旋噴樁復(fù)合地基承載特性分析

孫夢杰

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400041)

旋噴樁復(fù)合地基承載特性分析

孫夢杰

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400041)

某邊坡主滑面為土巖交界面，整體穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，故需對邊坡進(jìn)行處理。擬采用高壓旋噴樁對該邊坡進(jìn)行地基處理。對旋噴樁樁體、樁間土及復(fù)合地基分別做單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、樁間土靜載試驗(yàn)及單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，分析其Q-s、P-s曲線圖,確定單樁豎向承載力特征值、樁間土及復(fù)合地基承載力特征值。結(jié)果表明：旋噴樁處理紅黏土形成復(fù)合地基，提高了土體的抗剪強(qiáng)度和地基承載力；對比分析了由樁體、樁間土的承載力特征值等參數(shù)確定復(fù)合地基承載力特征值的幾種方法；由樁土應(yīng)力比n及折減系數(shù)λ計算復(fù)合地基承載力時，計算值與實(shí)測值基本一致。

高壓旋噴樁；復(fù)合地基；承載力

Abstract：The main sliding surface of a slope is the interface of soil rock, and the whole stability does not meet the requirement of specifications, so the slope should be treated. A high-pressure jet grouting pile is proposed to treat the slope with foundation treatment. The vertical compressive static load test of pile, soil and composite foundation of the jet grouting pile are carried out respectively. The static load test of pile and the load test of single pile composite foundation are analyzed, theQ-sandP-scurves are determined, the characteristic value of vertical bearing capacity of single pile, the bearing capacity of soil and composite foundation of pile are confirmed. The results show that the composite foundation is treated by the jet grouting pile, which improves the shear strength and the bearing capacity of the soil. Several methods of determining the bearing capacity eigenvalue of composite foundation by the parameters of the bearing capacity of pile and soil are compared and analyzed. When the bearing capacity of composite foundation is calculated by the stress rationand the reduction coefficientλof pile-soil, the calculated value is basically consistent with the measured value.

Keywords：high-pressure jet grouting pile; composite foundation; bearing capacity

在巖土工程中，對于淤泥、淤泥質(zhì)土等其他高壓縮性土構(gòu)成的軟土地基，一般不宜直接作為天然地基，須經(jīng)過有效的地基處理才能使用[1-2]。常用的處理軟土地基的方法有：換填法、強(qiáng)夯法、高壓噴射注漿法、深層攪拌法等[3-4]。本文主要介紹旋噴樁在處理紅黏土地基時形成復(fù)合地基的應(yīng)用。

高壓旋噴樁的基本原理：利用鉆機(jī)，把注漿管鉆進(jìn)至預(yù)定土層深度，然后以20～40 MPa的壓力，把漿液或水從噴嘴中噴射出來，形成噴射流，使土體結(jié)構(gòu)破壞，并與漿液混合，形成水泥土樁體[5-6]。宋興海等結(jié)合某地區(qū)旋噴樁復(fù)合地基現(xiàn)場載荷試驗(yàn)對復(fù)合地基承載力的確定做了探討[7]；范子中等通過載荷試驗(yàn)，對高壓旋噴樁單樁復(fù)合地基承載力的實(shí)測值與計算值進(jìn)行對比，并取其P-s曲線進(jìn)行了擬合分析[8]；李小杰對高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載力、沉降量實(shí)測值與計算值進(jìn)行了對比分析[1]；安關(guān)峰、姚賢華等對高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載特性進(jìn)行了數(shù)值分析[9-10]。本文以高壓旋噴樁形成復(fù)合地基，在旋噴樁和重力式擋墻的共同作用下，對比分析了樁體、樁間土、復(fù)合地基的承載特性。

1 工程概況

重慶某工程位于南山區(qū)吉祥路口西側(cè)，擬建場區(qū)屬斜坡地形。場地周圍未見斷層、滑坡、邊坡失穩(wěn)等不良地質(zhì)作用，地質(zhì)構(gòu)造較簡單。場地內(nèi)巖土分層由上至下依次為：素填土、雜填土、紅黏土、灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖。巖土邊坡設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 巖土邊坡設(shè)計參數(shù)表

本項(xiàng)目施工完成后，局部將形成較高的回填區(qū)域，經(jīng)計算，該回填區(qū)局部邊坡整體穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，主滑面為土巖交界面，故需對邊坡進(jìn)行處理。

