水泥土攪拌樁處理沿海軟土地基的試驗(yàn)研究

程順利 華衛(wèi)君

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波315012)

水泥土攪拌樁處理沿海軟土地基的試驗(yàn)研究

程順利 華衛(wèi)君

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波315012)

通過沿海軟土地基水泥土攪拌樁的單樁靜載荷試驗(yàn)和室內(nèi)水泥土試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，提出了寧波鎮(zhèn)海新近圍墾的軟土地區(qū)采用水泥攪拌法處理的適宜性和處理效果；并通過對(duì)埋設(shè)在樁身內(nèi)的鋼弦式砼應(yīng)變計(jì)的系統(tǒng)觀測(cè)與研究，分析了水泥攪拌樁在樁頂荷載作用下，沿樁身的應(yīng)力分布情況，得出了在一定條件下水泥土攪拌樁的臨界受力深度，為今后具體工程采用水泥土攪拌法處理軟土地基的設(shè)計(jì)計(jì)算與施工提供了科學(xué)的依據(jù)和可靠的技術(shù)參數(shù).

水泥攪拌樁；靜載荷試驗(yàn)；水泥土室內(nèi)抗壓試驗(yàn)

軟土地基處理試驗(yàn)是土建設(shè)計(jì)前的一項(xiàng)重要工作，它不僅直接決定工程的造價(jià)，而且還決定著施工建設(shè)的速度和質(zhì)量與安全.砂井堆載預(yù)壓法及換土墊層法等地基處理方案都曾在鎮(zhèn)海煉化經(jīng)過試驗(yàn)，并成功地應(yīng)用于儲(chǔ)油罐、化肥倉(cāng)庫(kù)及污水池等建(構(gòu))筑物，取得了較好的效果.但水泥土攪拌樁法之前在寧波鎮(zhèn)海圍墾成陸時(shí)間較短的臨海海積平原地區(qū)從未進(jìn)行過系統(tǒng)的試驗(yàn)和應(yīng)用，因此，選擇在場(chǎng)地淺部土層含水量高、強(qiáng)度很低、天然地基承載力很小的典型軟土地基上進(jìn)行水泥土攪拌樁法處理軟土地基的試驗(yàn)和研究[1]，是十分必要的，并具有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及試驗(yàn)點(diǎn)的選擇

試驗(yàn)場(chǎng)地位于杭州灣喇叭口南岸，瀕臨東海之濱，為新近圍墾的海涂地，屬濱海淤積平原地貌，地形平坦開闊，地勢(shì)較低，自然地面標(biāo)高一般為吳淞高程2.7～3.0 m.勘察資料[2]表明，場(chǎng)地20 m深度范圍內(nèi)的地層特征如下：

①2層粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑～軟塑，厚層狀，中等～高壓縮性，土質(zhì)不均勻，性質(zhì)自上至下漸變差.

①3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：褐灰色，流塑，厚層狀，高壓縮性，土質(zhì)不均勻，物理力學(xué)性質(zhì)差.

②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，流塑，薄層狀，高壓縮性，土質(zhì)較均勻，物理力學(xué)性質(zhì)差.

②2層淤泥質(zhì)黏土：灰色，流塑，薄層狀，高壓縮性，土質(zhì)較均勻，物理力學(xué)性質(zhì)差.

②3層含黏性土粉砂：綠灰色，飽和，中密，具層理，中等壓縮性，土質(zhì)不均勻，物理力學(xué)性質(zhì)較好.

②4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，流塑，似鱗片狀，高壓縮性，土質(zhì)不均勻，物理力學(xué)性質(zhì)差.

③1層粉砂：灰綠色，飽和，中密，厚層狀，中等壓縮性，土質(zhì)不均勻，物理力學(xué)性質(zhì)好.

