端夯擴碎石樁復合地基現(xiàn)場試驗研究

葉朝良,劉堯軍,馮懷平

（石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043)

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端夯擴碎石樁復合地基現(xiàn)場試驗研究

葉朝良,劉堯軍,馮懷平

（石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043)

摘 要：結(jié)合南水北調(diào)工程SG14標的端夯擴碎石樁施工,根據(jù)現(xiàn)場靜載、靜力觸探和動力觸探試驗以及室內(nèi)土工試驗對端夯擴碎石樁復合地基的樁土應力比、承載力以及樁間土的擠密效果進行了分析。試驗表明:帶有樁端擴大頭的夯擴碎石樁的樁土應力比一般碎石樁大,試驗所得樁土應力比一般在［4.2,7.4］之間；樁土應力比值隨荷載的增加呈現(xiàn)先增后減,并逐漸趨于穩(wěn)定,樁土應力比值隨樁長的增大而增大；夯擴碎石樁復合地基的沉降曲線（P-S曲線)呈漸變型,沒有明顯的拐點或變化點出現(xiàn)；單樁復合地基承載力隨著樁長的增大,承載力也逐漸增大；夯擴碎石樁施工能有效提高樁間土的強度,同時,對改善地基的不均勻沉降也有很好的效果。

關(guān)鍵詞：端夯擴碎石樁；復合地基承載力；樁土應力比；現(xiàn)場試驗；重型動力觸探；靜載試驗

2016,33（02):62-66

1 研究背景

碎石樁復合地基加固技術(shù)自1976年由南京水利科學研究院首次引進振沖法以來,在地基加固中得到廣泛應用。對一般碎石樁復合地基問題已進行了較多研究,如排水效應、加密效應、減震效應、承載力及變形問題［1-6］,研究頗為全面并已取得豐富成果。

夯擴碎石樁復合地基是將夯擴技術(shù)＋碎石樁法有機結(jié)合而形成的一種新的地基處理方法。近十幾年來,在交通、建筑、水利和電力等基礎(chǔ)設(shè)施中都得到了一定程度的應用,是一種經(jīng)濟有效的地基處理方法。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前對夯擴碎石樁的研究多集中在介紹夯擴擠密碎石樁的施工工藝及其在砂土、粉土、軟土、黃土等各類軟弱土中的應用［7-14］。但對夯擴碎石樁的機理研究很少,僅陳建峰等［15-16］運用數(shù)值模擬技術(shù)研究了單樁和群樁承載特性。需要說明的是,以上研究均未考慮夯擴碎石樁樁端擴大頭的作用。

本文結(jié)合南水北調(diào)工程SG14標的端夯擴碎石樁復合地基施工,根據(jù)現(xiàn)場試驗對其樁土應力比、承載力以及樁間土的擠密效果進行了分析研究,對夯擴碎石樁設(shè)計理論和施工具有參考價值。

2 現(xiàn)場工程概況

南水北調(diào)中線邯石段SG14施工標（石家莊市區(qū)段),位于石家莊市橋西區(qū)和新華區(qū)。起點樁號224＋ 966,終點樁號236＋934.9,全長11.968 9 km。試驗段選擇在臺頭溝倒虹吸和華柴暗渠兩個端夯擴碎石樁復合地基處理場地。臺頭溝倒虹吸管身和導流墻進出口段共布樁1 419根,樁長從4.4～9.2 m不等；華柴暗渠進出口段設(shè)置夯擴碎石樁共計400根,樁長分別為5.5 m和6.0 m。夯擴樁成樁直徑為600 mm,樁端擴大頭直徑為75 cm,樁間距為1.8 m,正方形布置。

2.1 工程地質(zhì)條件

建筑物區(qū)的地層由第四系黏土、礫質(zhì)土、基巖組成,屬土巖多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)地層時代、巖性及空間分布特征,將建筑物區(qū)地層劃分為6個工程地質(zhì)單元,分述如下。

