海相淤泥質(zhì)土地基加筋濾網(wǎng)碎石樁豎向承載性能試驗(yàn)研究

(1.中化巖土集團(tuán)股份有限公司，北京 102600； 2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100；3.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

1 研究背景

碎石樁因施工簡(jiǎn)單、加固效果好和造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)在軟土地基處理中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。碎石樁承載作用的發(fā)揮主要依靠樁周土對(duì)樁體的徑向圍箍力，當(dāng)樁周土為強(qiáng)度較低的軟土?xí)r(不排水抗剪強(qiáng)度Cu<15 kPa)，無法提供足夠大的徑向約束力，導(dǎo)致碎石樁體上部發(fā)生鼓脹破壞[4]。

加筋濾網(wǎng)碎石樁由加筋濾網(wǎng)與碎石共同作用形成，荷載作用下加筋濾網(wǎng)對(duì)碎石產(chǎn)生側(cè)向約束作用，能防止碎石顆粒擠入周圍土體，保持碎石樁的摩擦特性和排水固結(jié)通道[5-6]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)加筋濾網(wǎng)碎石樁受力性能分別從模型試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了一些研究，并取得了一定的研究成果。陳翠瓊[7]將加筋濾網(wǎng)碎石樁用于建筑物軟土地基加固，并證明了適用性。Murugesan等[8]、Yoo等[9]、Miranda等[10]、Mohapatra等[11]分別進(jìn)行了加筋濾網(wǎng)碎石樁與普通碎石樁的模型試驗(yàn)，得出加筋濾網(wǎng)能顯著提高碎石樁體的抗剪能力和承載力。李良勇等[12]建立了路堤荷載下加筋濾網(wǎng)散體樁有限元模型，分析了樁間距、加筋濾網(wǎng)剛度、路堤高度等因素對(duì)加固效果的影響。Hong等[13]基于軟土地基上加筋濾網(wǎng)砂樁模型試驗(yàn)得出加筋濾網(wǎng)能提高砂樁的承載力，當(dāng)濾網(wǎng)剛度較大時(shí)，側(cè)脹變形沿樁身均勻分布。Hughes等[14]研究發(fā)現(xiàn)加筋濾網(wǎng)碎石樁樁身膨脹變形約發(fā)生于從樁頂至4倍樁徑深度處。Sivakumar等[15]、Gniel等[16]通過三軸試驗(yàn)分別研究了加筋濾網(wǎng)砂樁、加筋濾網(wǎng)碎石樁試樣中加筋濾網(wǎng)的側(cè)向約束能力，得出樁體的強(qiáng)度和剛度隨加筋濾網(wǎng)剛度的增加而提高。Chen等[17]對(duì)加筋濾網(wǎng)碎石樁試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，結(jié)果表明加筋濾網(wǎng)碎石樁試樣單軸抗壓強(qiáng)度主要與加筋濾網(wǎng)的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，而與碎石的初始孔隙比無關(guān)。

已有研究大多采用模型試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)加筋濾網(wǎng)碎石樁(砂樁)試樣的承載性能、加筋濾網(wǎng)的側(cè)向約束能力等方面進(jìn)行研究，而通過現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)對(duì)加筋濾網(wǎng)碎石樁豎向承載性能的研究卻鮮有報(bào)道。本文通過對(duì)加筋濾網(wǎng)碎石樁加固淤泥質(zhì)軟土地基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用動(dòng)力觸探、平板載荷試驗(yàn)方法進(jìn)行加固效果研究和分析，建立加筋濾網(wǎng)碎石樁單樁有限元模型，分析加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)樁體承載性能的影響，可為加筋濾網(wǎng)碎石樁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地原為海域，已回填整平，回填料為開山碎石土，后經(jīng)3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯滿夯處理，場(chǎng)地地勢(shì)較平坦且排水通暢。試驗(yàn)區(qū)土層由上至下分別為：素填土層約3.5 m厚，淤泥質(zhì)黏土層約9 m厚，粉質(zhì)黏土層約0.5 m厚(部分鉆孔缺失)，最下層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖1 m。場(chǎng)地土層參數(shù)見表1。試驗(yàn)區(qū)選擇在淤泥質(zhì)黏土層較厚且上部無重要結(jié)構(gòu)物的區(qū)域。

