深層水泥攪拌樁在軟土地基處理中的應(yīng)用分析

Analysis on the Application of Deep Cement Mixing Pile to Soft Ground Treatment

易建軍YI Jianjun

作者簡(jiǎn)介:易建軍(1954-)，男，湖南石門人，湖南常德市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司工程師，從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作。

摘 要:本文結(jié)合筆者多年建筑工程實(shí)踐，詳細(xì)分析介紹了深層水泥攪拌樁在軟土地基處理中的加固原理，并對(duì)其設(shè)計(jì)與施工中樁身應(yīng)力傳遞規(guī)律、墊層效應(yīng)、樁土應(yīng)力比，邊載作用對(duì)復(fù)合沉降的影響等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析探討，并進(jìn)行了總結(jié)和建議。

關(guān)鍵詞:深層水泥攪拌樁;軟土地基;加固處理;沉降;墊層效應(yīng)

中圖分類號(hào):TU472.3+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)02-0135-03

1深層水泥攪拌樁的加固原理

深層水泥土攪拌樁系指利用水泥(或石灰)等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基深處，就地將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土攪拌樁。這種水泥土攪拌樁與樁周土一起組成復(fù)合地基，從而提高地基承載力，減少地基沉降，現(xiàn)已在建筑工程軟土地基加固處理中得到廣泛的應(yīng)用。

在深層水泥土攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與施工中，人們尤為關(guān)注的是復(fù)合地基在承載力和沉降量的計(jì)算，而影響復(fù)合地基的承載力和沉降量的因素很多，例如單樁承載力、地基土承載力、水泥土攪拌樁的置換率、樁-土應(yīng)力比、上部的荷載的分布情況、復(fù)合地基應(yīng)力傳遞規(guī)律以及墊層的設(shè)置情況等。而影響樁-土影力比的因素又包括樁間樁端土的物理性質(zhì)、樁間距、墊層的設(shè)置情況以及上部的荷載的分布情況等，在諸多因素中樁-土應(yīng)力比和復(fù)合地基中的樁與土的應(yīng)力傳遞規(guī)律更是難以確定。

2樁身應(yīng)力傳遞規(guī)律

深層水泥土攪拌樁復(fù)合地基的應(yīng)力傳遞規(guī)律不同于單樁應(yīng)力傳遞規(guī)律，在水泥土攪拌樁復(fù)合地基的實(shí)際應(yīng)用中首先要解決的理論問題應(yīng)該是水泥土攪拌樁的應(yīng)力傳遞規(guī)律。圖1是三種樁土模量比時(shí)，基礎(chǔ)頂面作用相同豎向荷載時(shí)樁身軸力沿樁長(zhǎng)分布圖。樁土模量比越高，樁頂反力越大，最大軸力出現(xiàn)在樁頂。圖2是側(cè)摩阻力沿樁長(zhǎng)分布圖，與無(wú)基礎(chǔ)時(shí)樁側(cè)摩阻力分布有較大區(qū)別，由于基礎(chǔ)對(duì)樁土接觸面相對(duì)滑移的限制，樁頂以下約2倍樁徑深度范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力較小，樁頂處幾乎為零，而無(wú)基礎(chǔ)時(shí)樁身上部側(cè)摩阻力最大。樁土接觸面相對(duì)滑移量沿樁長(zhǎng)的分布規(guī)律與樁側(cè)摩阻力分布曲線相似，樁頂處樁土接觸面相對(duì)滑移為零。與樁土接觸面位移是協(xié)調(diào)的傳統(tǒng)概念相比，樁土接觸面還是存在相對(duì)滑移的，雖然相對(duì)滑移量很小，但從水泥土樁模型試驗(yàn)結(jié)果看，僅需不大的相對(duì)滑移量即能使樁側(cè)摩阻力發(fā)揮。而該相對(duì)滑移主要發(fā)生在自樁頂至樁頂以下4m～6m范圍內(nèi)，樁土模量比越大，產(chǎn)生相對(duì)滑移的深度越大，但幾乎很難超過(guò)7m深?；A(chǔ)承臺(tái)的存在限制了樁頂部分的樁土接觸面相對(duì)滑移，削弱了樁身上部側(cè)摩阻力。

由圖1、圖2分析可得出:①樁身最大軸力發(fā)生在樁頂，側(cè)阻力最大值發(fā)生在樁頂下2m左右的范圍內(nèi);②傳到樁端的荷載占樁頂荷載的比例較小;③樁體的變形、軸力和側(cè)阻力主要集中在樁頂?shù)脚R界樁長(zhǎng)的范圍內(nèi);④水泥土攪拌的破壞主要發(fā)生在淺層。

