飽和粉土地基低強度混凝土樁振動沉管及靜載試驗

張宏博　厲超　宋修廣　解全一　李紅超

摘要：為研究飽和粉土地基低強度混凝土樁振動沉管施工產(chǎn)生的超孔隙水壓力分布、消散規(guī)律及單樁和復(fù)合地基的承載特性，對濱州市飽和粉土地基進行了低強度混凝土樁的振動沉管和靜載試驗。結(jié)果表明：沉管振動下沉?xí)r，最大超孔隙水壓力一般出現(xiàn)在樁端以上2～3 m；沉管振動下沉對樁周土體的擾動較小，最大超孔隙水壓力與上覆土有效應(yīng)力的比值僅為0.327；單樁振動拔管后15 min，臨近超孔隙水壓力的消散率可達到65%～75%；與設(shè)計規(guī)范的估算值相比，振動沉管成樁后單樁豎向極限承載力偏小，僅為估算值的55%～60%；低強度混凝土樁的加固作用明顯，復(fù)合地基承載力與天然地基相比提高了約1倍。

關(guān)鍵詞：飽和粉土地基；振動沉管；低強度混凝土樁；靜載試驗；超孔隙水壓力

中圖分類號：U441.4 文獻標(biāo)志碼：A

0引 言

低強度混凝土樁通常指用水泥、石子及其他摻合料（砂、粉煤灰、石灰等）加水拌合，在原地基中形成的強度等級為C5～C25的膠結(jié)材料樁，主要樁型有CFG樁、透水性混凝土樁等[1-4]。近年來，低強度混凝土樁在高速公路軟基處理方面得到了廣泛的應(yīng)用，為橋頭跳車、道路拓寬等問題提供了良好的解決途徑。

低強度混凝土樁成樁工藝主要有振動沉管法和長螺旋鉆管內(nèi)泵壓灌注，目前較多采用振動沉管法。振動沉管施工時，產(chǎn)生超孔隙水壓力，周圍土體受到擠壓導(dǎo)致超孔隙水壓力增大，嚴(yán)重時導(dǎo)致土體隆起、側(cè)向移動等病害，同時導(dǎo)致沉管下沉困難，不但影響施工進度，還影響樁體承載力，因此研究振動沉管施工超孔隙水壓力分布和消散規(guī)律是十分必要的。不同于預(yù)制樁振動沉樁，低強度混凝土樁振動沉管施工屬于現(xiàn)澆樁沉樁施工，其成樁機理、樁體承載力等與預(yù)制樁有較大區(qū)別，目前各國學(xué)者針對軟粘土地區(qū)低強度混凝土樁振動沉管施工工藝和單樁振動沉管引起的超孔隙水壓力以及成樁后樁體承載力等有了一定研究，積累了較多的試驗數(shù)據(jù)，理論研究得到了不斷進步[5-8]。然而相關(guān)研究多側(cè)重于飽和軟粘性土地基試驗，對于振動沉管施工的超孔隙水壓力分布、消散規(guī)律及單樁和復(fù)合地基的承載特性論述還不夠全面，且飽和粉土地基的低強度混凝土樁沉管及樁體承載力試驗較少，有必要做進一步研究。

本文依托在建道路的軟基處理工程，在濱州市飽和粉土地基進行了低強度混凝土樁的現(xiàn)場試驗。試驗觀測了沉管過程中超孔隙水壓力的變化，分析了飽和粉土地基振動沉管的動力學(xué)機理，并對成樁后單樁和復(fù)合地基進行了靜載試驗。試驗結(jié)果可為類似工程的設(shè)計及施工提供參考。

1現(xiàn)場試驗概況

1.1工程地質(zhì)情況

試驗場地位于山東省濱州市境內(nèi)，該區(qū)域主要為黃河沖積平原區(qū)，地形較為平坦開闊，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土為主。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，試驗場地地基土的分層及土體參數(shù)如表1所示，實測地下水位埋深約2.1 m。