第1工程地質(zhì)單元:黃土狀壤土（al＋plQ23),主要分布于建筑物區(qū)表層,厚度11～15.5 m。

第2工程地質(zhì)單元:黏土（al＋plQ13),層厚5.5～11 m,呈透鏡體狀分布于建筑物進口位置。

第3工程地質(zhì)單元:黏土（gl＋fglQ1),夾有粗砂、壤土透鏡體,層厚5.7 m,呈透鏡體狀分布于建筑物區(qū)。

第4工程地質(zhì)單元:泥礫（gl＋fglQ1),層厚4～12 m,該層分布穩(wěn)定,位于建筑物基礎(chǔ)以下。

第5工程地質(zhì)單元:黏土（gl＋fglQ1),層厚大于26.4 m,勘探深度內(nèi)鉆孔未揭穿。分布于建筑物區(qū)進口。

2.2 水文地質(zhì)條件

勘探期間正值枯水期,地下水位埋深21～21.88 m,地下水位高程59.20～59.80 m,以孔隙潛水的形式存在?？紫稘撍饕癫赜诘谒南的嗟[的孔隙中,第四系地層厚度大于30 m,由黃土狀壤土、黏土、壤土、粗砂及泥礫組成。黃土狀壤土、壤土分布廣泛,滲透系數(shù)試驗值為5.3×10-7～9.6×10-5cm/ s,滲透系數(shù)建議值為1.4×10-5cm/ s,泥礫滲透系數(shù)建議值為2×10-4cm/ s,透水性差,降雨補給量甚微。泥礫層厚4～12 m,含水層受季節(jié)性影響較大,枯水期地下水埋藏較深,豐水期地下水埋藏較淺。

2.3 需要說明的問題

經(jīng)過現(xiàn)場核查,開挖至施工標高后場地中第1工程地質(zhì)單元和第2工程地質(zhì)單元實際劃分土層分別為黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉土和黏土層。只不過中間粉土層厚度較薄,但也超過規(guī)范規(guī)定的50 cm,故需單獨分層。從后續(xù)數(shù)據(jù)分析中可以看到。

3 現(xiàn)場試驗方案及測試要求

現(xiàn)場進行單樁復合地基靜載試驗、樁間土靜力觸探試驗、樁間土動力觸探試驗,主要是對試驗段工程地質(zhì)情況進行核查,研究樁土應力比、承載力以及端夯擴碎石樁擠密前后地基土的力學性質(zhì)變化等。

圖1 荷載板下土壓力盒布置示意圖Fig.1 Layout of soil pressure boxes under loading board

3.1 樁土應力比、承載力測試

選擇不同樁長的端夯擴碎石樁,進行3～6組單樁復合地基靜載試驗。研究荷載作用下單樁復合地基的樁土應力比、變形和承載力性狀。標準要求的荷載板采用正方形,邊長1.6 m×1.6 m,下設(shè)土壓力盒,測試樁土應力值。土壓力盒的布置如圖1。

3.2 樁土擠密效果測試

端夯擴碎石樁施工前后對樁間土進行靜載試驗、動力觸探試驗和靜力觸探試驗各3～4組,計算樁間土承載力,通過數(shù)據(jù)整理分析,評價樁間土的擠密效果。

為確保室外土壓力盒測試結(jié)果的準確性,在室內(nèi)重新對土壓力盒進行了標定。考慮到埋設(shè)質(zhì)量影響,土壓力盒量程采用2 MPa,每級荷載采用5～50 kg的砝碼加載,分10級,測試荷載與頻率的關(guān)系。在Excel表中繪出標定曲線,通過線性擬合,計算出每個土壓力盒的標定方程。

