中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁靜載試驗(yàn)研究

陳世雷，劉永河，楊有海

( 1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州　730070; 2．蘭州交通大學(xué)鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州　730000)

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中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁靜載試驗(yàn)研究

陳世雷1，劉永河2，楊有海1

( 1．蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070; 2．蘭州交通大學(xué)鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730000)

摘要:依托蘭州西至中川機(jī)場(chǎng)鐵路工程，對(duì)飽和黃土地基條件下水泥土攪拌樁進(jìn)行單樁及單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。結(jié)果表明:相比天然飽和黃土地基，二灰摻合比為12%～20%的水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值提高約48%～88% ;隨著二灰摻合比增大，水泥土攪拌樁單樁承載力及復(fù)合地基承載力均增大;隨著上部荷載的增加，樁頂與樁間土應(yīng)力會(huì)不同幅度增大，樁土應(yīng)力比先增大后逐漸減小。通過(guò)計(jì)算得出，中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)為1. 09。

關(guān)鍵詞:飽和黃土水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力二灰摻合比

中國(guó)黃土主要分布于北緯33°～47°，尤以34°～45°最為發(fā)育，總面積約為63. 5萬(wàn)km2，占世界黃土面積的4. 9%左右。隨著西部大開發(fā)的推進(jìn)，廣大黃土地區(qū)的高速鐵路密度顯著提高，黃土已成為黃土地區(qū)修建鐵路的主要材料。針對(duì)如何提高黃土地基的承載力和水穩(wěn)定性，減小地基沉降，開展了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐［1］。對(duì)于飽和黃土，由于飽和度較大，土體處于軟塑至流塑狀態(tài)，承載力很低，壓縮量較大，建在其上的線路、路基會(huì)發(fā)生較大的沉降和不均勻沉降［2］，因而需要研究適合不同等級(jí)鐵路要求的飽和黃土地基加固處理技術(shù)。

本文依托蘭州西至中川機(jī)場(chǎng)鐵路工程，對(duì)飽和黃土地基條件下水泥土攪拌樁及復(fù)合地基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，研究其承載特性，探討二灰摻合比對(duì)水泥土攪拌樁及復(fù)合地基承載力的影響，為該地區(qū)飽和黃土地基處理積累經(jīng)驗(yàn)。

1單樁及復(fù)合地基承載力計(jì)算

單樁豎向承載力特征值計(jì)算公式為

式中: Ra為單樁承載力特征值，kN; up為樁的周長(zhǎng)，m; n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù); qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定; li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m;αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定; qp為樁端端阻力特征值，kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)于水泥土攪拌樁、旋噴樁應(yīng)取未經(jīng)修正的樁端地基土承載力特征值; Ap為樁的截面積，m2。

復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式為

式中: fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值; m為面積置換率;β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值; fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定［3］。

目前水泥土攪拌樁工程設(shè)計(jì)階段大多都是采用式( 2)計(jì)算水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值。從式( 2)中可以看出，復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算的準(zhǔn)確度主要取決于單樁和樁間土承載力特征值及樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β的合理取值［4］。

2　工程概況

蘭州西至中川機(jī)場(chǎng)鐵路全長(zhǎng)60. 515 km。全線路基長(zhǎng)35. 923 km，占線路總長(zhǎng)的59. 3%，其中利用既有線10. 789 km，新建25. 134 km。該鐵路為Ⅰ級(jí)雙線鐵路，其中西固城至中川機(jī)場(chǎng)段設(shè)計(jì)速度為160 km/h。新建鐵路部分路段為飽和黃土地基。

選取的試驗(yàn)段位于DK48 + 430—DK49 + 030，總長(zhǎng)600 m。該地段地基主要為飽和黃土，試驗(yàn)段淺層地基土的基本物理性質(zhì)見表1。