表1 土層參數(shù)

圖1 試驗(yàn)區(qū)碎石樁平面布置

2.2 試驗(yàn)工藝及參數(shù)設(shè)計(jì)

預(yù)成孔加筋濾網(wǎng)碎石樁的施工工藝：首先在地基土中沉管并成孔，然后在孔內(nèi)下設(shè)加筋濾網(wǎng)，并在加筋濾網(wǎng)中分層回填碎石，每層填料厚度≤2.0 m，采用振動(dòng)桿振動(dòng)密實(shí)，分層施工直至地面形成密實(shí)樁體。

試驗(yàn)布置為3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，加筋濾網(wǎng)碎石樁共9根，分為3組，分別進(jìn)行預(yù)成孔振沖碎石樁與預(yù)成孔振沖加筋濾網(wǎng)碎石樁試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)碎石樁平面布置見圖1，試驗(yàn)樁參數(shù)見表2，HP470加筋濾網(wǎng)參數(shù)見表3，碎石填料由粒徑20 mm和40 mm的碎石等比例混合而成。

表2 試驗(yàn)樁參數(shù)

表3 HP470加筋濾網(wǎng)參數(shù)

表4 滿夯加固前單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.3 超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

試驗(yàn)采用落錘質(zhì)量為120 kg，落距為100 cm，試驗(yàn)時(shí)落錘自由下落且連續(xù)貫入，錘擊速率為15～30擊/min。錘擊數(shù)N120(簡(jiǎn)稱動(dòng)探擊數(shù))與貫入深度H關(guān)系曲線見圖2。

圖2 超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)N120-H曲線

由圖2可知，所測(cè)樁體動(dòng)探擊數(shù)大都介于1～6，密實(shí)度為松散-稍密[18]。樁體頂部3 m范圍內(nèi)，動(dòng)探擊數(shù)一般為2～3，處于松散狀態(tài)。

試驗(yàn)1區(qū)平均動(dòng)探擊數(shù)為4.53，密實(shí)度為稍密;試驗(yàn)2區(qū)和3區(qū)平均動(dòng)探擊數(shù)為5.65，密實(shí)度為稍密-中密。這說明成樁過程中，加筋濾網(wǎng)的側(cè)向約束作用提高了樁體的密實(shí)度。

2.4 平板載荷試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用平板載荷試驗(yàn)方法，對(duì)1-3、2-1、3-3試驗(yàn)樁進(jìn)行單樁平板載荷試驗(yàn)，得到荷載P-沉降s曲線及單樁抗壓承載力特征值。試驗(yàn)加載方式采用慢速維持荷載法，荷載讀數(shù)采用壓力傳感器測(cè)讀，設(shè)置4只位移傳感器測(cè)量加筋濾網(wǎng)碎石樁的沉降量。單樁平板載荷試驗(yàn)P-s曲線如圖3所示。

圖3 單樁平板載荷試驗(yàn)P-s曲線

滿夯加固前的荷載與沉降關(guān)系曲線(P-s曲線)見圖3(a)，試驗(yàn)成果匯總見表4。

碎石樁體形成后，上部約3 m范圍內(nèi)處于松散狀態(tài)，靜載試驗(yàn)受其影響無法準(zhǔn)確表現(xiàn)出樁體的豎向承載力，因此，對(duì)試驗(yàn)區(qū)碎石樁(1-3、2-1、3-3)頂部進(jìn)行滿夯加固，加固單擊能級(jí)為3 000 kN·m，擊數(shù)6擊。對(duì)滿夯加固后的樁體進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，荷載P與沉降s關(guān)系曲線見圖3(b)。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3(a)可以看出，試驗(yàn)區(qū)P-s曲線均沒有明顯的比例界限，為緩變型。由表4可以看出，試驗(yàn)2區(qū)樁體承載力特征值比1區(qū)大341 kPa，提高到2.4倍,說明荷載作用下，加筋濾網(wǎng)提供的側(cè)向約束發(fā)揮作用，提高了樁體抗壓承載能力。