1.2試驗現(xiàn)場布置

現(xiàn)場共布置6根試樁，設(shè)計樁徑為500 mm，樁長為8 m。為監(jiān)測試樁振動沉管的超孔隙水壓力變化，現(xiàn)場布設(shè)4個孔隙水壓力觀測孔，每個孔隙水壓力觀測孔埋設(shè)4個振弦式孔隙水壓力計，埋深分別為4，6，8，10 m。試樁及孔隙水壓力計的平面布置如圖1所示。

為準(zhǔn)確觀測孔隙水壓力變化，孔隙水壓力計由下至上依次投放，且每兩孔隙水壓力計之間用膨潤土球進行填充，以確保相鄰兩孔隙水壓力計之間相互隔離，孔隙水壓力計的豎向布置如圖2所示。

孔隙水壓力計在沉管試驗前預(yù)先埋設(shè)，并連續(xù)觀測孔隙水壓力計的讀數(shù)變化，待各觀測孔孔隙水壓力計讀數(shù)穩(wěn)定后，再開始進行沉管試驗，此時觀測到孔隙水壓力計的穩(wěn)定頻率讀數(shù)為超孔隙水壓力的基頻。沉管試驗開始后，對振動沉管過程的孔隙水壓力進行觀測。沉管成樁完成后，對各觀測孔孔隙水壓力進行連續(xù)觀測，直至超孔隙水壓力消散。

1.3靜載試驗方法

成樁28 d后，對試樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗和復(fù)合地基豎向抗壓靜載試驗。單樁試驗加載前進行樁頭加固，復(fù)合地基試驗加載前在樁頂及樁周鋪設(shè)厚度為15～20 cm碎石墊層并夯實，并選用尺寸為1.1 m×1.1 m的剛性承載板進行加載。靜載試驗按照慢速維持荷載法進行分級加載和卸載，荷載通過油壓千斤頂及壓力傳感器控制施加，沉降采用4個精度為0.01 mm的位移傳感器監(jiān)測，通過DH3821靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變測試分析系統(tǒng)進行實時采集數(shù)據(jù)。

1.4振動沉管施工概況

試驗采用彈簧振動錘進行振動沉管，其振動頻率為1 050 r·min-1，激振力為237 kN。為避免沉樁的彼此影響，振動沉管按照1號樁→3號樁→4號樁→6號樁→2號樁→5號樁的先后順序進行施工。沉管振動下沉至預(yù)定深度后，停機并向沉管內(nèi)投料，然后啟動馬達，留振5～10 s后以1.2～1.5 m·min-1的速度進行拔管，沉管拔出地面，確認(rèn)成樁符合設(shè)計要求后，采用混凝土材料封頂。振動沉管施工現(xiàn)場如圖3所示。

試驗所用振動沉管的夾樁器為單夾，沉樁時部分樁體出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，垂直度基本為3%～6%，其中1號樁傾斜最嚴(yán)重，樁體垂直度僅為13.5%，屬于成樁質(zhì)量較差的試樁，不對其進行后續(xù)靜載試驗。實測各試樁長度為8～8.5 m，其中2號樁樁長為8.2 m，3號樁樁長為8.3 m。對成樁用混凝土取樣制成試件，實測室內(nèi)養(yǎng)護28 d抗壓強度為16.81 MPa，28 d水下抗壓強度為13.06 MPa。

2試驗結(jié)果及分析

2.1超孔隙水壓力結(jié)果分析

2.1.1超孔隙水壓力累積

沉管自地面下沉至設(shè)計深度需耗時6～10 min，試驗記錄了各觀測孔沉管振動下沉過程超孔隙水壓力的累積情況。表2為6號樁位的沉管下沉至設(shè)計深度時各觀測孔超孔隙水壓力實測值。因2#觀測孔數(shù)據(jù)異常，故選用1#，3#和4#觀測孔數(shù)據(jù)繪制出了各觀測孔超孔隙水壓力累積曲線，如圖4所示。