該地段采用雙向水泥土攪拌樁加固，樁頂設(shè)0. 5 m厚的碎石墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)一層抗拉強(qiáng)度為80 kN/m的雙向土工格柵。所采用的水泥土攪拌樁樁徑0. 5 m，樁間距1. 3 m(三角形布置)，樁土面積置換率13. 4%，樁長(zhǎng)8～12 m;設(shè)計(jì)要求單樁承載力特征值Ra≥97 kN，加固后的復(fù)合地基承載力特征值fspk≥152 kPa。

表1淺層地基土的基本物理性質(zhì)

為研究二灰摻合比對(duì)復(fù)合地基承載力的影響，將DK48 + 580—DK48 + 630，DK48 + 830—DK48 + 880共100 m，摻合比取20%，DK48 + 430—DK48 + 480內(nèi)選取2段(每段3排水泥土攪拌樁)，摻合比取12%，其余均按設(shè)計(jì)要求摻合比取16%。根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)不同摻合比的單樁及復(fù)合地基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

共進(jìn)行3次天然地基靜載荷試驗(yàn)、6次單樁靜載荷試驗(yàn)和6次復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，其中每種摻合比分別選取2根水泥土攪拌樁做單樁靜載荷試驗(yàn)，再分別選取2根水泥土攪拌樁做復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。

3. 1天然地基靜載荷試驗(yàn)

結(jié)合試驗(yàn)段工程地質(zhì)情況，采用淺層平板載荷試驗(yàn)來(lái)測(cè)定試驗(yàn)段天然飽和黃土地基的承載力。天然地基靜載荷試驗(yàn)在試驗(yàn)段選取3個(gè)具有代表性的點(diǎn)，編號(hào)依次為1#，2#，3#，采用尺寸為0. 96 m×0. 96 m的承壓板進(jìn)行承載力試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得的天然地基的載荷—沉降( p－s)曲線見圖1。

圖1天然地基靜載荷試驗(yàn)p－s曲線

從圖1可以看出，天然地基在載荷＜100 kPa時(shí)沉降較小，沉降變化速度也較小;當(dāng)載荷＞100 kPa時(shí)，沉降迅速變大;載荷在200 kPa之內(nèi)已經(jīng)達(dá)到終止加載的條件。根據(jù)規(guī)范［5］取沉降與承壓板寬度之比s/b = 0. 012時(shí)的沉降所對(duì)應(yīng)的載荷值作為天然地基承載力，則3組試驗(yàn)測(cè)得天然地基的承載力特征值分別為130. 3，90. 4，91. 0 kPa，天然地基平均承載力特征值為103. 9 kPa。該平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到路基設(shè)計(jì)中復(fù)合地基承載力特征值fspk≥152 kPa的要求，故需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

3. 2單樁靜載荷試驗(yàn)

在水泥土攪拌樁的齡期達(dá)到28 d后，對(duì)3種摻合比的水泥土攪拌樁進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn)。將二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁編號(hào)為4#和5#，二灰摻合比為16%的水泥土攪拌樁編號(hào)為6#和7#，二灰摻合比為20%的水泥土攪拌樁編號(hào)為8#和9#。試驗(yàn)測(cè)得的單樁靜載荷試驗(yàn)p－s曲線見圖2。

圖2單樁靜載荷試驗(yàn)p－s曲線

從圖2可以看出，二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁，當(dāng)荷載達(dá)到約100 kN時(shí)沉降曲線發(fā)生陡降;二灰摻合比為16%的水泥土攪拌樁，當(dāng)荷載達(dá)到約180 kN時(shí)沉降曲線發(fā)生陡降;二灰摻合比為20%的水泥土攪拌樁，當(dāng)荷載達(dá)到約220 kN時(shí)沉降曲線發(fā)生陡降。4#，8#樁的p－s曲線為緩變型曲線，其余4根樁的p－s曲線均為陡降型曲線。

