水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降計算方法探討

楊鳳偉 王劍鋒

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011)

水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降計算方法探討

楊鳳偉 王劍鋒

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011)

探討水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降量計算方法，并應(yīng)用于某防洪堤工程復(fù)合地基的沉降量計算，若同時考慮樁身和樁間土壓縮模量時，沉降量偏小；采用《規(guī)范》法和應(yīng)力修正法的計算值與實測值接近，表明后兩種方法更為可靠。

水泥攪拌樁,復(fù)合地基,沉降

1 概述

眾所周知，防洪堤建設(shè)工程的主要目的是確保堤內(nèi)區(qū)域免受洪水的侵襲，然而當防洪堤地基承載力不足時，需對地基進行加固處理，在各種處理方法中，水泥攪拌樁是一種常用的方法。該法是利用水泥等材料作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量[1]。由于該法具有施工速度較快，水泥土在28 d左右即可形成較高的強度，形成的復(fù)合地基具有承載力高和壓縮性低等優(yōu)點，在諸多工程中得到了廣泛應(yīng)用[2,3]。水泥攪拌樁是介于剛性樁與柔性土之間的一種柔性樁，與樁周土形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載。水泥攪拌樁的沉降量受諸多因素影響，包括樁體強度、樁周土性質(zhì)、樁距、樁長和上覆荷載性質(zhì)等，其相關(guān)的計算理論仍不成熟。因此，本文探討目前水泥攪拌樁復(fù)合地基的一些沉降量計算方法，并應(yīng)用于某水泥攪拌樁復(fù)合地基工程中，并將計算結(jié)果與實測推算結(jié)果進行對比，分析計算誤差的緣由，為同類工程提供參考。

2 加固原理

水泥攪拌樁是一種柔性樁，其強度形成機理與混凝土的硬化機理明顯不同，混凝土的硬化主要是在粗骨料中進行水解與水化反應(yīng)，水泥摻量較高，其孔隙相對較大，所以硬結(jié)速度較快，一般一個月即可達到設(shè)計強度。而水泥土內(nèi)的水泥摻量較小，一般控制在加固土質(zhì)量的8%～20%，且加固軟土的顆粒較小，滲透系數(shù)較小，水解和水化反應(yīng)完全是包裹在一定活性的土內(nèi)進行的，所以反應(yīng)速度較慢。水泥土的物理化學(xué)反應(yīng)極其復(fù)雜，包括水泥的水解與水化反應(yīng)，包括離子交換和團粒化作用、硬凝反應(yīng)、碳酸化作用等。

水泥攪拌樁每隔一定距離在軟土地基內(nèi)打設(shè)一根，根據(jù)施工方法不同，可分為單軸、雙軸和三軸等形式，其直徑和間距也有所差異，對于單軸，樁距一般為1.0 m～1.5 m。在平面上可按梅花形或正方形進行布設(shè)，深度根據(jù)上部荷載條件而定，當軟土層不太厚時，一般打穿至整個軟土層。水泥攪拌樁與樁間土共同受力來承擔(dān)上部荷載，實際工程中，復(fù)合地基的加固性能并非水泥摻量越大越好，若水泥摻量過大，則容易造成樁體強度過高、壓縮模量太大，樁體壓縮量較小，樁間土受力不明顯的問題，此時復(fù)合地基共同作用較差，反而因水泥摻量太大而不經(jīng)濟。

3 沉降計算方法

目前一般認為水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降由復(fù)合加固土層的變形S1和樁端以下未加固土層的變形S2兩部分組成，如圖1所示，即：S=S1+S2。對于一般的復(fù)合地基，復(fù)合加固土層的壓縮量可取10 cm～30 cm，若對設(shè)計要求較高，也可通過理論計算方法進行確定，目前大致有以下三種方法。

3.1加固區(qū)沉降量計算方法

3.1.1復(fù)合模量法

該法是將復(fù)合地基加固區(qū)的增強體，即水泥攪拌樁連同樁間土看作一個整體，同時考慮樁身和樁間土的壓縮模量，采取置換率加權(quán)模量法計算復(fù)合模量，另外復(fù)合模量也可根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，并以此作為設(shè)計參數(shù)，然后按分層總和法計算：

(1)

Espi=mEp+(1-m)Esi

(2)

其中，n為樁長范圍內(nèi)土體的層數(shù)；Δpi為第i層土體的附加應(yīng)力增量,kPa，Δpi=p0-pc，p0為復(fù)合地基加固區(qū)頂面的平均壓力,kPa，p0=γh(γ為填土的重度，kN/m3,h為填土高度,m)，pc為加固區(qū)的自重應(yīng)力標準值,kPa；Espi為加固區(qū)第i層復(fù)合樁土的壓縮模量,MPa；Ep為水泥攪拌樁體的壓縮模量，MPa；m為面積置換率；Esi為加固區(qū)范圍內(nèi)第i層土體的壓縮模量,MPa；Hi為加固區(qū)第i復(fù)合土層的厚度,m。