3墊層效應(yīng)分析

墊層效應(yīng)是指水泥土攪拌樁復(fù)合地基在樁頂設(shè)置褥墊層，褥墊層對(duì)復(fù)合地基中水泥土樁的應(yīng)力傳遞規(guī)律以及樁-土應(yīng)力比的影響及其相關(guān)性在水泥土攪拌復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，一般要在樁及樁間土組成的復(fù)合地基與基礎(chǔ)之間設(shè)計(jì)柔性墊層，以減少地基沉降，協(xié)調(diào)樁土共同作用，提高地基承載力。圖3為某一室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基的工作機(jī)理進(jìn)行研究的結(jié)果分析曲線。

持力層剛度的較小時(shí)，樁-土應(yīng)力比隨著墊層厚度變化并不明顯，樁土應(yīng)力比均保持在10左右。樁端持力層剛度的不同對(duì)樁身荷載的傳遞有一定影響。持力層剛度越小，樁側(cè)摩阻力越大，樁底的樁身應(yīng)力越小，樁間土作用通過(guò)“環(huán)箍效應(yīng)”發(fā)揮出來(lái)，這種效應(yīng)將先于墊層發(fā)揮作用。除此之外，隨著持力層剛度的減小，水泥土樁的有效樁長(zhǎng)減小，從抵抗變形的角度來(lái)看，這是不利的。而不加設(shè)墊層恰恰會(huì)增加有效樁長(zhǎng)，使樁的作用充分發(fā)揮出來(lái)。綜上所述，當(dāng)持力層比較軟弱時(shí)，可以不加設(shè)墊層，以免造成不必要的浪費(fèi)。持力層剛度較大時(shí)樁-土應(yīng)力比隨著墊層厚度發(fā)生明顯變化。

通過(guò)對(duì)圖3分析我們可以得出如下結(jié)論。

①水泥攪拌樁中墊層的設(shè)置及厚度的大小是為了使樁土共同作用協(xié)調(diào)變形，只有當(dāng)樁間土能發(fā)揮最大效用時(shí)，才能形成復(fù)合地基，所以復(fù)合地基的形成是與地基條件及樁的設(shè)計(jì)模式有關(guān)的，墊層的厚度也并非越厚越好，在不同情況下應(yīng)合理地設(shè)置墊層。

②持力層的剛度對(duì)墊層的設(shè)置有不可忽略的影響。當(dāng)持力層比較軟弱時(shí)，墊層的設(shè)置對(duì)水泥攪拌樁的工作狀態(tài)沒有太大的影響，可以不予設(shè)置。

③水泥土攪拌樁復(fù)合地基在持力層的剛度相對(duì)較大的情況下，設(shè)置適當(dāng)厚度的褥墊層，提高樁間土對(duì)復(fù)合地基承載力的貢獻(xiàn)、提高水泥攪拌樁復(fù)合地基的處理效果。有的試驗(yàn)也證明在復(fù)合地基承載力中，由于墊層的設(shè)置，樁的貢獻(xiàn)可提高40%，樁間土的貢獻(xiàn)也有所提高。

另?yè)?jù)有關(guān)試驗(yàn)證明:當(dāng)其它條件不變時(shí)，當(dāng)墊層變形模量增大時(shí)樁-土應(yīng)力比也增大;當(dāng)墊層變形模量到某一臨界值后樁-土應(yīng)力比趨向一定值。

4樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比是指水泥攪拌樁復(fù)合地基中，由于樁、樁間土物理性質(zhì)的差異等多種因素所產(chǎn)生的樁身應(yīng)力與樁間土附加應(yīng)力的差異及其比值。

對(duì)于水泥土攪拌樁復(fù)合地基，由于樁體的強(qiáng)度和變形模量明顯大于樁間土，樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分荷載由樁體承擔(dān)，隨著樁體強(qiáng)度和變形模量的增大，樁間土的應(yīng)力相應(yīng)減少，樁體的作用更加明顯。但是，作為復(fù)合地基，并不是樁體的強(qiáng)度和模量越大越好，應(yīng)該同時(shí)注意發(fā)揮樁間土的作用，當(dāng)樁間土的作用小到一定程度，就不能作為復(fù)合地基。作為復(fù)合地基應(yīng)盡量發(fā)揮樁間土承載力的作用，協(xié)調(diào)樁-土變形，確保工程安全、經(jīng)濟(jì)。

