粉质黏土中后注浆螺旋桩抗拔性能现场试验

《Marine Structures》：Field tests on uplift performances of post-grouted helical pile embedded in silty clay

　　

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  周围土体的扰动区延伸至约4倍螺旋叶片直径处。
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  后注浆使螺旋桩的抗拔承载力提高0.68~4.33倍。
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  后注浆减小了表层土体的变形响应。
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  采用理论方法分析了后注浆强度参数的敏感性。

引言

配备模块化钢板构件的螺旋桩可显著提高桩体的抗拉和抗压承载性能[1]。这类桩具有安装简便、安装设备轻便以及承载力快速发挥等特点，可有效降低安装成本。同时，螺旋桩对复杂海洋环境表现出优异的适应性。由于其出色的施工稳定性和全生命周期成本优势，近年来螺旋桩被认为是海洋工程领域一种潜在的基础替代型式。它们可作为海上风电平台、三脚架结构和系泊系统的基础[2]。Cerfontaine等[3]指出，未来十年内风电机组或波浪能转换器等漂浮式海上结构的海洋部署将大幅增加。然而，在螺旋桩施工过程中，桩体推进、螺旋叶片旋入土体，土体受到剪切并向外侧位移。因此，桩周土体反复受到切割和扰动，导致原位土体结构遭到破坏[4]。这一效应使得实际承载力低于预期值，对于多叶片螺旋桩和大直径螺旋叶片的情况尤为显著[5]。在某些工程项目中，螺旋桩安装适宜的承载地层要么过深，要么过硬难以穿透[6]。在这些情况下，螺旋桩基础在经济上和技术上均不可行[7]。Ebrahimipour和Eslami[8]强调，在优化海上深基础系统时，考虑不良海洋沉积物和土体改良的重要性。因此，推荐采用后注浆技术来克服这一局限，通过改善桩土界面性质[9]。

大量关于不同类型预制桩的研究，包括大直径钢混组合桩[10]、后注浆螺旋桩[11]、注浆钢管微型桩[12]等，已表明后注浆技术可有效提高桩的承载力[13]。近年来，在各种土质条件下（如砂土、残积土）对后注浆螺旋桩进行了许多现场试验和模型试验，以分析其承载特性。截锥形约束容器（FCV）装置被证明是一种可靠的方法，可在原位应力条件下模拟锥形桩和后注浆桩的拔出力[14]。Dos Santos Filho[7]对巴西典型残积土中41根螺旋桩的抗拔承载力进行了试验，比较了两种不同注浆工艺（使用和不使用充气密封器）的影响，结果表明充气密封器可进一步提高注浆均匀性。不同土质条件下的螺旋桩现场试验表明，注浆在砂土中的改善效果大于黏性土[15]。澳大利亚后注浆螺旋桩现场试验表明，80升水泥浆可使轴向刚度和承载力翻倍[16]。模型试验表明，受扰动土体的强度约为原状土体的一半，后注浆可有效提高螺旋桩的承载力[17]。相关学者开发了双向螺旋加筋水泥搅拌桩技术，该技术经验证可提高桩的承载力达49%[18]。Cen等[19]利用扫描电镜能谱分析（SEM-EDS）图像揭示了硬化注浆材料的加固机理。综上所述，以往的研究主要侧重于通过对比注浆前后的荷载-位移曲线来研究砂土中后注浆螺旋桩的承载力。然而，周围土体的注浆响应和抗拔承载力提升机理尚不明确，尤其是对于粉质黏土场地。

鉴于上述不足，本研究在粉质黏土场地进行了螺旋桩安装和抗拔载荷试验，并对两根试验螺旋桩进行了后注浆处理。在试验场地预埋传感器，以测量桩体施工和注浆过程中周围土体土压力和孔隙水压力的动态变化。对后注浆螺旋桩进行了轴向抗拔载荷试验，系统揭示了粉质黏土中后注浆螺旋桩的抗拔承载特性和桩土相互作用机理。同时，对试验桩的抗拔承载力进行了理论计算和分析，以讨论后注浆强度参数的影响。研究结果将为粉质黏土场地中后注浆螺旋桩的承载力设计提供重要参考。

章节摘要

岩土条件

试验场地位于中国淮北地区。根据现场地质勘察，地层结构自上而下主要由粉质黏土和粉土组成。第一层粉质黏土厚度约为2.0 m，呈塑状，中等压缩性。第二层粉质黏土厚度约为1.8 m，状态为软塑至可塑，高压缩性。第三层粉质黏土厚度约为4.7 m，

螺旋桩安装响应

Pile B和Pile C施工阶段各深度的水平土压力增量（Δσ）如图6所示。对比图6(a~c)和图6(d~f)可以看出，两根桩的土压力响应存在细微差异。这种差异可归因于土体的各向异性，但不影响试验结果的可重复性和真实性。随着贯入深度的增加，相应深度处的土压力一般

结论

本研究通过现场试验分析了注浆行为对螺旋桩抗拔承载力的影响。讨论了周围土体的贯入和注浆响应以及未注浆螺旋桩的抗拔承载力，以理解后注浆螺旋桩的注浆机理。得出以下结论：

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  桩体施工和注浆施工引起的土体压实效应既有相似之处，也存在差异。沿桩深方向，

CRediT作者贡献声明

Yan Zhong：概念化、方法学、软件、初稿撰写。Shuaijun Hu：资金获取、概念化、调查研究、审稿与编辑。Huafeng Deng：资源提供、审稿与编辑。Xiaoliang Xu：资源提供、审稿与编辑。Benwei Zou：调查研究、方法学。Gangqiang Kong：概念化、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到湖北省自然科学基金（项目编号：2026AFB375）的资助。

Yan Zhong | Shuaijun Hu | Huafeng Deng | Xiaoliang Xu | Benwei Zou | Gangqiang Kong