由于場(chǎng)地幅源遼闊，地基土層結(jié)構(gòu)在縱橫方向上均有一定的變化(見圖1)，根據(jù)場(chǎng)地條件及土體分布特征，將試驗(yàn)點(diǎn)布置在A、C兩點(diǎn)，各試驗(yàn)場(chǎng)地的樁位平面布置見圖2，樁的豎向位置見圖3、圖4.

A、C兩點(diǎn)地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1.

圖1 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖

圖2 攪拌樁試驗(yàn)場(chǎng)地樁位平面布置示意圖

圖3 A點(diǎn)粉噴樁豎向位置圖

圖4 C點(diǎn)粉噴樁豎向位置圖

2 水泥粉噴攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)水泥粉噴攪拌樁處理軟土地基的加固效果，研究水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律[3]及臨界樁長(zhǎng)，本次在攪拌樁單樁靜載荷試驗(yàn)的同時(shí)，在A21號(hào)樁的樁身內(nèi)埋設(shè)了鋼弦式砼應(yīng)變計(jì).

2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備及安裝

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要由承壓板、加力裝置及量測(cè)系統(tǒng)組成.

單樁靜載荷試驗(yàn)承壓板由Φ500 mm、厚度25 mm的鋼板制成，在承壓板安裝前，先對(duì)樁頭進(jìn)行處理，即預(yù)先鑿去樁頂約0.3 m強(qiáng)度相對(duì)較低的部分，然后用素混凝土抹平.

承壓板上的加壓裝置采用500 kN油壓千斤頂，而千斤頂上的加載反力則使用現(xiàn)澆混凝土壓塊及平臺(tái)反力架提供.各級(jí)荷載值用放置在千斤頂上的300 kN或600 kN測(cè)力環(huán)直接測(cè)讀，而樁頂沉降量通過對(duì)稱安裝在承壓板上的四只百分表測(cè)讀，砼應(yīng)變計(jì)及土壓力計(jì)用鋼弦頻率接收儀測(cè)讀.

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一覽表

試驗(yàn)地點(diǎn)土層編號(hào)主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)含水量密度孔隙比液性指數(shù)壓縮模量直剪固快內(nèi)摩擦角內(nèi)聚力W/%ρ/(kN·m-3)eoILEs1-2/MPaΦ/°C/kPaA①2330187095073361156230①346017812414830084250②1458175128155226140100②2547169149152195112100②4489173136175336113150③12441960711730327102C①2337192091060462115400①3500176133169218117205②1368182104143320162170②251917314114820511997②32521920751710231140②4438179120158294118186③12311970692540360110

2.2 試驗(yàn)方法

本次靜載荷試驗(yàn)均按慢速維持荷載法進(jìn)行[4].每級(jí)加荷值一般為15～20 kN，卸荷量為每級(jí)加荷量的2倍.

各級(jí)荷載下的沉降變形觀測(cè)、沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)及終止試驗(yàn)條件，均按現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行.其中電測(cè)元件的觀測(cè)，在每級(jí)加荷前后各測(cè)讀一次，以后間隔1小時(shí)讀一次.

2.3 試驗(yàn)資料的整理

2.3.1 試驗(yàn)曲線的繪制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沉降觀測(cè)記錄資料，繪制出荷載(Q)與沉降量(S)的關(guān)系曲線圖(見圖5-圖8)和各級(jí)荷載下沉降量(S)隨時(shí)間對(duì)數(shù)(t)的變化曲線圖(省略).

2.3.2 單樁豎向承載力的確定

單樁豎向極限承載力值Qu，是根據(jù)Q-S及S-lgt曲線的變化特征綜合分析確定的[5]，即取Q-S曲線上明顯陡降段的起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載或S-lgt曲線尾部明顯向下曲折的前一級(jí)荷載為極限承載力值Qu.

單樁豎向承載力特征值Ra可取單樁極限承載力的一半.

按照上述方法確定的結(jié)果見表2.