根據(jù)規(guī)范［5］中按照p－s曲線確定相應(yīng)單樁承載力特征值的規(guī)定，4#樁取樁頂總沉降量40 mm所對(duì)應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力，即181. 2 kN，其單樁承載力特征值為90. 6 kN; 5#，6#，7#，9#樁在某一荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，取前一級(jí)荷載值為單樁豎向極限承載力，分別為150. 0，197. 0，197. 0，254. 8 kN，其單樁承載力特征值分別為75. 0，98. 5，98. 5，127. 4 kN; 8#樁加載達(dá)不到極限荷載，已達(dá)到最大試驗(yàn)荷載，樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，單樁豎向極限承載力取最大試驗(yàn)荷載，即300. 0 kN，其單樁承載力特征值為150. 0 kN。試驗(yàn)結(jié)果匯總見表2。

表2水泥土攪拌樁單樁承載力特征值

由表2可以看出，二灰摻合比越高，水泥土攪拌樁單樁承載力越大。二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁單樁承載力特征值不能滿足單樁承載力特征值Ra≥97 kN的設(shè)計(jì)要求。二灰摻合比從12%提高到16%時(shí)，水泥土攪拌樁的單樁承載力提升19. 0% ;而二灰摻合比從16%提高到20%時(shí)，水泥土攪拌樁的單樁承載力提升40. 8%。

3. 3單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)

單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)中使用的承壓板直徑為0. 9 m，承壓板下鋪設(shè)10 cm厚的碎石墊層，承壓板上布置百分表對(duì)單樁復(fù)合地基沉降進(jìn)行量測(cè)。

1) p－s曲線分析

將二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基編號(hào)為10#和11#，二灰摻合比為16%的水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基編號(hào)為12#和13#，二灰摻合比為20%的水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基編號(hào)為14#和15#。試驗(yàn)測(cè)得3種二灰摻合比的單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)p－s曲線見圖3。

從圖3可以看出，13#單樁復(fù)合地基的p－s曲線呈陡降型，主要是由于施工過(guò)程中攪拌不均勻?qū)е聵渡泶嬖谲浫醵?，其變形大于樁身其他位置。其?個(gè)單樁復(fù)合地基的p－s曲線均呈緩變型，水泥土攪拌樁樁身隨荷載增加發(fā)生彈塑性變形，樁身與樁間土體的局部相對(duì)滑動(dòng)量也隨之增加，當(dāng)荷載增加到一定數(shù)值后，樁間土體發(fā)生剪切破壞，水泥土攪拌樁達(dá)到承載極限［6］。

圖3單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)p－s曲線

根據(jù)規(guī)范［3］中可按相對(duì)變形值確定單樁復(fù)合地基承載力特征值的規(guī)定，采用沉降與承壓板直徑之比s/b = 0. 006時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力計(jì)算單樁復(fù)合地基承載力特征值，得出的單樁復(fù)合地基承載力特征值見表3。

表3水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基承載力特征值

從表3可以看出，二灰摻合比越高，水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基承載力越大。3種二灰摻合比的水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基承載力特征值均可以滿足復(fù)合地基承載力特征值fspk≥152 kPa的設(shè)計(jì)要求。相比天然飽和黃土地基承載力特征值，二灰摻合比為12%～20%的水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基承載力提高約48%～88%，加固效果顯著。

2)樁土應(yīng)力分析

鋪設(shè)碎石墊層之前，在樁頂和樁間土上分別布置2只和4只土壓力盒用于試驗(yàn)過(guò)程中樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力的量測(cè)。以11#單樁復(fù)合地基為例，試驗(yàn)測(cè)得的樁頂、樁間土平均應(yīng)力值及樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線見圖4。

圖4單樁復(fù)合地基樁頂、樁間土平均應(yīng)力及樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線

從圖4( a)可以看出:隨著上部荷載的增加，樁頂與樁間土分擔(dān)的荷載都逐漸增大;樁頂分擔(dān)的荷載大于樁間土分擔(dān)的荷載，且前者增大速率大于后者。

