麥秸稈石灰樁加固既有村鎮(zhèn)房屋地基基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

周 戟，郭 蓉，趙宣朝，竇遠(yuǎn)明

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

我國目前居住在農(nóng)村的人口占總?cè)丝诘?7%，廣大農(nóng)村地區(qū)的住宅多數(shù)為低矮房屋，這些房屋結(jié)構(gòu)簡單，地質(zhì)條件各式各樣，一般都未地質(zhì)勘查和設(shè)計(jì)．并且由于安全和防災(zāi)意識(shí)淡薄，存在大量建于山坡、河灘、回填土等軟弱不均的地基土上的建筑，還有大批建造于濕陷性黃土、膨脹土、凍土等特殊地基土上的建筑，這些村鎮(zhèn)建筑建筑多出現(xiàn)地基基礎(chǔ)不均勻沉降或沉降過大，給村鎮(zhèn)建筑帶來很大不良影響．

村鎮(zhèn)建筑拆建費(fèi)用較高，以及對(duì)正常生活秩序的影響等問題，使人們更多的關(guān)注村鎮(zhèn)房屋的加固改造上來．但《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》中的加固方法多是針對(duì)城鎮(zhèn)建筑，而在村鎮(zhèn)低矮房屋中盲目套用現(xiàn)有加固方法，造成設(shè)計(jì)不合理，施工復(fù)雜，費(fèi)用較高，并不符合當(dāng)前我國廣大農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)條件．本文在總結(jié)已有加固方法和前人相關(guān)試驗(yàn)[1-4]基礎(chǔ)上設(shè)置麥秸稈石灰樁[5]的加固方法．

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)的總裝置如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)在模型箱內(nèi)進(jìn)行，采用機(jī)械千斤頂加載通過條形鋼板模擬條形基礎(chǔ)施加條形荷載，反力梁提供反力，通過力傳感器讀取施加荷載大小；在土體設(shè)計(jì)位置埋設(shè)壓力盒，并通過靜態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取壓力盒數(shù)據(jù)．

模型箱采用普通鋼板焊接加工而成，長、寬、高凈尺寸為190 cm、110 cm、150 cm，鋼板厚3 mm．試驗(yàn)箱體正立面部分采用10mm厚的有機(jī)玻璃板制成，其主要目的是在試驗(yàn)過程中可以通過透明的有機(jī)玻璃直觀的觀測(cè)到地基土體的變化．

試驗(yàn)所用基礎(chǔ)模型為槽型鋼加工而成，為保證槽鋼有足夠的抗彎剛度，在凹槽內(nèi)每隔20 cm焊接L50×5角鋼作為加勁肋．加工后的槽型鋼作為條形基礎(chǔ)模型，基礎(chǔ)的長、寬、高分別為100cm、20cm、6cm．加載時(shí)為方便在放置千斤頂，在槽鋼中央放置一個(gè)直徑35cm、厚2.5 cm的圓形鋼板．

圖1 模型試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of model test device

1.2 模型地基用土

根據(jù)對(duì)北京、天津、河北以及河南等地區(qū)村鎮(zhèn)調(diào)研資料，并結(jié)合村鎮(zhèn)房屋淺層地基密度，設(shè)定模型地基土密度為1.80g/cm3，含水量設(shè)定為16%．地基土料按容重法填入，每層鋪設(shè)厚度為100mm，用特制的搗實(shí)器按照某種次序夯實(shí)，以保證每層土的密實(shí)度基本相同．靜置1 d充分固結(jié)后，取土樣做土工試驗(yàn)，得到其基本物理力學(xué)指標(biāo)，見表1．

表1 試驗(yàn)?zāi)M地基土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physics of foundation soil indicators