4 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 端夯擴碎石樁復合地基樁土應力比問題

根據(jù)現(xiàn)場土壓力盒的測試數(shù)據(jù),計算得到不同加載級下的樁土應力比值,見表1。樁土應力比的隨荷載的變化規(guī)律見圖2。

圖2 樁土應力比與荷載強度關(guān)系Fig.2 Relationship between pile-soil stress ratio and load

表1 樁土應力比值Table 1 Pile-soil stress ratios under different loads

從圖2中可以看出:3根樁的樁土應力比值均是變化的,隨著荷載值的增大而增大；增大到400 kPa左右,又開始減小。675＃樁長度較小,僅為5.28 m,從圖2中可以看出當荷載值達到420 kPa以后有明顯穩(wěn)定趨勢。

另外,從本次研究來看,隨著樁長的增加,樁土應力比值有明顯增大的趨勢（圖3)。從圖3可看出后3級荷載下樁土應力比值隨樁長近乎呈線性增長。相關(guān)研究表明,任何形式的樁土復合地基都存在臨界樁長,由于條件所限,本次試驗場地內(nèi)最大樁長僅為9.2 m。

圖3 樁土應力比與樁長關(guān)系Fig.3 Relationship between pile-soil stress ratio and pile length

有關(guān)碎石樁的研究分析表明:在外荷載的作用下,復合地基的n值是變化的。盛崇文等［17］指出,樁土應力比n值隨荷載增加逐漸增大。韓杰等［18］經(jīng)試驗研究得出結(jié)論:樁土應力比的變化是有規(guī)律的,在荷載達到復合地基的比例極限前是逐漸增長的,荷載超過比例極限后,n值逐漸減小。本次試驗結(jié)果與韓杰等的結(jié)論較為一致。

從表1和圖2可看出:場地內(nèi)端夯擴碎石樁復合地基的樁土應力比值最后基本穩(wěn)定在［4.2,7.4］之間。但國內(nèi)碎石樁復合地基的樁土應力比值一般推薦范圍在2.0～6.0之間,王樹強［17］介紹國內(nèi)外5家單位設(shè)計碎石樁地基時采用的n值來看,國外更加保守,美國、德國一般在［1.0,2.0］,日本在［3,5］之間。國內(nèi)給出的參考值,表明地基土質(zhì)強度越高,樁土應力比越?。欢笳咄ㄟ^調(diào)查認為:如果地基土強度高,樁土應力比n取較大值,反之取較小值,二者是矛盾的。這說明樁土應力比確定的難度很大,它與樁間土和樁體的強度以及相對剛度、上部荷載作用形式、樁長、樁徑以及施工技術(shù)水平有關(guān)。

端夯擴碎石樁樁土應力比較一般碎石樁大,主要是由于以下2個方面的原因所導致的。一是由于夯擴碎石樁在樁端形成了一個擴大頭,提高了單樁承載能力,減小了樁間土的分擔荷載,導致裝土應力分擔比增大；另一原因在于夯擴碎石樁的成樁沖擊能比一般碎石樁要大,從相關(guān)資料反映一般碎石樁樁體檢測,重型動力觸探指標僅在6～10級左右,而本次試驗夯擴碎石樁的重型動力觸探指標在20以上,最大在89擊,大大提高了樁體強度,也導致單樁承載能力明顯提高,進而使單樁能夠承受更多的上部荷載,導致樁土應力比增大。

4.2 端夯擴碎石樁復合地基承載力與變形

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),用武漢沿海公司編制的JYC1.6靜載試驗處理軟件繪制了各試驗點的P-S曲線圖。本次現(xiàn)場7個點單樁復合地基靜載試驗結(jié)果表明,夯擴碎石樁復合地基的沉降曲線（P-S曲線)呈漸變型,沒有明顯的拐點或變化點出現(xiàn),復合地基承載力確定須按照沉降比取值,這里僅給出樁長9.0 m的990＃樁的處理曲線（圖4)。

圖4 990#單樁復合地基P-S曲線Fig.4 P-S curve under composite foundation with 990#single pile

根據(jù)碎石樁復合地基靜載試驗相對變形確定承載力,承壓板邊長為1.6 m,按照沉降比0.01取值,計算得到確定承載力的沉降值為16 mm。但在工程上一般也習慣用設(shè)計承載力反推沉降值,只要沉降值小于16 mm,則可判定夯擴碎石樁復合地基承載力符合要求。7個點夯擴碎石樁復合地基的承載力值按照2種判定方法分別列入表2和表3。