為了簡化計算，工程應(yīng)用上可將加固區(qū)視為一層，于是式(1)可簡化為：

(3)

文獻[2]指出采用式(2)計算復(fù)合模量有不妥之處，建議采用式(4)計算，另外該法也是JGJ 79—91建筑地基處理技術(shù)規(guī)范建議的公式(下稱《規(guī)范》法)：

Esp=[1+m(n-1)]Es

(4)

令ξ=1+m(n-1)，可得復(fù)合地基承載力的一般表達式：

fsp,k=[1+m(n-1)]fk=ξfk

(5)

3.1.2應(yīng)力修正法

應(yīng)力修正法，也稱為Es法。該法基于以下原理，在水泥攪拌樁加固的地基中，水泥攪拌樁打設(shè)后，樁間土上的荷載密度比水泥攪拌樁復(fù)合地基上的平均荷載密度要小，也就是作用在水泥攪拌樁體上的荷載密度比復(fù)合地基上的要大，這種現(xiàn)象即為應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力修正法基于樁土應(yīng)力比，不考慮水泥攪拌樁體，只考慮樁間土的壓縮模量和土中應(yīng)力，用分層總和法計算出加固區(qū)的壓縮沉降量。

水泥攪拌樁復(fù)合地基中樁間土上分擔(dān)的荷載為：

(6)

其中，μs為應(yīng)力減小系數(shù)或應(yīng)力修正系數(shù)；n為復(fù)合地基中的樁土應(yīng)力比，無實測資料時，可取3～5。

因此，水泥攪拌樁復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量可表示為：

(7)

其中，Δpsi為復(fù)合地基中第i層樁間土中的復(fù)合應(yīng)力增量,kPa。

3.1.3樁身壓縮量法

該法也稱為Ep法，假定水泥攪拌樁體不會向下刺入下臥層中產(chǎn)生沉降，將水泥攪拌樁體的壓縮量來代替復(fù)合地基整體壓縮量。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁體分擔(dān)的荷載為：

(8)

其中，μp為應(yīng)力集中系數(shù)。

則樁身壓縮量可表示為：

S1=ppL/Ep

(9)

其中，L為樁長,m；Ep為樁身材料壓縮模量,MPa，Ep可取(80～150)fcu,k。

3.2加固區(qū)下臥層的沉降量

水泥攪拌樁加固區(qū)以下部分的下臥層沉降量，可采用《規(guī)范》法中推薦的一維分層總和法求解，難點是確定下臥層的荷載，可采用應(yīng)力擴散法、等效實體法和當層法。此外還有Mindlin-Geddes方法以及改進的Geddes法。文獻[3]通過對本構(gòu)模型和參數(shù)的選取，將加固體和下臥層看作雙層加筋地基，采用數(shù)值分析計算復(fù)合地基沉降量。文獻[4]將水泥土攪拌樁復(fù)合地基的壓縮層分為三部分，即臨界樁長部分、臨界樁長以下的樁身部分和下臥層部分，用復(fù)合模量法計算出臨界樁長范圍內(nèi)的壓縮量作為加固層的壓縮量，下臥層采用分層總和法計算。

4 工程應(yīng)用

安徽省某縣城防洪堤按遭遇50年一遇洪水時免受洪水侵襲的標準進行設(shè)計，防洪堤場地位于河流沖積地貌形態(tài)區(qū)。該防洪堤采用附近開挖的花崗巖風(fēng)化殘積土等材料進行填筑，填筑最大設(shè)計高度為5.0 m，平均為2.4 m。其中迎水面坡度為1∶1.5，背水面坡度為1∶2.0，為減少產(chǎn)生管涌等滲透破壞形式，堤內(nèi)鋪設(shè)了一層復(fù)合土工膜，土工膜上下兩個面各粘合了一層土工布。該防洪堤左岸長度為3 452 m，右岸長度為3 523 m。該堤壩壓實度要求大于92%，地基承載力要求大于200 kPa。場地主要為高壓縮性的流塑狀～可塑狀淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度為5.4 m～9.7 m，下部為砂土。為了保障填土的穩(wěn)定性，減小填土及上部工程設(shè)施的總沉降量及不均勻沉降量，縮短工程建設(shè)周期，經(jīng)多方論證采用水泥攪拌樁復(fù)合地基對下部的軟土層加固處理。水泥攪拌樁采用單軸形式，設(shè)計樁徑為0.5 m，樁距為1.2 m，采用梅花型布設(shè)。樁長貫穿至整個軟土層的底部。

