水泥攪拌樁復(fù)合地基若干關(guān)鍵問(wèn)題研究評(píng)述

苗 壯

(中鐵二院西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

水泥攪拌樁復(fù)合地基若干關(guān)鍵問(wèn)題研究評(píng)述

苗 壯

(中鐵二院西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

從復(fù)合地基承載力的確定、樁土相互作用受力機(jī)理、沉降量計(jì)算及預(yù)測(cè)三個(gè)方面分析了水泥攪拌樁復(fù)合地基研究中的若干關(guān)鍵問(wèn)題，并對(duì)取得的成果進(jìn)行了闡述，同時(shí)指出了今后需進(jìn)一步探討的內(nèi)容要點(diǎn)，為工程施工技術(shù)水平的提高奠定基礎(chǔ)。

水泥攪拌樁，復(fù)合地基，沉降量，預(yù)測(cè)

水泥攪拌樁加固軟土的基本原理是基于水泥與土的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)專(zhuān)門(mén)機(jī)械設(shè)備將水泥噴入處理的軟土地基內(nèi)，并在噴注過(guò)程中將水泥與土體攪拌均勻，使水泥與土體發(fā)生一系列水解和水化反應(yīng)，生成水泥水化物并形成膠凝體[1]，形成的樁體具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性，與周?chē)馏w一起組成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載。水泥攪拌樁復(fù)合地基在施工完成一個(gè)月后，就可達(dá)到一定的強(qiáng)度，相對(duì)于排水固結(jié)法，該法施工速度較快、加固效果良好，廣泛應(yīng)用于軟土地基處理中。

雖然水泥攪拌樁已得到了廣泛的應(yīng)用，但一些設(shè)計(jì)理論問(wèn)題仍不成熟。由于地層本身的非均勻性、各向異性，以及樁體與土體相互作用機(jī)理十分復(fù)雜，基于許多假設(shè)和簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)理論往往與工程實(shí)際存在一定誤差，這種誤差的解決需要大量工程經(jīng)驗(yàn)的積累，工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)對(duì)設(shè)計(jì)理論的檢驗(yàn)，有助于推動(dòng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和完善。文獻(xiàn)[2]指出，水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算水平遠(yuǎn)低于地基承載力的，也與工程實(shí)踐存在一定誤差[2]。因此，本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，探討水泥攪拌樁目前研究中的一些關(guān)鍵問(wèn)題及未來(lái)需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

1 復(fù)合地基承載力的確定

水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力與許多因素有關(guān)，與單樁承載力、樁周土的工程性質(zhì)以及兩者之間的相互作用有關(guān)，承載力一般可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)或理論計(jì)算確定，靜載試驗(yàn)最能夠反映承載力的作用機(jī)理，但靜載試驗(yàn)往往花費(fèi)較大，在現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)不可取的情況下，可以借助于理論公式計(jì)算單樁豎向抗壓極限荷載。目前計(jì)算方法主要有兩種，即灌注樁相似法和樁土相互作用法(規(guī)范推薦的方法)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為水泥攪拌樁的工作機(jī)理與混凝土灌注樁的極為相似，因此建議采用灌注樁的極限荷載理論計(jì)算水泥攪拌樁的。該法取按樁身承載力和樁與樁周土強(qiáng)度兩個(gè)條件決定的承載力的較小值[4]，見(jiàn)式(1)；對(duì)于復(fù)合地基承載力，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基靜力載荷試驗(yàn)求得，或按式(2)計(jì)算：

Rk=ηfcu,kAp，Rk=qsUpl+αApqp

(1)

(2)

限于篇幅，公式符號(hào)具體意義可參見(jiàn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》。

2 樁土相互作用受力機(jī)理

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是揭示水泥攪拌樁復(fù)合地基在荷載作用下受力變形特征規(guī)律一種非常重要的手段，目前工程界十分重視其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[5,6]，試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容有：?jiǎn)螛逗蛷?fù)合地基承載力試驗(yàn)、路基沉降和側(cè)向變形、樁土應(yīng)力比和荷載傳遞規(guī)律等，通過(guò)在地基內(nèi)埋設(shè)相關(guān)測(cè)試儀器進(jìn)行觀測(cè)，及時(shí)反饋工程信息，對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)。工程監(jiān)測(cè)受試驗(yàn)儀器、場(chǎng)地復(fù)雜程度等諸多因素影響，測(cè)試結(jié)果也不盡相同，許多測(cè)試方法還有待改進(jìn)。