由圖4可知，沉管振動下沉至設(shè)計深度后，各臨近觀測孔不同深度均能觀測到超孔隙水壓力，且超孔隙水壓力最大值出現(xiàn)深度均在5～6 m之間，而在樁端以下超孔隙水壓力隨深度增加而迅速減小，表明沉管振動下沉?xí)r臨近土體會產(chǎn)生超孔隙水壓力，且臨近土體的最大超孔隙水壓力在深度方向的發(fā)生速度滯后于沉管速度，其出現(xiàn)深度一般在樁端以上2～3 m，主要原因在于沉管擠土效應(yīng)的傳遞與沉管下沉存在時間差，使臨近土體最大超孔隙水壓力的出現(xiàn)深度小于樁端。圖4還反映了水平距離對超孔隙水壓力的影響，即距離沉樁位置越近，累積的最大超孔隙水壓力也越大，1#觀測孔出現(xiàn)的超孔隙水壓力最大值為23.68 kPa，隨著距離增加，超孔隙水壓力迅速減小，3#和4#觀測孔出現(xiàn)的超孔隙水壓力最大值僅分別為4.44 kPa和1.24 kPa，原因在于土體的阻尼作用使沉管振動下沉產(chǎn)生的擠土效應(yīng)及能量在徑向迅速衰減，從而超孔隙水壓力迅速減小。

為分析振動沉樁對土體的擾動，在表3列出了各觀測孔不同深度超孔隙水壓力Δu與上覆土有效應(yīng)力σvi的比值Δu/σvi，各觀測孔Δu/σvi均隨距徑比增大而迅速減小，隨深度增加而減小，最大值出現(xiàn)在1#觀測孔4 m深度處，為0.327，遠(yuǎn)小于1，表明沉管振動下沉?xí)r周邊土體累積的超孔隙水壓力較小，沉管振動下沉對樁周土體的擾動較小[9]。

。

2.1.2超孔隙水壓力消散

根據(jù)試驗監(jiān)測的振動沉管過程中各觀測孔超孔隙水壓力值繪制了超孔隙水壓力消散情況，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，拔管后各測孔超孔隙水壓力均有不同程度減小，表明振動拔管過程超孔隙水壓力是消散的，其主要原因是隨著沉管的上拔，土體受到的擠壓作用逐漸消失，而未凝固的樁體對土體擠壓力較小且具有臨時排水作用，使振動拔管過程中超孔隙水壓力得以消散；拔管后各測孔不同深度超孔隙水壓力迅速消散，拔管后15 min消散率達到65%～75%，這表明粉土地基振動沉管施工的超孔隙水壓力消散較快，為振動沉管的連續(xù)施工提供可能。從圖5還可以看出，深度6～8 m的土體超孔隙水壓力消散速率較快，與該深度土性主要為粉土有關(guān)，深度4 m和10 m土性主要為粉質(zhì)粘土，超孔隙水壓力消散相對較慢，這反映了粉土較強的滲透性。

圖6為各測孔振動拔管后6 m埋深超孔隙水壓力實測消散曲線。從圖6可以看出，拔管后1#觀測孔超孔隙水壓力消散速率較快，3#和4#觀測孔消散速率相對較慢，表明距沉樁位置越近，超孔隙水壓力消散速率越快，且消散主要集中于拔管后1 h左右。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為低強度混凝土樁體未凝固前本身具有排水作用，使振動和擠壓產(chǎn)生的超孔壓在成樁初期就能得到迅速消散，且距離樁越近消散路徑越短，消散速率越快。隨著樁體材料的凝結(jié)硬化，這一排水通道逐漸封閉，1 h后樁體進入初凝階段，樁體失去排水作用，超孔隙水壓力消散變慢，這和預(yù)制樁或管樁的試驗結(jié)果明顯不同[10-11]。

