基于不同灌浆材料的灌后桩竖向承载性能模型试验研究

脚下更稳固的支撑

现代城市依赖深基础——称为桩的长柱，将建筑、桥梁和铁路线的荷载传入地下。但在含砂土，尤其有地下水流动的环境中，这些桩的强度会随时间衰减。本研究探讨了一个看似简单但影响重大的想法：在桩施工完成后向其周围注入不同配方的流体混合物，哪种配方能使土体对桩的抓粘力最好，从而让重型结构更安全、更稳固？

工程师如何加固隐蔽的基础

研究人员把重点放在一种称为灌后注浆（post-grouting）的技术上。桩安装完成后，通过沿桩侧布置的细管将水状的水泥浆注入砂体。随着该混合物硬化，会在桩周形成一层加固壳体，能分担更多荷载。课题组比较了四种此类混合物——普通水泥、掺入硅酸钠的水泥、粉煤灰与水泥的混合物以及一种较新的材料地质聚合物，并与未灌浆的桩进行了对比。他们在装满砂的钢制大容器中构筑了受控的小尺度模型桩，部分试验还模拟了土体中的自然地下水流动。

观察桩在更少沉降下承载更多荷载

每根模型桩从顶部按步加载，仪器测量其沉降量及力如何沿桩长传递。四种灌浆桩在出现破坏迹象前均能承载明显高于未灌浆桩的荷载。粉煤灰—水泥和地质聚合物混合物几乎使桩的承载力翻倍，而普通水泥混合物则使承载力超过三倍。表现最出色的是水泥—硅酸钠混合物，其承载力几乎是裸桩的五倍，并保持载荷—沉降曲线平滑，表明随着荷载增加桩没有发生突发性下沉。

土体如何抓住桩身

测量结果显示，大部分额外强度并非来自桩端对土的压迫，而是来自桩侧的摩擦阻力。灌浆后，从桩顶到桩尖的力衰减更快，说明周围砂体参与程度更高。在最佳情况下，水泥—硅酸钠混合物的平均侧向阻力超过未灌浆桩的五倍。在有地下水流动的条件下，这种双液灌浆相较于普通水泥表现出明显优势，因为它固化更快、渗漏更少，并在桩轴周围形成更厚、更有效的加固带。

颗粒层面的发生

为了解为何某些混合物效果更好，研究组切取了硬化灌浆样品并用扫描电子显微镜观察。未经处理的砂粒呈现棱角分明且松散堆积，存在许多空隙。灌浆后，各种混合物均留下了微观晶体和凝胶的网络，将砂粒粘结在一起并填充孔隙。水泥—硅酸钠混合物生成了最致密的交织状产物网，形成紧锁结构。地质聚合物也形成了大量粘结物，而粉煤灰—水泥混合物则观测到许多未反应的粉煤灰球体，表明其强度受限于未完全固化。

对工程项目的现实意义

对非专业读者来说，结论很直接：在桩周注入合适的流体可以显著提升桩的安全承载能力并减少沉降，即便在受地下水影响的砂土中亦然。尽管所有测试的灌浆都有助益，水泥—硅酸钠混合物以其快速凝结、强粘结和抗冲刷能力脱颖而出。这为工程师提供了朝向更可靠、可能更短或更细桩身的设计方向，有助于减少材料用量和成本，同时提高上部结构的安全性。

引用: Chu, C., Yi, T., Qin, Y. et al. Model test study on the vertical bearing performance of post-grouted piles based on different grouting materials. Sci Rep 16, 14635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44882-x

关键词: 桩基, 地基改良, 灌浆材料, 砂土, 地质聚合物