文獻(xiàn)[7]分析了用測(cè)斜儀測(cè)量軟土路基側(cè)向變形存在的問(wèn)題，考慮了軟土層頂部硬殼層對(duì)測(cè)斜管的約束及測(cè)斜管與軟土剛度差異等影響因素，探討了測(cè)斜管與軟土相互作用的力學(xué)機(jī)理及位移計(jì)算方法。在樁土應(yīng)力比研究方面，文獻(xiàn)[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了樁土應(yīng)力比的測(cè)試結(jié)果；文獻(xiàn)[9]認(rèn)為柔性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基樁土應(yīng)力比n數(shù)值遠(yuǎn)比剛性基礎(chǔ)下小得多，指出了規(guī)范推薦的n=3～6偏大，樁土應(yīng)力比在加荷初期最大，隨著荷載的增加而減小，后又增加呈波浪形變化；文獻(xiàn)[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并結(jié)合樁間土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)，分析了樁土應(yīng)力比產(chǎn)生的機(jī)理，指出樁身材料表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，而樁間土表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，所以樁土應(yīng)力比先是增大，達(dá)到峰值后逐漸減?。淮送?，文獻(xiàn)[11]根據(jù)攪拌樁荷載傳遞規(guī)律分析提出了包含樁頂沉降量的樁土應(yīng)力比公式；文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)復(fù)合地基上部填土的力學(xué)分析，推導(dǎo)出一個(gè)求解樁頂平面處的樁土應(yīng)力比公式。柔性路堤下的水泥攪拌樁復(fù)合地基和剛性基礎(chǔ)下的水泥攪拌樁復(fù)合地基的受力機(jī)理不同，文獻(xiàn)[13]通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)M樁土的應(yīng)力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)路堤下的水泥攪拌樁地基，樁土沉降量并不同步，樁土應(yīng)力比達(dá)到峰值小于預(yù)壓期；當(dāng)樁間距一定時(shí)，外荷載越大，樁土應(yīng)力比反而降低。

3 沉降量計(jì)算及預(yù)測(cè)

3.1 沉降量計(jì)算

目前水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降理論的實(shí)用計(jì)算方法，包括復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法和樁身壓縮量法三種。這些方法都認(rèn)為復(fù)合地基的沉降量由復(fù)合土層的沉降量S1和樁端以下未加固土層的沉降量S2兩部分組成，即：S=S1+S2。復(fù)合加固土層的壓縮量一般可取10 MPa～30 MPa，目前較為成熟的計(jì)算方法包括：

1)復(fù)合模量法，根據(jù)樁土置換率、樁身壓縮模量、樁間土壓縮模量，換算成一種壓縮模量，稱(chēng)為復(fù)合模量，在加固土層內(nèi)，用該復(fù)合模量計(jì)算該層的沉降量，可采用分層綜合法或應(yīng)力面積法。2)應(yīng)力修正法(Es法)，根據(jù)樁土應(yīng)力比換算出樁土各自分擔(dān)的荷載，忽略掉水泥攪拌樁的存在，用彈性理論結(jié)合分層綜合法求出加固土體的沉降量，視為復(fù)合地基的沉降量。3)樁身壓縮量法(Ep法)，由于水泥攪拌樁為柔性樁，所以在上部荷載作用下，可假定樁體底端不會(huì)刺入下部未加固土層。根據(jù)樁土應(yīng)力比，求出作用在樁體上的荷載，采用樁體的壓縮模量計(jì)算樁身壓縮量，將樁身壓縮量視為復(fù)合地基加固區(qū)的沉降量。

水泥攪拌樁加固體以下部分的下臥層沉降，可以采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的分層總和法求解，加固區(qū)下部下臥層的荷載，一般可以采用應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法和當(dāng)層法。此外還有Mindlin-Geddes方法以及改進(jìn)的Geddes法[14]。

文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)本構(gòu)模型和參數(shù)的選取，將加固體和下臥層看作雙層加筋地基，采用數(shù)值分析計(jì)算復(fù)合地基沉降量。文獻(xiàn)[4]將水泥土攪拌樁復(fù)合地基用復(fù)合模量法計(jì)算出臨界樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的壓縮量作為加固層的壓縮量，下臥層采用分層總和法計(jì)算。

3.2 最終沉降量預(yù)測(cè)