2.2靜載試驗結(jié)果分析

對成樁28 d后的試樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗（1號樁傾斜度較大，未進行試驗），得到了單樁的荷載-沉降（Q-s）數(shù)據(jù)， 表4為2號單樁實測數(shù)據(jù)。根據(jù)試樁靜載試驗實測數(shù)據(jù)分別繪制2號和3號單樁的荷載-沉降（Q-s）曲線，如圖7所示。

試驗所用位移傳感器量程為50 mm，2號和3號試樁荷載分別加載至240 kN和280 kN后，試樁沉降超出量程，卸載后樁頂回彈率很低且仍超出量程，無法繪制回彈曲線，表明樁端土已經(jīng)達到極限承載狀態(tài)。按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[12]，2號和3號試樁單樁豎向極限承載力分別為240 kN和280 kN。

根據(jù)表1試驗場地的巖土工程勘察資料，采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13]計算公式計算2號試樁極限承載力估算值為444 kN，實測值與其之比為0.54，3號試樁極限承載力估算值為454 kN，實測值與其之比為0.61。上述試驗結(jié)果表明，粉土地基振動沉管低強度混凝土樁的單樁豎向極限承載力僅為設(shè)計規(guī)范估算值的55%～60%，與設(shè)計規(guī)范的計算值相比，承載力有較大折減。

對試樁的復(fù)合地基進行豎向靜載試驗，可以得到復(fù)合地基的荷載-沉降數(shù)據(jù)，表5為4號試樁復(fù)合地基靜載試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)靜載試驗的實測數(shù)據(jù)繪制4～6號試樁復(fù)合地基的Q-s曲線，如圖8所示。

根據(jù)圖8豎向靜載試驗實測曲線可以得出，4～

6號試樁復(fù)合地基承載力特征值分別為186，231，216 kPa，平均值為211 kPa，對比巖土工程勘察資料天然地基的100～120 kPa，低強度混凝土樁復(fù)合地基的承載力提高了約1倍，可見低強度混凝土樁的加固作用比較明顯。

3結(jié)語

（1）沉管振動下沉?xí)r臨近土體會產(chǎn)生超孔隙水壓力，最大超孔隙水壓力在深度方向的發(fā)生速度滯后于沉管速度，深度一般在樁端以上2～3 m，且距離沉管位置越近，累積的超孔隙水壓力也越大。

（2）沉管振動下沉對樁周土體的擾動較小，周邊土體最大超孔隙水壓力與上覆土有效應(yīng)力的比值僅為0.327，表明該地區(qū)振動沉管施工產(chǎn)生的超孔隙水壓力較小，沉管對周圍土體擾動較小。

（3）振動拔管后15 min，臨近超孔隙水壓力的消散率可達到65%～75%，較快的消散速率可為該區(qū)域振動沉管的連續(xù)施工提供可能。

（4）與設(shè)計規(guī)范的估算值相比，該地區(qū)振動沉管試驗成樁的單樁豎向極限承載力偏小，僅為估算值的55%～60%，與設(shè)計規(guī)范的計算值相比有較大的折減。

（5）低強度混凝土樁的加固作用比較明顯，實測加固后復(fù)合地基的承載力與天然地基相比提高了約1倍。

參考文獻：

References：

[1] 劉恒新，溫曉貴，魏 綱，等.低強度混凝土樁處理橋頭軟基的試驗研究[J].公路，2003（11）：43-46.

LIU Heng-xin，WEN Xiao-gui，WEI Gang，et al.Test and Research on Reinforcing Soft Foundation of Bridge-ends by Low Intensity Concrete Piles[J].Highway，2003（11）：43-46.

[2]曾開華，俞建霖，龔曉南.高速公路通道軟基低強度混凝土樁處理試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2003，25（6）：715-719.