當(dāng)P>300 kPa時(shí)，相同荷載下，試驗(yàn)3區(qū)沉降量大于試驗(yàn)2區(qū)，且隨著荷載P的增大，沉降差顯著增大。當(dāng)加筋濾網(wǎng)碎石樁直徑由1 000 mm增大至1 200 mm時(shí)，樁體承載力特征值反而減小了226 kPa，說明加筋濾網(wǎng)對(duì)碎石樁的側(cè)向約束作用存在尺寸效應(yīng)。這導(dǎo)致加筋濾網(wǎng)對(duì)碎石樁承載力的貢獻(xiàn)存在尺寸效應(yīng)，當(dāng)樁體直徑d較大時(shí)(d≥1 200 mm)，加筋濾網(wǎng)開始裹不住碎石，加筋濾網(wǎng)對(duì)承載力的提高作用減小，碎石樁體發(fā)揮主要作用。

根據(jù)規(guī)范[19-20]，當(dāng)P-s曲線呈緩變型時(shí)，復(fù)合地基增強(qiáng)體單樁的豎向抗壓極限承載力可取樁頂總沉降量40 mm所對(duì)應(yīng)的荷載值，因此，由樁頂至3d深度范圍內(nèi)碎石經(jīng)3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯加固后，試驗(yàn)3區(qū)單樁豎向抗壓極限承載力為2 955 kPa，單樁豎向承載力特征值取極限值的一半，則單樁豎向抗壓承載力特征值為1 477.5 kPa，約為強(qiáng)夯加固前的4.1倍。這說明加筋濾網(wǎng)碎石樁(2～3)d深度范圍內(nèi)樁體密實(shí)度對(duì)單樁豎向承載力有顯著影響，密實(shí)度越高，單樁豎向承載力越大。

3 加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石樁承載性能影響分析

3.1 有限元模型建立

為分析加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石樁單樁受力變形特性的影響，選取試驗(yàn)2區(qū)、3區(qū)的典型土層信息，建立加筋濾網(wǎng)碎石樁單樁有限元模型(見圖4(a))。模型中土體采用Mohr模型，樁體采用彈性模型，模型底部設(shè)置水平和豎向位移約束，兩側(cè)設(shè)置水平位移約束，用土工格柵單元模擬加筋濾網(wǎng)，加筋濾網(wǎng)參數(shù)見表2，有限元網(wǎng)格劃分見圖4(b)。

圖4 加筋濾網(wǎng)碎石樁單元體模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 計(jì)算與實(shí)測(cè)P-s曲線對(duì)比

為對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，在模型頂部分級(jí)施加荷載，并記錄每級(jí)荷載下樁頂位移，作出P-s曲線，與現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的實(shí)測(cè)P-s曲線對(duì)比(見圖5)。

圖5 計(jì)算和實(shí)測(cè)的P-s曲線對(duì)比

由圖5可知，計(jì)算得到的樁頂P-s曲線與滿夯加固前單樁載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)值較吻合，說明建立的數(shù)值模型能較好地模擬加筋濾網(wǎng)碎石樁的力學(xué)響應(yīng)。

3.2.2 加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石單樁沉降的影響

加筋碎石樁樁體側(cè)脹變形集中發(fā)生在樁頂至樁身一定深度處[21]。為研究加筋濾網(wǎng)的包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石樁單樁沉降及側(cè)向變形的影響，選擇加筋濾網(wǎng)的包裹長(zhǎng)度分別為2d,4d,6d,8d及全長(zhǎng)包裹進(jìn)行計(jì)算，得到不同包裹長(zhǎng)度下碎石樁單樁P-s曲線(見圖6)及不同包裹長(zhǎng)度對(duì)沉降影響的變化曲線(見圖7)。