2 地基處理采用方案

該施工場地多為紅黏土，擬采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基處理，形成復(fù)合地基以增強(qiáng)覆蓋層的抗剪強(qiáng)度，在重力式擋墻加旋噴樁的共同作用下，使邊坡整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

旋噴樁布置方式為：直徑800 mm。31#樓、32#樓及相關(guān)范圍的旋噴樁間距為2 m；38#樓、39#樓、40#樓及其相關(guān)范圍的旋噴樁間距為3 m；54#樓、55#樓、56#樓、57#樓及其相關(guān)范圍的旋噴樁間距為5 m。

該工程選用42.5級普通硅酸鹽水泥，采用雙管法的高壓水泥漿壓力≥30 MPa，流量≥60 L/min，氣流壓力0.7 MPa，提升速度為0.1～0.2 m/min，上述參數(shù)均可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況在合理范圍內(nèi)調(diào)整。紅黏土①采用水泥526 kg/m3、水526 kg/m3、加固土658 kg/m3；紅黏土②采用水泥570 kg/m3、水570 kg/m3、加固土633 kg/m3；水泥土配合比為1.0。

3 承載特性

3.1載荷試驗(yàn)

為了確定復(fù)合地基的承載特性，在旋噴樁復(fù)合地基施工結(jié)束后，分別做單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、樁間土地基靜載荷試驗(yàn)及復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，試驗(yàn)對32#樓擋墻區(qū)域的3根旋噴樁進(jìn)行了豎向抗壓靜載試驗(yàn)，樁號為252～254。各試樁基本概況見表2。

表2 單樁承載力特征值

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)用堆載平臺上的混凝土塊作為反力裝置。加載系統(tǒng)由壓重荷載、千斤頂?shù)冉M成。3組單樁載荷試驗(yàn)Q-s曲線如圖1所示。

為了確定樁間土地基承載力特征值，對位于32-230#樁到32-229#樁樁間土區(qū)域內(nèi)做靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)采用剛性壓板置于試點(diǎn)上，千斤頂平放于剛性壓板的中心。壓板下設(shè)不超過20 mm厚的中粗砂找平層，壓板形狀為圓形。根據(jù)各級荷載及相對應(yīng)的地基沉降量繪制P-s曲線如圖2所示。

為了確定復(fù)合地基承載力特征值，對樁號分別為236#、234#、229#所分擔(dān)處理的面積區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，單樁分擔(dān)處理的區(qū)域內(nèi)土層為紅黏土，樁徑為800 mm，樁長10 m，樁間距為2 m，處理地基等效圓直徑為2.1 m，面積為3.46 m2。根據(jù)各級荷載及相對應(yīng)的地基沉降量繪制P-s關(guān)系曲線如圖3。

圖1 單樁載荷試驗(yàn)曲線 圖2 樁間土載荷試驗(yàn)曲線 圖3 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線

在Q-s曲線、P-s曲線的基礎(chǔ)上，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)處理分析后，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)規(guī)定的確定單樁豎向承載力特征值Ra及單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk(本次試驗(yàn)s/b=0.008)，樁間土地基承載力確定時，當(dāng)板面積為0.25～0.5 m2，可取s/b=0.01～0.015所對應(yīng)荷載，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。

終止加載試驗(yàn)條件的前一級荷載為靜載試驗(yàn)的極限荷載。試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4、表5。

表3 單樁承載力特征值

表4 樁間土承載力特征值

表5 單樁復(fù)合地基承載力特征值

從表3～表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1) 比例界限不明顯，隨著豎向荷載的增加，旋噴樁單樁Q-s曲線、樁間土及單樁復(fù)合地基P-s曲線基本呈線性增加，接著曲線比較平緩，然后進(jìn)入陡降段，說明隨著荷載的增加，高壓旋噴樁復(fù)合地基的P-s曲線，與地基破壞過程經(jīng)歷的壓密、剪切和破壞三個階段相吻合；

(2) 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，在樁徑相同的條件下，各試驗(yàn)點(diǎn)單樁承載力特征值有所不同，樁長不同，單樁承載力特征值也有所不同。

