(全)基于FLAC3D的灌注桩后注浆施工工法

基于FLAC3D的灌注桩后注浆施工工法1.前言灌注桩后注浆技术因其对提高灌注桩承载能力和减少桩基沉降有显著作用而在国内广泛应用，但是，由于地质条件的差异性和岩土性质的复杂性，不同工程地质状况下水泥浆液的水灰比、注浆压力、水泥注入量的准确确定等问题尚未完全解决，快速准确的确定后注浆参数有助于加快注浆效率，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。5.2.2FLAC3D模型的建立在数值模拟软件中，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以建立符合要求的网格化模型。图5.2.2-1总体建模图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。图5.2.2-2注浆体建模图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18.130.7913.4716.635.220.3粉土M-C模型18.870.809.1322.177.520.3粉砂M-C模型19.170.746.2028.139.400.3粉质粘土M-C模型18.770.849.7723.737.810.3粉土M-C模型18.770.848.0023.277.560.3粉质粘土M-C模型19.030.8022.8714.774.280.3粉土M-C模型12.730.539.9312.003.380.3粉、细砂M-C模型19.770.615.6329.608.700.3粉质粘土M-C模型20.130.564.8734.0513.910.3泥质粉砂岩M-C模型19.700.620.000.008.440.3钻孔灌注桩弹性模型25.00---3.35×1040.2固结体弹性模型24.00---1×1030.24形成初始地应力场利用命令流将材料参数赋予模型后，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5.2.2-6Q-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，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——浆液的水利坡度；A——渗透断面面积根据边界条件（r=r0时，h=H；r=r1时；h=h0），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0.55～0.65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5.2.2-8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25mm～32mm，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。图5.2.3-1注浆导管图5.2.3-2注浆管安放示意图注浆导管底部制作花管式压浆喷头，沿高度方向布置四排，排距30mm，每排布置3～5个直径为4～6mm注浆孔详见图5.2.3-3。图5.2.3-3注浆管底端做法通常情况下单桩布置注浆导管的数量为2根，而当桩直径大于1.2m时注浆导管的数量为3根或更多，具体根数由桩径、工程地质状况及单桩的设计荷载由设计院确定。桩侧后注浆管的制作应根据具体地层情况和桩体设计情况而定，可以设置在离桩底5m以上桩顶8m以下部位，每隔6～12m设置一道桩侧注浆管阀。当有粗粒土时，宜将注浆阀设置于粗粒土层下部，但对于干作业成孔灌注桩宜设于粗粒土层中上部。2注浆管的安放与保护注浆花管应该采用胶带纸密封，以确保在下放过程中不被泥水等浆液封堵，同时保证在设计注浆压力强度下可以顺利打开。注浆管应安放在钢筋笼内侧，并利与钢筋笼主筋绑扎固定，固定点的间距应不大于2m，保证在钢筋笼下放时注浆管不移位，必要时可以采取加套管焊接的方式与钢筋笼主筋连接。对于桩径比较大，钢筋笼长度较长的灌注桩，可以每隔一段距离设置一道十字形加强支撑以保证注浆管稳定不被损坏。