表2 按相對變形確定的承載力Table 2 Bearing capacities determined by relative deformation

表3 按設(shè)計承載力確定的沉降值Table 3 Settlements according to design bearing capacity

從表2數(shù)據(jù)可看出,隨著端夯擴碎石樁樁長的增加,按照沉降比確定的承載力也是增加的,樁長在大于7～8 m之后承載力增加量明顯提高,表明本場地采用夯擴碎石樁復合地基處理是可行的,夯擴碎石樁的樁長能有效提高復合地基承載力。

由表3可知,隨著端夯擴碎石樁樁長的增加,按照設(shè)計承載力確定的對應沉降是減小的,樁長在大于7～8 m之后對應承載力240 kPa的沉降減小趨勢加快。這表明樁長增加能有效減小地基沉降變形。

隨樁長的增加,承載力的增大和地基沉降的減小不可能是無限的,因此必定存在一個臨界樁長。如前所述,由于試驗場地內(nèi)的樁長最大為9.2 m,無法確定本場地的臨界樁長。它與樁間土性質(zhì)、樁體強度等因素直接相關(guān),有待于進一步研究。

4.3 端夯擴碎石樁樁間土擠密效果分析

為驗證樁間土的擠密效果,在場地內(nèi)對天然地基和樁間土分別進行了2個孔的動力觸探試驗,4個孔的靜力觸探試驗。對試驗數(shù)據(jù)進行了分析對比,主要參數(shù)是錘擊數(shù)、錐尖阻力qc和側(cè)壁阻力fs。

4.3.1 動力觸探試驗成果對比

試驗場地天然地基的動力觸探試驗地表高出夯擴碎石樁施工地表1.5 m左右,對比孔位相距在2 m以內(nèi),將土層空間變異性降至最小。為了便于比較對比孔位的試驗數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)成果對比圖時保留高差,圖示更為直觀,如圖5。

圖5 天然地基與樁間土動力觸探數(shù)據(jù)對比Fig. 5 Comparison of DPT value of soil betweenpile foundation and natural foundation

測試位置的端夯擴碎石樁樁長為4.5 m左右,扣除施工地表保護厚度0.5 m,圖中樁身段在2.0～6.5 m之間。從圖5可以看到:從設(shè)計樁頂標高2.0 m處至樁頂下標高2.8 m左右,有近0.8 m左右厚的樁間土層較天然土層強度低,這主要是由于施工夯擊能大,上覆土層變薄,上覆壓力不足產(chǎn)生向上隆起,導致天然土層發(fā)生擾動破壞。這一段樁周土體不僅沒有被擠密,反而變得松散；從標高2.8 m 至5.5 m處,樁間土強度幾乎沒有變化,局部粉砂層被震松；在樁底位置由于擴大頭的擠密作用,動力觸探擊數(shù)明顯提高,表明該段樁周土體得到很好的擠密,強度得到很大提高,說明夯擴碎石樁的樁端擴大頭作用明顯。

另外,從施工前后動力觸探試驗曲線來看,端夯擴碎石樁使地基強度的不均勻性大大改善,在其有效加固區(qū)域內(nèi)的樁間土強度得到調(diào)整,對減小不均勻沉降具有明顯效果。

4.3.2 靜力觸探試驗成果對比

靜力觸探試驗共完成8孔。樁間土4孔,編號分別為J01＃,J02＃,J03＃和J04＃；天然地基4孔,編號分別為J05＃,J06＃,J07＃和J08＃。運用勘察軟件KT50對其進行統(tǒng)計分層,計算出各土層的平均錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力值。根據(jù)分層后的各土層數(shù)據(jù),對天然地基和樁間土各自4個孔按土層求取施工前后錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力值的平均值進行對比,詳見表4和表5。