由于室內(nèi)試驗(yàn)和沉降計(jì)算理論的種種局限性，使得沉降的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值往往存在著較大的差距，因此采用沉降的實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)工后沉降具有十分重要的意義，人們提出了多種沉降預(yù)測(cè)方法，例如：雙曲線法、指數(shù)曲線、Asako法、三點(diǎn)法、日本常用的星野法和淺崗松尾法等。每種模型都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，難以肯定哪一種模型更能符合實(shí)際情況，具體情況具體分析。例如：雙曲線法和指數(shù)法表達(dá)簡(jiǎn)單，易于計(jì)算，但是工程初期的沉降并不表現(xiàn)為雙曲線和指數(shù)形，僅適用于沉降平緩的階段(荷載穩(wěn)定)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值非常接近，適合于整個(gè)實(shí)測(cè)期范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)，但是預(yù)測(cè)地基的最終沉降，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)的結(jié)果不盡人意，可能表現(xiàn)得不合常理；灰色GM(1，1)是指數(shù)增長(zhǎng)的曲線，并不趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，前期的預(yù)測(cè)效果也較好，但是長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)值有無(wú)限增長(zhǎng)的特征。對(duì)地基做地下處理之后，其沉降觀測(cè)資料用三點(diǎn)法計(jì)算就不會(huì)理想，而對(duì)于未做地下處理的地基，不能用門(mén)田法分析對(duì)應(yīng)的觀測(cè)資料。

文獻(xiàn)[15]建立了考慮流變對(duì)沉降的影響沉降與時(shí)間關(guān)系的模型，采用最小二乘法對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行回歸，利用建立的模型預(yù)測(cè)沉降。近幾年發(fā)展起來(lái)的灰色理論方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，所有這些方法各有其優(yōu)、缺點(diǎn)，關(guān)鍵在于工程的實(shí)際情況，在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，掌握應(yīng)用的技巧。文獻(xiàn)[16]指出不管用上述哪一種方法，推算出的沉降值基本上都小于實(shí)測(cè)值。土層越軟弱，越深厚，偏差就越大。

4 進(jìn)一步研究的內(nèi)容

雖然水泥攪拌樁已有不少成功案例，且進(jìn)行了大量研究，取得了眾多研究成果，但對(duì)于其研究仍存在一些需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容：

1)水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力確定方面，通常情況下由樁體本身確定的承載力要大于由樁土相互作用確定的，樁土相互作用的機(jī)理非常復(fù)雜，不但與樁土的界面摩擦性能、樁底土的工程性質(zhì)有關(guān)，還取決于兩者的壓縮模量比例大小。這些受力作用機(jī)理綜合地可以通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果反映出來(lái)，因此搜集不同工程靜載試驗(yàn)結(jié)果，與地層條件進(jìn)行比對(duì)，找出相應(yīng)的規(guī)律或反推理論計(jì)算公式的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，具有十分重要的意義。

2)樁土相互作用情況可利用樁土應(yīng)力比的大小來(lái)衡量，該值與樁土的相互作用與上部荷載形式、大小等密切相關(guān)。對(duì)于柔性荷載，可通過(guò)對(duì)上部填土內(nèi)部受力機(jī)理的分析，根據(jù)力平衡原理，求出樁土應(yīng)力的關(guān)系，總結(jié)出一個(gè)實(shí)用的樁土應(yīng)力比理論或經(jīng)驗(yàn)公式。

3)水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降的計(jì)算方法有很多，但是各計(jì)算結(jié)果相差很多，且與沉降實(shí)測(cè)值有較大的差距。因此對(duì)以往的沉降計(jì)算方法進(jìn)行分析，分析其缺點(diǎn)和適用性，對(duì)某種方法的適用性進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到土性參數(shù)的變異性，求出水泥攪拌樁復(fù)合地基在某一概率下的沉降值區(qū)間，這比采用單一的沉降值更具合理性。

4)沉降預(yù)測(cè)方面。每種預(yù)測(cè)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降特性與傳統(tǒng)的軟土地基沉降特性有所差異，探討不同方法的預(yù)測(cè)精度，找出相對(duì)合理的預(yù)測(cè)方法，此外也可以采用綜合預(yù)測(cè)方法對(duì)最終沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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The review on several key research issues about cement mixing pile composite foundation

MIAO Zhuang

(Xi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayEryuan,Xi’an710054,China)

The paper analyzes some key problems in the research on the composite foundation of the cement mixing pile from the stressed mechanism of the mutual effect between piles and soil, the calculation of the settlement volume, and the forecasting, illustrates some achievement, and points out the contents of the study in future, so as to lay the foundation for the improvement of the construction technology of projects.

cement mixing pile, composite foundation, settlement volume, forecasting

1009-6825(2014)03-0096-02

2013-11-06

苗 壯(1980- )，男，工程師

TU473

A