对于非通长配筋的灌注桩，其底部应有两根钢筋与注浆导管通底安放，以保证注浆花管不由于钢筋笼下放或混凝土浇筑而导致破坏。钢筋笼长度在15m以内，导管应一次性组装固定在钢筋笼上整体吊装安放。如果钢筋笼长度大于15m需要分段进行拼接，并且在孔口处拼接安装完毕。钢筋孔下放过程中严禁悬吊注浆管，如果钢筋笼下降受阻时，不得对钢筋笼进行撞击、墩笼、扭曲钢筋笼。现在多数工程采取在原始地面进行桩基作业，造成地下室高度范围的空桩（负空段），此种情况注意在负空段对注浆管的保护。可采用将压浆导管与钢筋笼用钢丝捆绑固定，灌注桩桩顶标高以上增加的纵筋及注浆钢管做法见图5.2.3-4。图5.2.3-4负控段注浆管保护钢筋做法3声测管的安放对于需要进行超声波检测的混凝土桩应提前埋设声测管，具体埋设方法参照《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106-2014)的相关规定，当D≤800mm时，应埋置2根声测管；当800mm＜D≤2000mm时，声测管不得少于3根；当D＞2000mm时，声测管不得少于4根（D为桩径）。声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置，宜选用钢管或铁管，管内径≥40mm，以40～50mm为宜，管下端应封闭、上端应加盖；声测管应焊接或绑扎在钢筋笼内侧，声测管各管相互平行，平直。管底应埋至桩底，管顶端高出桩顶面不少于30cm。声测管的接头应牢靠，防止混凝土砂浆流入其中，堵塞管，检测前用钢筋疏通声测管，以确保检测时，检测探头能正常放至管底，疏通后向检测管内注满清水，封口待检查。5.2.4注浆管开塞灌注桩成桩后的7～8小时，应采用清水进行开塞，开塞压力控制在0.8～1.2MPa，开塞后（注浆压力表数值出现明显下降）应停止注水。5.2.5注浆机械设备检查准备在正式开始注浆前需要确认水泥浆液搅拌机、注浆泵、压力表、电磁流量控制器等设备工作状态良好，检查注浆管路是否通畅、屏浆筏是否开启有效、高压软管与导管连接是否牢靠并且密封严密。5.2.6水泥浆液制备注浆材料宜采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不宜低于P.O42.5，对于受潮结块或过期等劣质水泥一律严禁使用。浆液的水灰比以及单桩的水泥注入量按照FLAC3D的数值模拟结果确定。水泥浆液采用现场机械搅拌，浆液应该充分搅拌均匀，不能出现明显的团粒和结块等杂物。搅拌好的浆液需要通过不大于3mm的过滤网过滤，置于储浆桶中，并且需要不停搅拌，防止泌水沉淀。浆液应该有足够的流动度，采用流锥法测定时，流动度控制在14～18s间。低水灰比浆液宜掺入减水剂，富含水地层浆液宜掺入促凝剂，高温季节宜掺入缓凝剂。5.2.7注浆施工1注浆注浆开始于灌注桩成桩2～5天以后，开泵压力通常为2～3MPa，让水泥浆液完全冲开注浆阀处的密封包裹，确认管路疏通、喷头打开以后，即可转入正常的注浆作业，正常注浆压力为1.2MPa～4.0MPa，为了提高水泥浆液的渗透分布的均匀性和有效性，注浆速度不宜过快，同时注浆流量也不宜过大，一般按照30L～50L/min控制，最大注浆流量不宜超过75L/min。当注浆压力偏高时，注浆流量取最低值，注浆压力偏低时注浆流量取高值。2终止注浆控制注浆过程中注浆量、注浆压力同时控制，注浆结束前应按照设计最大注浆压力稳定持荷8min。满足以下条件之一可以终止注浆：1）总的注浆量和注浆压力同时满足数值模拟的参数要求时；2）注浆量已经达到设计值的80%，且注浆压力已经超过最大设计值。3结束注浆注浆结束后关闭屏浆阀，随即停泵，使注浆管内保持压力，防止浆液回流。屏浆时间至少20分钟。5.2.8常见问题处理1当注浆压力长时间低于正常值、浆液流速较快，或地面出现冒浆、周围桩孔串浆时，应改为间歇式注浆，间歇时间30～90min，同时应该采用低水灰比、加浓浆液、加入促凝剂等施工措施。2同一根桩的一根注浆管出现注浆压力很高、注浆量不足时，可以在另一根注浆管补足整根桩的注浆量。3注浆过程中注浆压力或注浆量无变化，但桩身或地面出现明显上浮，如注浆量未达到设计值的80%则可以终止注浆。4如果遇到注浆管堵塞、碰坏无法注浆时，可在离桩侧壁20～30cm处钻直径150mm小孔，埋置导管进行补压浆，补压浆量应大于设计注浆量。