3.2實(shí)測值與計算值的比較

目前復(fù)合地基承載力的確定采用的計算模式還是先分別確定樁體及樁間土的承載力，然后按一定的原則疊加得到復(fù)合地基承載力[11]。計算方法一般有應(yīng)力比法和面積比法。

采用應(yīng)力比法確定復(fù)合地基承載力可按式(1)計算[12]：

Pf=[m(n-1)+1]Psf

(1)

式中：Psf為樁間土極限承載力；m為面積置換率；n為樁土應(yīng)力比。

應(yīng)力比n是復(fù)合地基的一個重要設(shè)計參數(shù)，目前還沒有成熟的計算方法，多用經(jīng)驗(yàn)估計，用樁土模量比計算應(yīng)力比的公式為[10]：

(2)

式中：Ep為樁體變形模量，單位kPa；Es為樁間土變形模量，單位kPa。

通過文獻(xiàn)對比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比法大多用于散體土類樁即柔性樁，而旋噴樁屬于水泥土樁即半剛性樁，一般采用面積比法[13]，如式(3)所示：

fspk=mfpk+λ(1-m)fsk

(3)

式中：fpk、fsk為樁體、樁間土的承載力特征值；λ為樁間土承載力折減系數(shù)，取值為0.1～1.0。其中面積置換率m可按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2012)中的規(guī)定計算[14]，如式(4) 所示：

(4)

式中：d為樁身平均直徑，本次試驗(yàn)取0.8 m；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，等邊三角形布樁de=1.05s，s為樁間距，本次試驗(yàn)取2 m；由此可得面積置換率m=0.145。

對于樁間土承載力折減系數(shù)λ，假設(shè)當(dāng)樁體達(dá)到極限承載力fp(取三根單樁的極限承載力的平均值754.66kN)時，樁體和樁間土的變形量一致，則可以利用此時樁間土的位移變形量找出在P-s曲線上所對應(yīng)的承載力fs(對應(yīng)P-s曲線取為143 kPa)，若以此時樁間土的承載力與樁體承載力之比來作為樁間土承載力系數(shù)，如式(5)所示：

(5)

將m=0.1451，λ=0.1代入公式(4)，得到旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值為fspk=115.33 kPa。

此外，文獻(xiàn)[15]得到的樁土應(yīng)力比公式為：

(6)

確定n值，代入式(7)

(7)

計算得到n=10.45,λ=0.42。代入公式(4)，得到旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值為fspk=135.02 kPa。

可見，由樁間土發(fā)揮的承載力與樁體極限承載力之比作為折減系數(shù)λ，即λ=0.1時，fspk=115.33 kPa與實(shí)測值fspk=134.6 kPa相比，偏于保守，由樁間土承載力特征值與單樁承載力特征值之比作為樁土應(yīng)力比n，結(jié)合面積置換率m得到的折減系數(shù)即λ=0.42，fspk=135.02 kPa與實(shí)測值fspk=134.6 kPa基本吻合。

4 結(jié)語

通過旋噴樁樁體、樁間土及復(fù)合地基的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)、樁間土地基載荷試驗(yàn)及單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的對比分析，可得如下結(jié)論：

(1)隨著豎向荷載的增加，旋噴樁單樁Q-s曲線、樁間土及單樁復(fù)合地基P-s曲線基本是先呈直線增加，接著曲線比較平緩，然后進(jìn)入陡降段，說明隨著荷載的增加，高壓旋噴樁復(fù)合地基的P-s曲線，與地基破壞過程經(jīng)歷的壓密、剪切和破壞三個階段相吻合；

(2)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)中，在樁徑、樁頂標(biāo)高一樣的條件下，樁長不同，單樁承載力特征值也有所不同；

(3)由樁間土發(fā)揮的承載力與樁體極限承載力之比作為折減系數(shù)計算得到的復(fù)合地基承載力特征值偏于保守，由樁體、樁間土承載力之比作為樁土應(yīng)力比n，進(jìn)而得到折減系數(shù)λ，計算得到的復(fù)合地基承載力特征值與實(shí)測值基本一致。

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Bearingcapacityofcompositefoundationwithrotaryjetgroutingpile

SUN Meng-jie

(SchoolofHehai,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400041,China)

2017-05-25

孫夢杰(1991—)，女，河南開封人，碩士研究生。

1674-7046(2017)04-0065-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.012

TU472

A