從圖4( b)可以看出:開始加載時(shí)隨著上部荷載的增加樁體未發(fā)生屈服破壞，所施加的荷載主要由樁體承擔(dān)，樁土應(yīng)力比隨之一直增大;當(dāng)增加到一定荷載時(shí)，繼續(xù)增加上部荷載，樁體與樁間土共同承擔(dān)荷載，樁土應(yīng)力比逐漸減小。因此，樁土應(yīng)力比會(huì)出現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)。

4　樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β分析

樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β是反映樁間土承載力發(fā)揮程度及樁土共同工作的一個(gè)重要參數(shù)。β的取值與樁端土層軟硬、樁土相對(duì)剛度、樁長(zhǎng)、褥墊層的設(shè)置、樁土置換率、建筑物對(duì)沉降的要求及樁間土的受力歷史有關(guān)［7-8］。樁的沉降越大，樁周軟土承載力越能發(fā)揮。隨著單樁沉降量的增大(這時(shí)樁間土沉降量也增大)，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β逐漸增大［9］。

利用公式( 2)可以推導(dǎo)出公式( 3)

依據(jù)蘭州西至中川機(jī)場(chǎng)鐵路飽和黃土地基條件下水泥土攪拌樁單樁及復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，利用公式( 3)計(jì)算得到該飽和黃土地基樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，見表4。

表4水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)

從表4可以看出，中川鐵路飽和黃土地基條件下3種二灰摻合比( 12%，16%，20% )水泥土攪拌樁復(fù)合地基的樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β分別為1. 08，1. 09，1. 11。規(guī)范［3］給出了β的取值:對(duì)淤泥、淤泥質(zhì)土和流塑狀軟土等處理土層可取0. 1～0. 4，對(duì)其他土層可取0. 4～0. 8;而計(jì)算所得的樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β值均大于規(guī)范中的β值，且＞1。主要是因?yàn)?水泥土攪拌樁呈三角形布置，對(duì)復(fù)合地基樁間土具有一定的側(cè)向約束作用;水泥具有一定的吸水作用，使樁間土部分水分被吸收，加速了樁間土的滲透固結(jié);水泥與土發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，提高了樁間土的強(qiáng)度［10］。這些因素的影響使得樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β＞1。結(jié)合工程應(yīng)用情況，得到中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β為1. 09。

5　結(jié)論

1)水泥土攪拌樁能夠大大提高飽和黃土地基承載力，加固效果顯著。

2)二灰摻合比越高，水泥土攪拌樁單樁及單樁復(fù)合地基的承載力越大。

3)隨著上部荷載的增加，樁頂與樁間土平均應(yīng)力會(huì)不同幅度增大，樁土應(yīng)力比先增大后逐漸減小。

4)計(jì)算得出中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β為1. 09，可為該地區(qū)其他工程建設(shè)提供參考。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Static load test study on cement-soil mixing piles in saturated loess foundation of Zhongchuan railway

CHEN Shilei1，LIU Yonghe2，YANG Youhai1

( 1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．School of Railway Technology，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:Based on the railway engineering project from W estern Lanzhou to Zhongchuan airport，static load test on cement-soil mixing piles( on saturated loess foundation) as well as on integrated single-pile foundation were carried out．T he results indicate that in comparison with the foundation of natural saturated loess，the integrated foundation supported by cement-soil mixing piles with a 12%～20% additive ratio of cement and fly ash shows a 48%～88% increase in bearing capacity．And the growth of additive ratio brings up the bearing capacity of both the pile and the foundation at large．As the loading imposed to the upper structure goes up，the stresses at pile top and soil between piles grow by different amplitude，while the stress ratio of pile soil increases at first and falls at the later stage．It can be calculated that in this case the bearing efficiency β of soil between piles stands at 1. 09．

Key words:Saturated loess; Cement-soil mixing pile; Integrated foundation; Bearing capacity; Additive ratio of cement and fly ash

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0106-05

作者簡(jiǎn)介:陳世雷( 1990—)，男，在讀碩士研究生。

基金項(xiàng)目:中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題合同( 2013G009-N)

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

中圖分類號(hào):TU473．1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．26