對(duì)于A21號(hào)樁，在單樁靜載荷試驗(yàn)時(shí)，還對(duì)埋設(shè)在樁身內(nèi)的砼應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了觀測(cè)，根據(jù)砼應(yīng)變計(jì)的實(shí)測(cè)頻率值，推求不同荷載下各個(gè)砼應(yīng)變計(jì)應(yīng)變量隨深度的變化規(guī)律(見表3和圖9).

圖5 7.7m長(zhǎng)水泥攪拌樁荷載與沉降關(guān)系曲線圖

圖6 9.7m長(zhǎng)水泥攪拌樁荷載與沉降關(guān)系曲線圖

圖7 11.7m長(zhǎng)水泥攪拌樁荷載與沉降關(guān)系曲線圖

圖8 9.2m長(zhǎng)水泥攪拌樁荷載與沉降關(guān)系曲線圖

圖9 A21號(hào)樁頂荷載作用下樁身應(yīng)變隨深度變化關(guān)系圖

表2 單樁豎向承載力確定表

試樁編號(hào)樁長(zhǎng)/m實(shí)測(cè)平均水泥摻入量aw/%單樁豎向極限承載力單樁豎向承載力特征值單樁試驗(yàn)值平均值單樁試驗(yàn)值特征值Qu/kNSu/mmQu/kN Su/mm Ra/kN Sa/mm Ra/kN Sa/mmA4A5A67717165257915120197017165286915002473825339600220825284750281A7A8A99715160234717180236617160167716672130800283900211800258833251A20A21117182402904141602765200028351200283800332100308C1C2C3921718016491818016681718030721733213800200900189900279867223

表3 A21粉噴樁樁身砼應(yīng)變計(jì)測(cè)試結(jié)果表

荷載P/kN20406080100120140160180測(cè)點(diǎn)編號(hào)深度/m微應(yīng)變?chǔ)?με20151913295341698271137774701626099272435157275470106516842648355749007930134512723641666694812792061294357692155113208320470711100415102337345119659318729833537240944659397512753654729010812616123333918951938577995114133152189

注：16、14號(hào)二只砼應(yīng)變計(jì)失靈無(wú)效

3 試驗(yàn)成果的分析研究

通過上述試驗(yàn)資料的整理、分析，可以得出如下主要結(jié)果：

(1)水泥粉噴攪拌樁在各級(jí)荷載作用下的沉降穩(wěn)定歷時(shí)較長(zhǎng)，Q-S曲線尾段驟然陡降，卸載后回彈不好，回彈率一般為5.8%～10.5%，表現(xiàn)出柔性樁的特點(diǎn)，因此，它是一種介于剛性樁與散體材料樁之間的具有一定壓縮性的半剛性樁.

(2)從各試樁的樁頭開挖結(jié)果表明，攪拌樁的樁身橫截面各點(diǎn)處的強(qiáng)度是不均勻的，中心軸處(直徑約10 cm)強(qiáng)度最低，水泥土結(jié)構(gòu)較松，沿徑向向外強(qiáng)度逐漸增加，一般最外圈3～5 cm水泥含量較高，強(qiáng)度最大，與國(guó)外報(bào)導(dǎo)類似，這一點(diǎn)在本次試驗(yàn)中已得到證實(shí).在試驗(yàn)時(shí)，我們?cè)跇俄斁嘀行狞c(diǎn)約1/2半徑處埋設(shè)了壓力傳感器，但實(shí)測(cè)傳感器的壓應(yīng)力均小于樁頂實(shí)際的平均應(yīng)力，由此說(shuō)明在荷載作用下，應(yīng)力主要集中在樁的周圈.

(3)隨著粉噴樁長(zhǎng)度的增加，其單樁承載力特征值亦有所提高，但提高的幅度較小，并不是呈線性增加.由表4可見，平均每米樁長(zhǎng)所獲得的承載力隨樁的長(zhǎng)度增加反而減少，由此說(shuō)明，本次試驗(yàn)的水泥攪拌樁應(yīng)屬純摩擦型樁，且主要是靠樁身上部受力，樁下部承載力發(fā)揮甚少或基本不受力.