另外，在鋼化玻璃邊每100mm厚撒布不同顏色的粉末，鋪成薄層，在試驗(yàn)時(shí)以觀察地基土的變形情況．

1.3 模型樁材料

樁體材料采用麥秸稈、石灰和土，比例為0.25%∶8%∶1．

麥秸稈：麥秸稈取自于邯鄲市復(fù)興區(qū)，人工收割，整根長50～70cm，每根4～5個(gè)莖節(jié)，直徑2～3mm之間，麥秸稈壁厚0.498～0.665 mm．選擇順直一致、粗細(xì)均勻、且無破裂折斷的麥秸稈，將其剪為試驗(yàn)所需的長度．由于麥秸稈中層和內(nèi)層的主要成分是木素和纖維素，且組織疏松，具有較強(qiáng)的吸水性能，在地基中很容易吸水分解，并受到腐蝕，所以麥秸稈耐久性處理很重要．可以將麥秸稈浸泡在清漆、瀝青和膠等憎水性溶劑中，本次試驗(yàn)采用清漆防腐．

石灰：石灰采用天津雙口鎮(zhèn)灰粉廠生產(chǎn)的消石灰，有效氧化鈣、鎂含量為56.2%，符合三級(jí)石灰標(biāo)準(zhǔn)．

土：樁身所用土取自天津市寧河某建筑工地基坑內(nèi)，通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)確定其最佳干密度為1.7 g/cm3，最優(yōu)含水量為22%．

圖2 模型樁加固地基土平面布置圖Fig.2 Layout plan of model piles

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)模型試驗(yàn)內(nèi)容以及試驗(yàn)裝置條件，本試驗(yàn)共2個(gè)試驗(yàn)：試驗(yàn)一，素填土條形基礎(chǔ)加載試驗(yàn)；試驗(yàn)二，麥秸稈石灰樁條形基礎(chǔ)兩側(cè)加固的加載試驗(yàn)．

2.1 樁布置

2.2 加載方案[6-7]

試驗(yàn)加載依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2002》附錄C淺層平板載荷試驗(yàn)要點(diǎn)執(zhí)行．分級(jí)加載，每級(jí)加載10 kPa，即2 kN．

2.3 觀測(cè)方案[6-7]

在模型基礎(chǔ)中間安裝四個(gè)百分表，如圖3所示．

圖3 沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout diagram of settlement observation points

圖4 試驗(yàn)一地基土裂縫示意圖Fig.4 Schematic plot of thefoundation soil fissureof test 1

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

1）試驗(yàn)一：在第7級(jí)荷載（14.0kN）時(shí)基礎(chǔ)邊緣出現(xiàn)一條細(xì)微橫向裂縫，在第16級(jí)荷載（32.0kN）時(shí)，在基礎(chǔ)左側(cè)出現(xiàn)一條平行于基礎(chǔ)的裂縫，在第21級(jí)荷載（42.0kN）時(shí)，在基礎(chǔ)右側(cè)出現(xiàn)一條平行于基礎(chǔ)的裂縫，在第27級(jí)荷載（54.0kN）時(shí)，基礎(chǔ)左右靠近邊緣處又各出現(xiàn)兩條較短裂縫．各條裂縫隨著荷載的增加而不斷擴(kuò)展，試驗(yàn)加載完成后地基土表面的的裂縫情況如圖4所示，基礎(chǔ)兩側(cè)土體有輕微鼓起，邊緣土體破碎．

通過有機(jī)玻璃觀測(cè)白粉線的變化，可連續(xù)觀測(cè)到基礎(chǔ)下方地基土隨荷載增加的變形情況，如圖5所示．

2）試驗(yàn)二：本次試驗(yàn)加載過程中地基表層土并未出現(xiàn)平行于基礎(chǔ)的裂縫，只是出現(xiàn)了幾條垂直于基礎(chǔ)的細(xì)微裂紋．在試驗(yàn)后期，模型箱出現(xiàn)鼓脹變形現(xiàn)象，為防止模型箱變形破壞以及考慮對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)在第38級(jí)荷載（76.0 kN）后終止，所以該組試驗(yàn)未加載至地基土體破壞階段．本次試驗(yàn)在前32級(jí)荷載時(shí)，基礎(chǔ)沉降量較小，透過有機(jī)玻璃板觀測(cè)鋪設(shè)的白粉線無明顯位移，在施加第33級(jí)荷載（66.0 kN）后，基礎(chǔ)單級(jí)荷載沉降量明顯增大，并且在基礎(chǔ)下方0.5范圍內(nèi)出現(xiàn)兩條剪切破壞帶，一條與水平方向呈45°，另一條呈60°，加載完成后地基土變形觀測(cè)如圖6所示．