5.2.9桩基检测与验收1后注浆施工完成后应将水泥材质检验报告、压力表检定证书、试注浆记录、设计工艺参数、后注浆作业记录、特殊情况处理记录等资料留存以便后期检查。2桩基的完整性应采用低应变方法进行检测，检测数量根据设计要求确定，并按要求做好桩身完整性记录。3对于需要进行超声波检测的混凝土桩应提前埋设声测管，具体埋设方法参照《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106-2014)的相关规定，进行检测。4桩基静载试验应按照第三方检测机构的试桩静载试验方案进行静载试验，并获取试验报告以便后期与数值模拟结果进行比对。6.材料与设备6.1材料水：一般应该为自来水或可饮用水，水质不明的水应进行化验，符合要求后才可以使用。水泥：按照设计要求标准选用。6.2设备电脑一台，FLAC3D软件锁,水泥浆液搅拌桶，钢制储浆桶，泥浆泵：BW-150，电磁流量计：HP-LDE-25-F4-1，水泥推车，水泥储罐，计量台秤。7.质量控制7.1工程质量控制标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2014）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2013）7.2质量保证措施7.2.1利用FLAC3D建立模型选择参数时，严格遵循现场所用材料的规格及型号，保证模拟的准确性。7.2.2注浆管与钢筋笼固定均采用12#铅丝绑扎，桩端注浆管绑扎于螺旋箍筋内侧，与钢筋笼主筋靠紧绑扎固定,每道加劲箍处设绑扎点；纵筋底部应齐平。7.2.3钢筋笼入孔沉放过程中不宜反复向下冲撞和扭动；下部注浆导管应沉放到底，严禁悬吊。7.2.4导管安放时应将注浆喷头埋入沉渣或虚土中一定深度，注浆管喷头制作时既要避免出浆口被外侧水泥浆封堵，又要保证开塞时喷浆口可以充分打开。7.2.5桩侧注浆的注浆喷头位置宜选在砂性土土层，桩侧摩阻力相对较小的位置。7.2.6注浆过程中，应优先采用低压、慢速注浆，让浆液在土层中充分渗透融合，以达到最佳的加固效果。只有浆液注入困难时才逐步提高注浆压力，最高注浆压力一般在最后阶段使用。7.2.7每次注浆施工前应及时通报监理工程师旁站，在监理工程师允许注浆时方可施工。7.2.8经常检查巡视待注浆桩导管留口的保护情况。7.2.9后注浆施工操作应严格按后注浆施工工艺要求实施，遇特殊情况及时上报并如实记录在桩身混凝土达到设计要求条件下，单桩承载力检测应该在注浆20天以后进行，掺用早强剂时可以根据实际情况15天后进行。8.安全措施8.1安全防护8.1.1施工作业人员施工时必须佩戴安全帽。8.1.2施工场地设置交通标志灯、交通警示牌，做好交通运输安全工作。8.1.3施工作业场所所有可能坠落的物件，应一律先行撤除或加以固定。8.2注浆注意事项8.2.1注浆施工应由专业施工人员进行，注浆作业前应对工艺流程、注浆顺序和注意事项进行技术交底。8.2.2注浆作业过程中严禁施工人员和车辆碰撞碾压注浆软管。注浆高压泵及其他电动设备在使用过程中，应该设置漏电保护装置，确保施工安全。8.2.3灌注桩成孔和注浆作业应该保证足够的安全距离，防止浆液流失，同时也保证施工人员的安全。8.2.4在进行高压注浆作业时，注浆软管对面严禁站人，注浆部位应设置隔离带，非相关人员严禁靠近。8.3用电安全8.3.1配电系统分级配电，配电箱、开关箱外观完整、牢固、防雨防尘，其安装形式符合相关规定。8.3.2所有电器设备及其金属外壳按规定设置可靠的接地保护。8.3.3施工现场所有用电设备，按规定设置漏电保护装置，禁止肆意乱拉电线。8.3.4现场各种用电设备安装使用必须符合规范要求。9.环保措施9.0.1施工中认真遵守国家现行的有关环境保护法律，严格控制新污染和逐步治理老污染，坚持“以防为主、防治结合、综合治理、化害为利”的原则，采用有利措施，防止污染和破坏自然环境。9.0.2执行国家、地方、行业有关空气污染、水源污染、噪声污染的环保法律、法规、及现场的管理制度。严格控制施工现场的粉尘、噪声、震动，消除污水污染。9.0.3管理上严格控制人为噪声，进入现场不得高声喊叫，无故敲击、吹哨，声源上采用低噪声电动工具，电动空压机、电锯等。9.0.4在工地现场设置专用的排水沟、集浆池，防止管内余浆和冲洗污水乱