表4 不同樁長(zhǎng)的承載力比較

實(shí) 際 樁 長(zhǎng)/m779297117單樁承載力特征值/kN7508678331000平均每米樁長(zhǎng)所獲取的承載力/(kN·m-1)97948685

(4)水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的一個(gè)首要問題是確定單樁承載力，而在沒有試樁條件下要確定單樁承載力，首先必須確定樁的臨界長(zhǎng)度，并據(jù)此來(lái)確定樁的承載類型，對(duì)于純摩擦樁不應(yīng)考慮端阻力.基于這個(gè)目的，我們?cè)贏21號(hào)樁中埋設(shè)了砼應(yīng)變計(jì)，根據(jù)樁身不同深度處的應(yīng)變量大小，可以分析樁身的荷載傳遞規(guī)律.由圖9可見，隨著樁頂荷載的增加，不同深度處的樁身應(yīng)變量也隨之增大，但應(yīng)變量的增加幅度卻自上至下逐漸減少.在容許荷載80 kN作用下，7.5 m和9.5 m深度處的應(yīng)變量?jī)H為1.5 m深度處應(yīng)變量的5.3%和4.7%，表明該水泥攪拌樁在7.5 m以下部分對(duì)發(fā)揮承載力的作用不大，由此說(shuō)明其臨界樁長(zhǎng)為7.5 m左右.從圖9中還可以看出，0～4.5 m應(yīng)變曲線收斂很快，這可表明水泥攪拌樁樁身最大軸力位于樁頂4～5 m范圍內(nèi)，往下樁身軸力逐漸減少，對(duì)于超過8 m長(zhǎng)的樁，其下部受力很小，主要起減小地基沉降的作用.

(5)室內(nèi)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明(見表5、圖10)：本區(qū)不同深度的軟土，在水泥摻入量相同的條件下，水泥土強(qiáng)度基本相近，其極差不超過平均值的10%，說(shuō)明本區(qū)土質(zhì)對(duì)水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量影響很小.但水泥標(biāo)號(hào)及水泥摻入量對(duì)水泥土強(qiáng)度影響較大，在28天齡期和相同水泥摻入量的條件下，采用525#水泥與使用425#水泥相比，其強(qiáng)度可提高64%～136%；水泥土的強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而提高，且使用525#水泥的攪拌土強(qiáng)度增加尤為明顯，即當(dāng)水泥摻入量每增加5%，水泥土的平均強(qiáng)度就提高43%～56%，而當(dāng)使用425#水泥時(shí)，水泥摻入量每增加5%，水泥土的平均強(qiáng)度僅提高32%～34%.因此，要通過增加樁長(zhǎng)來(lái)提高水泥攪拌樁的承載能力，首先必須增加樁的臨界長(zhǎng)度，而要增加臨界樁長(zhǎng)，重要的條件是使樁身的抗壓強(qiáng)度和剛度增強(qiáng)，使其與相應(yīng)的承載力相匹配.但從經(jīng)濟(jì)技術(shù)上考慮，在樁徑一定的條件下，提高水泥攪拌樁的水泥標(biāo)號(hào)(即增加樁身強(qiáng)度)，對(duì)提高單樁承載力更具有實(shí)用意義，而不是盲目增加水泥摻入量或樁長(zhǎng).