圖5 試驗(yàn)一地基土變形觀測(cè)曲線Fig.5 Thedeformation observation curve of foundation soil test 1

圖6 試驗(yàn)二地基土變形觀測(cè)曲線Fig.6 Thedeformation observation curve of foundation soil test 2

由圖中觀察可知，基礎(chǔ)壓縮變形幾乎全部集中于基礎(chǔ)板模型正下方，其兩側(cè)的白粉線沒有明顯變化，說明模型樁體將基礎(chǔ)板模型正下方土體的變形限制在其內(nèi)部，并且地基土的豎向變形深度主要在基礎(chǔ)下方2范圍內(nèi)，即上部荷載傳遞的壓力主要由該深度范圍的土體承受．土體沉降變形在基礎(chǔ)正下方同一深度上分布較均勻，隨深度的增加而減?。?/p>

試驗(yàn)結(jié)束后，挖出基礎(chǔ)下方的土體，并把麥秸稈石灰樁樁體顯露出來（如圖7所示），觀察樁身情況可知，樁身堅(jiān)硬，抗剪和抗壓強(qiáng)度大大高于地基土體；樁周土較普通地基土堅(jiān)硬，形成一層堅(jiān)硬致密的膠結(jié)層，不易挖出，并與樁體膠結(jié)在一起形成直徑大于麥秸稈石灰樁樁體本身的樁體結(jié)構(gòu)（如圖8所示）；大部分麥秸稈石灰樁1范圍內(nèi)有鼓脹，在1.25深度（約250mm）出現(xiàn)剪切變形（如圖9所示），在剪切變形部位，對(duì)稱的兩樁間距由原來的240 mm變?yōu)?90 mm．

通過對(duì)試驗(yàn)一和試驗(yàn)二完成后試驗(yàn)現(xiàn)象中的地基土裂縫、白粉線變形和基礎(chǔ)下方地基土剪切破壞帶的對(duì)比可知，在基礎(chǔ)兩側(cè)設(shè)置麥秸稈石灰樁加固后的地基，地基土的沉降變形主要集中在模型樁及樁體內(nèi)側(cè)區(qū)域，且相同荷載作用下，相同位置白粉線的位移要明顯小于未加固的地基，說明樁體將地基土的壓縮變形約束在樁體內(nèi)側(cè)，而且能夠有效的限制土體的側(cè)向變形；在地基土表層只出現(xiàn)細(xì)微的垂直于與基礎(chǔ)的裂縫，并且未出現(xiàn)與基礎(chǔ)平行的裂縫，說明樁體能夠使滑動(dòng)面不能貫穿樁身，阻止其與地基土表層形成整體，使得地基推遲破壞，能夠麥秸稈石灰樁能夠起到加固作用．

3.2 荷載-沉降曲線

2組試驗(yàn)所得荷載沉降曲線如圖10所示．

從圖10可以看出在荷載不大時(shí)，兩次試驗(yàn)的沉降量接近，都處于基底地基土壓縮過程，p-s曲線都呈直線段．隨著荷載的增大，試驗(yàn)二的沉降量明顯小于其未加固試驗(yàn)的沉降量，并且在一定荷載時(shí)，沉降量增長緩慢，趨于平行于P軸的水平線．兩次試驗(yàn)的承載力特征值和最終沉降量見表2.