ZENG Kai-hua，YU Jian-lin，GONG Xiao-nan.Field Test on LSC Piles to Improve Soft Clay Ground Under the Expressway[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25（6）：715-719.

[3]梁沙河，劉 艷，朱筱俊，等.低強度等級素混凝土樁（LC樁）地基處理法及其在工程中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2005，35（增）：582-585，524.

LIANG Sha-he，LIU Yan，ZHU Xiao-jun，et al.Pile of Low Strength Concrete （LC Pile） and Its Application in Projects[J].Industrial Construction，2005，35（S）：582-585，524.

[4]張 娜，崔新壯，張 炯，等.路堤荷載作用下透水性混凝土樁減壓降沉效應(yīng)研究[J].山東大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2013，43（4）：80-86.

ZHANG Na，CUI Xin-zhuang，ZHANG Jiong，et al.Settlement-controlling and Pressure-reduction Effect of Pervious Concrete Pile Under the Action of Embankment Load[J].Journal of Shandong University：Engineering Science，2013，43（4）：80-86.

[5]張里中，張媛媛.CFG樁施工技術(shù)[J].公路，2009（8）：75-77.

ZHANG Li-zhong，ZHANG Yuan-yuan.Construction Technology of CFG Pile[J].Highway，2009（8）：75-77.

[6]吉同元，胡銀寶，劉松玉，等.軟土地基中CFG樁單樁施工引起的超靜孔隙水壓力[J].公路交通科技，2006，23（8）：53-56.

JI Tong-yuan，HU Yin-bao，LIU Song-yu，et al.Excess Pore Pressure Induced by Single CFG Pile Driven into Soft Ground[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2006，23（8）：53-56.

[7]劉志杰，王后裕，劉啟川.振動沉管法CFG樁加固含硬夾層軟弱地基及其檢測評價[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（3）：79-81，102.

LIU Zhi-jie，WANG Hou-yu，LIU Qi-chuan.Treatment of Weak Ground Intercalated Rigid Layer by Vibrating Tubular CFG Pile and Its Monitoring Test[J].Building Structure，2009，39（3）：79-81，102.

[8]王 旭，張延杰，蔣代軍，等.飽和黃土區(qū)CFG樁與振動沉管碎石樁復(fù)合地基承載特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2013，35（增2）：1063-1066.

WANG Xu，ZHANG Yan-jie，JIANG Dai-jun，et al.Experimental Research on Bearing Features of CFG Pile Composite Ground and Vibrating Sink Tube Detritus Pile Composite Ground on Saturated Loess[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（S2）：1063-1066.

[9]朱 奎，魏 綱，徐日慶.軟土地基預(yù)制樁施工時樁上浮現(xiàn)象研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（5）：1564-1568.

ZHU Kui，WEI Gang，XU Ri-qing.Research on Pile Floatation in Prefabricated Pile Construction in Soft Soil Foundation[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31（5）：1564-1568.

[10]唐世棟，何連生，傅 縱.軟土地基中單樁施工引起的超孔隙水壓力[J].巖土力學(xué)，2002，23（6）：725-727，732.

TANG Shi-dong，HE Lian-sheng，F(xiàn)U Zong.Excess Pore Water Pressure Caused by an Installing Pile in Soft Foundation[J].Rock and Soil Mechanics，2002，23（6）：725-727，732.

[11]雷金波，徐澤中，姜弘道，等.預(yù)制樁沉樁過程超孔隙水壓力變化規(guī)律分析與研究[J].公路交通科技，2005，22（11）：25-29.

LEI Jin-bo，XU Ze-zhong，JIANG Hong-dao，et al.Regularity Analysis and Study on Excessive Pore Water Pressure During Jacked Pile of Pre-stressed Pipe Piles[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005，22（11）：25-29.

[12]JGJ 106—2003，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].

JGJ 106—2003，Technical Code for Testing of Building Foundation Piles[S].

[13]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

JTG D63—2007，Code for Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts[S].