對(duì)于由具有一定強(qiáng)度的水泥土攪拌構(gòu)成的復(fù)合地基，樁體和樁間土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在持力層的剛度較大且樁頂為剛性基礎(chǔ)時(shí)，由于樁-土的變形模量相差較大，樁體已經(jīng)破壞時(shí)，樁間土的承載力還沒有允許發(fā)揮。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁-土應(yīng)力比如何取值的影響因素很多，如樁間樁端土的物理性質(zhì)、樁間距、墊層的設(shè)置情況以及上部的荷載的分布情況等，而且前的確定方法主要靠經(jīng)驗(yàn)且不同設(shè)計(jì)人員差別很大，筆者認(rèn)為這方面有待進(jìn)一步的研究。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況確定適當(dāng)?shù)臉堕L(zhǎng)、樁間距、面積置換率、水泥摻入比、墊層等以期使樁-土協(xié)同工作得以最佳。

5邊載作用的影響

邊載作用的影響是指在水泥土攪拌樁復(fù)合地基頂部由于填土以及地面荷載等因素產(chǎn)生的樁周土體附加應(yīng)力，該附加應(yīng)力對(duì)復(fù)合地基的沉降、承載力的影響及其相關(guān)性。

水泥土攪拌復(fù)合地基中柔性墊層的設(shè)置使樁與樁間土的變形一致，避免了負(fù)摩擦力的產(chǎn)生，化不利為有利，這與邊載下剛性樁基頂部往往出現(xiàn)負(fù)摩擦力而導(dǎo)致承載力下降是截然不同的。特別是在道路工程建設(shè)中，當(dāng)?shù)孛娉惺艽竺娣e堆載作用時(shí)，地基土內(nèi)會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，隨著時(shí)間的推移，土體內(nèi)的超孔隙水壓力逐漸消散，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，從而導(dǎo)致樁間土的密實(shí)度及樁周土的承載力增大。對(duì)于單側(cè)邊載下的水泥土攪拌樁復(fù)合地基，雖然也存在上述兩方面的作用名但其在單側(cè)邊載作用下的樁體收力模式與環(huán)形邊載下的樁體受力模式截然不同。在環(huán)形邊載作用下，樁受對(duì)稱力作用，不存在側(cè)向變形。而對(duì)于單側(cè)邊載下的水泥土攪拌樁復(fù)合地基，樁兩側(cè)的壓力不平衡，樁也隨之產(chǎn)生側(cè)向變形而將導(dǎo)致對(duì)樁身處土體側(cè)向變形的約束作用減小，使土體對(duì)樁身的側(cè)向壓力相應(yīng)減小，土與樁脫離，土的作用不能發(fā)揮出來(lái);而樁后土體對(duì)樁身的反作用力隨之增加。顯然，樁身側(cè)向變形的最終結(jié)果是荷載一側(cè)的土體對(duì)樁身的側(cè)向壓力逐漸減小，樁身后土體對(duì)樁身的反作用力逐漸增大，當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，樁體便停留在這個(gè)新的位置上，樁體產(chǎn)生側(cè)移。

由圖5、圖6分析可得出如下結(jié)論:

1) 環(huán)形邊載作用使水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力有較大提高，而單側(cè)邊載使水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力降低。在同一荷載作用下，環(huán)形邊載條件下的沉降量低于無(wú)邊栽時(shí)的沉降量，而單側(cè)邊載作用下的沉降比無(wú)邊載時(shí)大。

2) 邊載對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基中的單樁承載力影響不大，但對(duì)樁周土承載力的提高影響顯著。

6結(jié)論及建議

1)水泥土攪拌樁樁體的變形、軸力和側(cè)阻力主要集中在樁頂?shù)脚R界樁長(zhǎng)的范圍內(nèi)，傳到樁端的荷載占樁頂荷載的比例較小，樁體的破壞主要發(fā)生在淺層。

2)水泥土攪拌樁復(fù)合地基中墊層的設(shè)置使樁土共同作用協(xié)調(diào)變形，使樁間土發(fā)揮效用提高，但墊層的厚度也并非越厚越好，在不同情況下應(yīng)合理地設(shè)置墊層;持力層的剛度對(duì)墊層的設(shè)置有不可忽略的影響，當(dāng)持力層比較軟弱時(shí)，墊層的設(shè)置對(duì)水泥土攪拌樁的 工作狀態(tài)沒有太大的影響，可以不予設(shè)置。

3)水泥土攪拌樁復(fù)合地基-土應(yīng)力比如何取值的影響因素很多，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況確定適當(dāng)?shù)臉稄?、樁間距、面積置換率、水泥摻入比、墊層等以期使樁-土協(xié)同工作得以最佳。

4)環(huán)形邊載作用使水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力有較大提高，而單側(cè)邊載使水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力降低;在同一荷載作用下，環(huán)形邊載條件下的沉降量低于無(wú)邊載時(shí)的沉降量，而單側(cè)邊載作用下的沉降比無(wú)邊載要大。

上述分析是對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論中存在的問題進(jìn)行定性和部分定量分析，可供具體工程借鑒參考。

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