圖7 成樁情況Fig.7 Thepile-forming of pile

圖8 麥秸稈石灰樁樁體與樁周土膠結(jié)Fig.8 Pilecement with thesoil around pile

圖9 麥秸稈石灰樁剪切變形Fig.9 Theshear deformation of wheatstraw-limepile

表2 兩組試驗(yàn)承載力特征值、最終沉降量對(duì)比Tab.2 Characteristic value of subgrade bearing capacityand thefinal settlement of two test

經(jīng)麥秸稈石灰樁加固后的地基承載力提高31%，并且比例界限明顯提高；兩次試驗(yàn)在施加了300 kPa荷載后，試驗(yàn)一的沉降量為28.04 mm，試驗(yàn)二的沉降量為11.35 mm，試驗(yàn)二的沉降量約為試驗(yàn)一的40%；同時(shí)試驗(yàn)二的地基在施加了終止荷載380kPa后，沉降量為17.81mm也小于試驗(yàn)一的最終沉降量，說明經(jīng)過麥秸稈石灰樁加固后的地基沉降量明顯減?。瑫r(shí)，加固后地基還會(huì)經(jīng)過一段比彈性變形階段小的樁身剪切變形階段（圖10），也使加固后的地基安全儲(chǔ)備更高一些．

3.3 麥秸稈石灰樁加固機(jī)理

通過綜合分析，總結(jié)麥秸稈石灰樁加固機(jī)理主要有以下兩方面．

1）約束作用

約束作用是麥秸稈石灰樁條形基礎(chǔ)兩側(cè)布置加固機(jī)理的主導(dǎo)因素．地基在受壓過程中會(huì)將一部分地基土向外側(cè)擠出，通過樁與地基土的摩擦可以限制樁身內(nèi)側(cè)的土體向樁外側(cè)移動(dòng)，就像把地基土限制在一個(gè)容器中，使地基變形主要變?yōu)榱司植客馏w壓縮，只有在局部空間內(nèi)土的剪力超過樁土摩擦阻力的時(shí)候，才能將土擠到樁外側(cè)區(qū)域，改變了地基土正常的破壞面形成發(fā)展，其約束作用主要取決于樁身的抗剪強(qiáng)度．通過在條形基礎(chǔ)兩側(cè)布置麥秸稈石灰樁限制了應(yīng)力向樁外側(cè)擴(kuò)散，使得一部分荷載傳遞到更深的土層，從而減小了地基沉降量，地基承載力也得到了提高．

2）阻隔作用

麥秸稈石灰樁相對(duì)于地基土具有較高的剛度以及抗剪強(qiáng)度，當(dāng)樁穿過地基固有的滑動(dòng)圓弧時(shí)就能夠阻止地基破壞弧面正常出現(xiàn)，阻斷破壞面的形成，改變地基的破壞形式，推遲地基破壞，從而提高地基的承載力．

圖10 2組試驗(yàn)p-s曲線對(duì)比Fig.10 Load-settlement curveof thethreetests

4 結(jié)論與建議

1）麥秸稈石灰樁加固地基可以有效阻止裂縫擴(kuò)展，改變地表裂縫發(fā)展形式；

2）經(jīng)過麥秸稈石灰樁加固后的地基承載力特征值能提高31%，基礎(chǔ)沉降量明顯減小，并且加固后地基還會(huì)經(jīng)過一段比彈性變形階段小的樁身剪切變形階段，也使加固后的地基安全儲(chǔ)備更高一些；

3）麥秸稈石灰樁在條形基礎(chǔ)兩側(cè)布置主要的作用是抗剪強(qiáng)度較高的樁體與樁周土共同作用對(duì)樁體內(nèi)側(cè)地基土形成側(cè)向約束，限制土體的側(cè)向擠出位移；并且抗剪強(qiáng)度較高的樁體阻止滑動(dòng)面穿過樁身，使得滑動(dòng)面不能向樁外側(cè)發(fā)展，推遲地基破壞．

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