表5 水泥標(biāo)號(hào)及摻入量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

地基土層編號(hào)水泥摻入量aw/%無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu/MPa425#525#qu525-qu425qu425×100%①31005400889646150780132069220098419741006②11005770948643150727134785320094922391360②21005090941849150655130499120094620061121

注：水泥土試件養(yǎng)護(hù)齡期為28天

4 結(jié)論

(1)水泥粉噴攪拌樁的施工質(zhì)量對(duì)樁體承載能力影響較大.由于試樁在施工過程中水泥摻入量控制不均(實(shí)測(cè)水泥摻入量為14%～18%不等)，以致造成試樁承載力也相差較大.因此在今后工程施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制噴灰(或噴漿)量和攪拌頭升降速度之間的關(guān)系，切不可出現(xiàn)斷灰(或斷漿)現(xiàn)象.同時(shí)攪拌次數(shù)對(duì)樁身的均勻性和強(qiáng)度也有一定的影響，一般來(lái)說(shuō)，攪拌次數(shù)越多，樁體越均勻，質(zhì)量相對(duì)亦較好.

(2)從樁身的微應(yīng)變可見，粉噴樁的樁身軸力是隨著荷載的增加而增大的，在同一級(jí)荷載作用下，軸力則自上至下逐漸減小，表現(xiàn)出類似剛性樁的特點(diǎn).同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在深度7.5 m以下，樁頂荷載的增加對(duì)其影響很小，可見其臨界樁長(zhǎng)為7.5 m左右，且最大軸力位于樁頂4～5 m范圍內(nèi).因此，加強(qiáng)樁頂4～5 m范圍內(nèi)樁身的強(qiáng)度和剛度，對(duì)提高樁體的承載能力有著重要的意義.

(3)水泥土強(qiáng)度隨水泥標(biāo)號(hào)的提高而增大，也隨水泥摻入量的增加而提高，同時(shí)也可以看出，在室內(nèi)試驗(yàn)條件下達(dá)到相同強(qiáng)度時(shí)，采用標(biāo)號(hào)為525#的水泥可比425#水泥降低摻入量10%左右.

圖10 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥標(biāo)號(hào)和摻入量關(guān)系圖

[1]華衛(wèi)君，杜仁杰，何文選．鎮(zhèn)海煉化100萬(wàn)噸/年乙烯工程軟土地基試驗(yàn)報(bào)告[R].寧波：浙江省工程勘察院，1993.

[2]李飚，華衛(wèi)君．鎮(zhèn)海煉化100萬(wàn)噸/年乙烯工程巖土工程勘察報(bào)告[R].寧波：浙江省工程勘察院，2006.

[3]段繼偉，龔曉南，曾國(guó)熙.水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律[J].巖土工程學(xué)報(bào),1994,16(4):1-7.

[4]周國(guó)鈞，胡同安，楊曉剛等．軟土地基深層攪拌加固法技術(shù)規(guī)程YBJ225-91[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[5]滕延京.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用(JGJ79-2012)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[6]徐至鈞，曹名葆．水泥土攪拌法處理地基.建筑地基處理技術(shù)叢書[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

(責(zé)任編輯 魯越青)

Experimental Research on Coastal Soft Ground Treated by Cement-Soil Mixed Piles

Cheng Shunli Hua Weijun

(Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo, Zhejiang 315012)

The paper proposes the suitability and treatment effects of cement mixing method in the newly reclaimed soft soil area in Zhenhai Ningbo through static load test on the single pile of cement-soil mixed piles on coastal soft ground and experiment on unconfined compressive strength test of cement-soil mixing test block in the laboratory. The stress distribution along the cement-soil mixed pile under the load at the pile top is analyzed by systematic observation and research of vibrating wire concrete strain meter embedded in the pile. We get the critical stress depth of cement-soil mixed piles under certain conditions, providing a scientific basis and reliable technical parameters for design calculation of specific projects using the cement-soil mixing method in the treatment of soft ground..

cement-soil mixed pile; static load test; compression test of cement-soil in laboratory

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.07.001

TU472

A

1008-293X(2017)07-0001-07

2017-01-11 作者簡(jiǎn)介：程順利(1964- )，男，浙江松陽(yáng)人，浙江省工程勘察院副教授，研究方向：巖土工程.

華衛(wèi)君(1963- )，男，浙江臺(tái)州人，浙江省工程勘察院教授，研究方向：巖土工程.