為了掌握該防洪堤水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降穩(wěn)定規(guī)律，選取了典型斷面布設(shè)沉降變形及應(yīng)力傳感器進行監(jiān)測。其中在監(jiān)測斷面處，填土高度為2.8 m，填土重度為19 kN/m3，水泥土在90 d齡期時的無側(cè)限抗壓強度為2.4 MPa，樁長為9.0 m，樁間土的壓縮模量為2.0 MPa，置換率m=15.7%，樁土應(yīng)力比的測試值約為3.0，復(fù)合地基的承載力標準值為226.9 kPa，天然地基承載力標準值為50 kPa。

采用沉降盤的方法對該防洪堤工程的總沉降量進行監(jiān)測，總沉降量隨著時間的變化曲線如圖2所示，可以看出，隨著時間的持續(xù)，沉降量逐漸增大，待填土荷載達到設(shè)計高度后，沉降量仍在持續(xù)增長，表明樁間土的緩慢固結(jié)排水對沉降量仍有所貢獻。根據(jù)實測沉降數(shù)據(jù)，采用雙曲線模型對該填土的最終沉降量進行預(yù)測，其最終沉降量為210.5 mm。由分層沉降測得沉降只發(fā)生在樁身范圍內(nèi)，即在樁身以下沒有觀測到沉降。下面采用計算公式計算該地基的沉降，并與實測推算值作比較。

根據(jù)《規(guī)范》法，取樁身壓縮模量Ep=110fcu=110×2.4=264 MPa，根據(jù)式(2)和式(4)求得的復(fù)合模量分別為43.1 MPa和2.63 MPa。采用以上幾種方法計算的沉降值匯總于表1。可以看出，在復(fù)合模量法中，當采用考慮樁身壓縮模量和樁間土壓縮模量計算復(fù)合模量時(即式(2))，計算的沉降量比由實測沉降量的推算結(jié)果要?。欢捎谩兑?guī)范》法計算復(fù)合模量時的復(fù)合模量法和應(yīng)力修正法的計算結(jié)果與由實測結(jié)果推算的最終沉降量較為接近，表明后兩種方法更為可靠；而采用樁身壓縮量法的計算結(jié)果比實測推算值偏小不少。

表1 水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降量的計算結(jié)果 mm

造成上述差距的原因是，樁身壓縮模量是基于樁身無側(cè)限抗壓強度得到的，兩者之間的經(jīng)驗關(guān)系式由室內(nèi)水泥土試驗擬合出來。室內(nèi)制作的水泥土較為均勻，強度容易控制，所以強度容易保障，而實際地基中水泥攪拌樁樁身的壓縮模量比室內(nèi)試驗得到的要小。主要是目前國內(nèi)的水泥攪拌樁施工機械相對落后，在施工過程中，噴出的水泥灰(漿)量不易控制，噴射不易均勻，當深度較大時，噴出困難較大，存在薄弱地區(qū)。由于施工技術(shù)的原因，使得實際的樁體壓縮模量小于理論計算值。

5 結(jié)語

本文探討了防洪堤水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降量計算方法，包括復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法和樁身壓縮 量法，利用這三種方法計算了安徽省某復(fù)合地基的沉降量，將計算結(jié)果與實測沉降量的推算結(jié)果進行了對比。在復(fù)合模量法中，若采用同時考慮樁身壓縮模量和樁間土壓縮模量計算復(fù)合模量時，計算的沉降量比實測沉降量推算值要?。欢捎谩兑?guī)范》法計算復(fù)合模量時的復(fù)合模量法和采用應(yīng)力修正法的計算結(jié)果與實測推算值較為接近，表明后兩種方法更為可靠。采用樁身壓縮量法的計算結(jié)果比實測推算值偏小不少，究其原因，是由于某些水泥攪拌樁實際施工時樁身質(zhì)量難以保證造成的。

[1] 葉書麟，韓 杰，葉觀寶.地基處理與托換技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994:361.

[2] 王瑞芳，CFG樁復(fù)合地基工作性狀研究[D].武漢:武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

[3] 王 軍，楊建永.水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降計算方法淺談[J].南方冶金學(xué)院學(xué)報，2004,25(1)：62-66.

[4] 龔曉南，段繼偉.柔性樁的荷載傳遞特性[A].中國土木工程學(xué)會第七屆土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議論文集[C].1994：605-610.

Discussiononsettlementcalculationmethodofcementmixingpilecompositefoundation

YangFengweiWangJianfeng

(AnhuiTrafficSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd，Hefei230011,China)

Discussion on settlement calculation method of cement mixing pile composite foundation， the settlement calculation of composite foundation applied to a flood control dike project is also presented， when considering the modulus of compression between the pile and the soil， the settlement is too small. The calculated values of the code method and the stress correction method are close to the measured values. It shows that the latter two methods are more reliable.

cement mixing pile, composite foundation, settlement

1009-6825(2017)28-0064-03

2017-07-26

楊鳳偉(1978- )，男，高級工程師

TU470

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