据工程地质勘查报告的结果分成10层。整个模型共划分为66560个单元，节点数为69300。2 确定边界条件模型的底部和四周添加一定的位移约束来限制模型的平动、竖向位移及转动。模型本身需要根据实际情况添加自重及桩体顶荷载。3材料特性值根据设计图纸和国家规范要求以及工程地质勘查资料的数据，选用最具代表性的参数进行
7、相近的土体合并并简化。根据以往的工程经验以及实验室得出的测试结果，注浆端水泥土固结体弹性模量的最小值为1770MPa，由于现场注浆形成的固结体强度低于实验室模型的强度，通常情况下模型固结体的弹性模量选取1000MPa。具体计算参数见表5.5.2-1。表5.2.2-1数值模拟模型参数表名称模型容重（kN/m3）孔隙比粘聚力（MPa）内摩擦角（o）弹性模量（MPa）泊松比粉质粘土M-C模型18.130.7913.4716.635.22 0.3粉土M-C模型18.870.809.1322.177.52 0.3粉砂M-C模型19.170.746.2028.139.40 0.3粉质粘土M-C模型18.7
8、70.849.7723.737.81 0.3粉土M-C模型18.770.848.0023.277.56 0.3粉质粘土M-C模型19.030.8022.8714.774.28 0.3粉土M-C模型12.730.539.9312.003.38 0.3粉、细砂M-C模型19.770.615.6329.608.70 0.3粉质粘土M-C模型20.130.564.8734.0513.91 0.3泥质粉砂岩M-C模型19.700.620.000.008.44 0.3钻孔灌注桩弹性模型25.00-3.351040.2固结体弹性模型24.00-11030.24 形成初始地应力场利用命令流将材料参数赋予模型后
9、，利用SOLVE求解器求解在初始应力状态下的应力场，确保模型的受力处于收敛状态，计算过程中最大不平衡力如图5.2.2-3。图5.2.2-3最大不平衡力曲线验证模型参数设置的合理性，计算完成后得到如下初始应力场如图5.2.2-4。图5.2.2-4 初始应力场Z方向应力云图5 模拟静载试验获取沉降结果根据设计要求及单桩受力情况，在模型中为桩端逐级施加荷载，获取注浆灌注桩的Q-S曲线。荷载施加过程中，模型Z方向的沉降云图如图5.2.2-5。图5.2.2-5加载过程中模型沉降云图6 获取模拟结果与试桩结果对比通过FLAC3D试桩进行模拟分析，可得到不同荷载等级下桩端的沉降量，并得到不同荷载状况下的桩体
10、及土体的应力云图。通过模拟结果与实际结果的对比可以发现：后注浆钻孔灌注桩单桩静载试验数值模拟结果与实际静载试验结果曲线变化趋势基本一致。模拟值与实际值在某些加载工况下有一定的差异，该差异值均在可以接受的范围内。通过FLAC3D对后注浆钻孔灌注桩进行数值模拟其结果可靠有效。图5.2.2-6 Q-S曲线模拟值与实际值对比图7 调整模型获取最佳注浆参数根据注浆体柱型扩散理论，假设注浆土层为均质的和各向同性的，浆液为牛顿流体，浆液从注浆孔中注入砂土体，浆液在土层中呈柱型扩散。根据达西定律， （5.2.2-1）式中q单位时间内的浆液流量（cm3/s）；Kg浆液在地层中的渗透系数（cm/s）；i浆液的水利
11、坡度；A渗透断面面积根据边界条件（时，；时；），由公式5.2.2-1可以对导出： （5.2.2-2） （5.2.2-3）已知，于是有： （5.2.2-4） （5.2.2-5）式中 渗透断面面积（cm2） 柱状浆液的长度（cm）利用上式可以将浆液的流量（注浆压力）以及浆液的水泥用量、水灰比等与注浆模型联系起来。通过调整桩端注浆模型的尺寸做到调整注浆压力及水泥用量、水灰比的目的。1）确定最佳水灰比通过改变桩端后注浆浆液水灰比来分析桩端后注浆对单桩承载力的影响。桩端后注浆钻孔灌注桩成桩后，通过后注浆浆液与桩端土体的共同作用来提高桩端承载力。改变桩端后注浆浆液的水灰比可以影响浆液渗透进土体孔隙中的范围
12、与强度，进而影响单桩承载力。在其他条件不做改变的情况下，通过改变后注浆浆液的水灰比，分析桩端后注浆浆液水灰比对灌注桩单桩承载力的影响，得到如图5.2.2-7所示曲线。后注浆浆液水灰比对单桩承载力影响如下。图5.2.2-7不同水灰比下Q-S曲线对比图通过数值模拟结果可知：水灰比从0.35开始随着水灰比的增大单桩承载力逐渐增大，当达到一定值时单桩承载力呈减小趋势。针对工程地质实际状况，水灰比为0.550.65左右时单桩承载力最大。当水灰比较小时，注浆浆液比较粘稠，虽然浆液强度比较大，但是浆液对土体的侵入渗透能力比较弱，当达到一定程度时承载力降低。随着水灰比的增加，水泥浆液的流动性增加，对土体的侵入
13、能力加强，但是其与桩端土体结合后强度有所减弱。对于桩端后注浆钻孔灌注桩针对不同地质状况的土体需要选择合适的水灰比进行施工，以保证桩端承载力达到最高。2）确定最佳水泥用量在其他条件不变的情况下，通过改变桩端注浆材料的力学性质与作用范围，来分析注浆水泥用量对桩端后注浆钻孔灌注桩单桩承载力的影响。因桩端后注浆钻孔灌注桩的加固形式主要依靠桩端后注浆浆液侵入周围土体并与之结合对桩端土体进行加固，增大灌注桩的桩端阻力。通过改变注水泥浆液中水泥的用量，不改变其他因素，分析水泥用量对单桩承载力的影响，得到如下图所示曲线。水泥用量对单桩承载力影响如下。图5.2.2-8 不同水泥用量下Q-S曲线对比图通过图5.2
14、.2-8中上曲线对比可知：随着水泥用量的增加，桩端后注浆钻孔灌注桩的单桩承载力越高。水泥用量对单桩承载力的正作用随着水泥用量的增加逐渐减小。针对软件模拟的工程地质状况，水泥用量在2.5t左右单桩承载力可以满足要求。随着水泥用量的增加，由于注浆压力一定，水泥浆液的渗透扩散能力减弱与周围土体结合能力降低，导致桩端承载力降低。8 提出注浆控制措施通过计算，我们发现采取与相应工程地质状况相符的注浆水灰比可以有效的保证浆液的注入量，并且可以尽量保证浆液的大量流失。在试验模拟地质状况下采取合理的水泥浆液注入量（2.5t），可以节约水泥用量，减少由于水泥注入量过多造成的浆液“串孔”、“冒浆”等现象，确保施工安全的同时也有效的降低了施工成本，保证了工程质量，提高了单桩承载力。5.2.3 注浆管的设置与安放1 注浆管的设置注浆管应采用钢管制作，直径25mm32mm，壁厚3.2mm以上，为了保证注浆管的密闭性，导管接头部位宜采用丝扣连接，而非焊接，详见图5.2.3-1。为保证注浆质量，导管在制作安放过程中，其桩底注浆端，应伸出钢筋笼20cm以上，保证底端注浆阀伸入桩底沉渣或虚土之中。上部应高出桩顶约50cm，若桩顶标高在天然地面以下，注浆管顶部应高出天然地面以便与注浆泵连接详见5.2.3-2。