圖6 不同包裹長(zhǎng)度下碎石樁單樁P-s曲線

由圖6可以看出，當(dāng)荷載在0～100 kPa范圍時(shí)，不同包裹長(zhǎng)度下碎石樁單樁的P-s曲線變化規(guī)律一致，說明荷載較小時(shí)(P<100 kPa)，加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石樁單樁沉降幾乎沒有影響。在加載荷載至240 kPa時(shí)，當(dāng)包裹長(zhǎng)度由2d增大到8d，樁身沉降量由200 mm減小至172 mm，減小了14%，說明當(dāng)荷載加載至一定程度時(shí)(P>100 kPa)，荷載越大，加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)樁身沉降的控制效果越好。

由圖7可以看出，圖中3條曲線在包裹長(zhǎng)度6d時(shí)存在拐點(diǎn)，當(dāng)包裹長(zhǎng)度>6d時(shí)，隨包裹長(zhǎng)度的增加，單樁沉降變化較小，加筋濾網(wǎng)對(duì)單樁的控制效果明顯減弱。

3.2.3 加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石單樁徑向變形的影響

通過記錄不同包裹長(zhǎng)度、不同深度處樁體的徑向變形，得到包裹長(zhǎng)度對(duì)樁體徑向變形的影響曲線(見圖8)。

圖8 包裹長(zhǎng)度對(duì)樁體徑向變形的影響曲線

由圖8可以看出，曲線均在深度2 m處存在拐點(diǎn)，即在2倍樁徑深度處，樁體徑向變形最大。當(dāng)深度<2d時(shí)，樁體徑向變形基本相同，與包裹長(zhǎng)度無關(guān)，說明當(dāng)P≥200 kPa時(shí)，自樁頂至2d深度處碎石樁已發(fā)生側(cè)脹變形，該深度范圍加筋濾網(wǎng)已充分發(fā)揮側(cè)向約束作用。

當(dāng)荷載P由200 kPa增加到250 kPa時(shí)，在(2～6)d深度范圍內(nèi)樁體側(cè)脹變形增幅較大，在>6d深度范圍側(cè)脹變形沿深度變化較小，且不同包裹長(zhǎng)度的樁體在>6d深度范圍內(nèi)變化趨勢(shì)一致，說明隨著荷載的增大，在6d深度范圍內(nèi)基本沒有衍生新的側(cè)脹變形，可認(rèn)為側(cè)脹變形的深度<6d，故當(dāng)P=200～250 kPa時(shí)，對(duì)于HP470型加筋濾網(wǎng)，在滿足承載力和變形的要求下，可選擇包裹長(zhǎng)度為6d作為最小包裹長(zhǎng)度。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)深厚海相淤泥質(zhì)土地基采用預(yù)成孔加筋濾網(wǎng)碎石樁處理方法，經(jīng)超重型動(dòng)力觸探、平板載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)，單樁豎向承載力、樁體密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求，單樁豎向承載力特征值約是普通碎石樁的2.4倍。

(2)加筋濾網(wǎng)對(duì)碎石樁的側(cè)向約束作用、承載力貢獻(xiàn)均存在尺寸效應(yīng)。當(dāng)樁體直徑較大時(shí)(d≥1 200 mm)，加筋濾網(wǎng)對(duì)樁身碎石的側(cè)向約束作用減弱，對(duì)承載力的提高作用減小，碎石樁體發(fā)揮主要作用。

(3)加筋濾網(wǎng)碎石樁在(2～3)d深度范圍內(nèi)樁身碎石密實(shí)度對(duì)單樁豎向承載力有顯著影響，對(duì)由樁頂至3d深度范圍內(nèi)的碎石經(jīng)3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯加固，單樁豎向承載力特征值較夯前提高約4.1倍。

(4)加筋濾網(wǎng)包裹長(zhǎng)度對(duì)碎石單樁的沉降、徑向變形的影響與豎向荷載大小有關(guān)。當(dāng)豎向荷載P=200～250 kPa時(shí)，對(duì)于HP470型加筋濾網(wǎng)，在滿足承載力和變形的要求下，可選擇包裹長(zhǎng)度為6d作為最小包裹長(zhǎng)度。