表4 樁間土與天然地基的錐尖阻力值Table 4 Resistance of cone tip of soil between piles and resistance of cone tip of soil in natural foundation

表5 樁間土與天然地基的側(cè)壁摩阻力值Table 5 Shaft resistance of soil between piles and shaft resistance of soil in natural foundation

從表4和表5中數(shù)據(jù)可看出,端夯擴擠密后樁間土強度明顯高于天然地基。粉土層錐尖阻力值變化不大,對于粉質(zhì)黏土層錐尖阻力提高較明顯；粉土層側(cè)壁摩阻力值增長較大,約為25.4%,上層粉質(zhì)黏土增加明顯,但下部粉質(zhì)黏土幾乎沒有增長,通過勘察資料調(diào)查分析,下部粉質(zhì)黏土層的含水量偏高是導致該現(xiàn)象的主要原因。

5 結(jié) 論

通過現(xiàn)場試驗研究,可得到如下結(jié)論:

（1)端夯擴碎石樁復合地基由于樁端擴大頭的存在和較高樁身強度,提高了樁土應力比值,樁土應力比值在［4.2,7.4］之間；樁土應力比值隨荷載的增加呈現(xiàn)先增后減,并逐漸趨于穩(wěn)定；樁土應力比值隨樁長的增大而增大。

（2)端夯擴碎石樁復合地基的沉降曲線（P-S曲線)呈漸變型,沒有明顯的拐點或變化點出現(xiàn)。夯擴碎石樁復合地基承載力隨著樁長的增大,承載力也逐漸增大。

（3)根據(jù)重型動力觸探和雙橋靜力觸探試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)端夯擴碎石樁施工能有效提高樁間土的強度,尤其是樁端擴大頭對土體強度提高顯著。同時,由于擴孔擠密作用,夯擴碎石樁對改善地基的不均勻沉降有很好的效果。但施工至樁頂段,由于上覆土層壓力的減小,土體發(fā)生隆起現(xiàn)象,在0.8 m深度范圍內(nèi),土體強度受擾動破壞有較大降低。墊層施工前,應予以壓實處理。

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（編輯:劉運飛)

In-situ Test on the Composite Foundation of Ram-compaction Gravel Pile with End Expansion

YE Chao-liang,LIU Yao-jun,FENG Huai-ping
（School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043 ,China)

Abstract:According to measured results of in-situ static load test, static cone penetration test（CPT), heavy dynamic penetration test（DPT), and indoor soil test, we analyze three mechanical parameters of composite foundation of ram-compaction gravel pile, namely pile-soil stress ratio, bearing capacity, and soil’s compacted effect with piles. We take the construction of ram-compaction gravel pile in the 14th bid of South-to-North Water Transfer Project, located in Handan, Hebei province, as an example. Results show that, pile-soil stress ratio of composite foundation of ram-compaction gravel pile with expanding head is bigger than that of normal gravel pile, which is from 4. 2 to 7.4；pile-soil stress ratio first increases and then decreases with the increase of load, and gradually tends to be stable, and the ratio increases with the pile length；then, the gravel pile’s curve of load vs. settlement（P-S curve) exhibits gradual change, without obvious inflection point or abrupt change point；furthermore, bearing capacity of composite foundation of ram-compaction gravel pile increases with pile length. According to the results of CPT and DPT, we find that the rammed gravel pile can effectively improve the strength of soil among piles, and decrease uneven settlement of the foundation.

Key words:ram-compaction gravel pile with end expansion；bearing capacity of composite foundation；pile-soil stress ratio；in-situ test；heavy dynamic penetration test；static load test

作者簡介：葉朝良（1969-),男,安徽寧國人,教授,博士,碩士研究生導師,主要從事巖土工程方面的教學與研究工作,（電話)13513388512（電子信箱)yechl001@163.com。

收稿日期：2014-09-18;修回日期：2014-11-14

doi:10.11988/ ckyyb.20140812

中圖分類號：TU472.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0062-05