CFG 樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

熊 熙，夏端林，夏念恩，譚正清

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑學(xué)院，湖北 黃岡 541004）

為了模擬軟弱的淤泥土地基進(jìn)行CFG 樁加固后復(fù)合地基工作機(jī)理，模擬試驗(yàn)選取了軟土地基段現(xiàn)場的淤泥質(zhì)土。土料被運(yùn)送至試驗(yàn)室后，經(jīng)一系列程序處理，風(fēng)干、碾壓，過篩，除去2mm粗顆粒，最后成為模型試驗(yàn)用土。因?yàn)槟Ｐ蜆兜闹睆较鄬^小，為了使集料與樁徑的比例同工程實(shí)際保持基本一致，采用細(xì)砂、米砂、水泥和粉煤灰，分別模擬CFG 樁樁體材料，用2-5mm 粒徑米砂來代替碎石； 用過2mm 篩剔除粗顆普通建筑砂粒代替細(xì)集料的砂料；膠結(jié)材料采用325普通硅酸鹽水泥和1 級(jí)粉煤灰。模擬試驗(yàn)在某土工研究所試驗(yàn)大廳的模型槽內(nèi)進(jìn)行。

1 室內(nèi)模型方案

1.1 模型設(shè)計(jì)

為了分析CFG 樁在不同條件下工作性能方面差異，共同制作了3 組試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵姳?，整過實(shí)驗(yàn)中樁周圍土都有同樣條件下的樁，以保證被測試樁處于均勻的邊界條件中。

1.2 模型制備

模型制備主要步驟，將風(fēng)干碾碎后的土料加水，配置成含水量為25%-30%的濕土料，裝入涂料槽并完全密置，使其含水量均勻，留作備用。為模擬天然地基土底部的硬土層，在模型槽底部鋪墊200mm 一層土層，然后人工夯實(shí)。按不同模型試驗(yàn)要求在硬土層上豎立放置直徑55mm，長120mm 的不銹鋼管，作為貫穿軟土層的CFG 樁的成樁導(dǎo)管。導(dǎo)管豎立放置好后，開始模擬現(xiàn)場軟土層來分層填土，每層填土厚度100mm，填土?xí)r控制模型土體的密度，讓它們保持一致。當(dāng)填土厚度到達(dá)軟土厚度1/2 時(shí)，再豎立放置55mm，長60mm 的成樁導(dǎo)管，然后再均勻分層填土，一直填土達(dá)到設(shè)計(jì)高度。模型各土層的物理指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)見下表2。

在成樁導(dǎo)管埋設(shè)之前，在成樁身設(shè)置變形測量裝置和壓應(yīng)力傳感器。為了保證感應(yīng)面受力均勻，在埋設(shè)壓力傳感器時(shí)，應(yīng)在感應(yīng)面上鋪上一層細(xì)砂。填土作業(yè)完成后，然后通過導(dǎo)管向填土內(nèi)注入充足的水，使填土在水中充分浸泡，強(qiáng)度大大的降低，接近軟弱淤泥土強(qiáng)度，同時(shí)也保證成樁后樁體的強(qiáng)度增長的環(huán)境與工程現(xiàn)場情況較接近。依據(jù)上述參考工程實(shí)際情況，選用CFG 樁材料的配合比為1：2.9：5.4：0.86：0.26（水泥：砂：米砂：水：粉煤灰）。如果在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，完全模擬CFG 樁的施工過程的擠土作用是很難做到，為了試驗(yàn)?zāi)M更接近現(xiàn)場成樁過程中的擠土效應(yīng)，在成樁過程中分為數(shù)次向?qū)Ч軆?nèi)填樁體料，然后采用振搗密試—提升導(dǎo)管—振搗密試—提升導(dǎo)管的成樁的方法，直至填滿。提管后在振動(dòng)擠壓的作用下樁體產(chǎn)生橫向擴(kuò)張。試驗(yàn)完成后,取出樁體觀察，發(fā)現(xiàn)樁體直徑大小不一致，以導(dǎo)管上撥的次數(shù)形成類似串葫蘆狀，即每次提升導(dǎo)管后在管底形成明顯的擴(kuò)徑，觀察發(fā)現(xiàn)成樁最小直徑為50mm 左右，最大直徑可達(dá)70mm 左右，平均直徑為60mm。成樁的直徑比導(dǎo)管的外徑增大了5.0mm。從表2 可見，成裝前后的模型土體的密度和空隙比呈現(xiàn)出鮮明的變化，說明試驗(yàn)采用的成樁過程來模擬現(xiàn)場擠土是具有可行性的。

表1 3 組不同條件下樁復(fù)合地基模型

表2 模型土體性質(zhì)指標(biāo)

表3 不同模型復(fù)合地基極限承載力

在進(jìn)行填土載荷試驗(yàn)時(shí)，三種模型的成樁時(shí)間都為2 天[1]，這樣就保證所有模型在載荷試驗(yàn)樁體材料的成樁的齡期是一致的。

2 載荷試驗(yàn)

2.1 測量系統(tǒng)

進(jìn)行荷載試驗(yàn)之前，首先對試樁樁頭進(jìn)行系列處理，使樁頭保持平整，使試樁樁頭周圍的填土土面高度一致，再向填土平整面上均勻鋪上薄層細(xì)砂，使平整面成為壓力傳感器的感應(yīng)工作面。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的位置把壓力傳感器安裝好后，再按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)細(xì)砂墊層，將傳感器完全埋進(jìn)砂墊層之中。砂層總厚度為13-16mm，砂層厚度相當(dāng)于施工現(xiàn)場CFG 樁的墊層。用水平尺將砂墊層頂面緩緩刮平[2-3]，把載荷板對中安放且完全水平，接下來安置測力環(huán)、千斤頂，并保持荷載傳遞各組件的中心在同一鉛垂線上共同作用與反力梁。測量裝置安裝同一般載荷試驗(yàn)。

2.2 載荷試驗(yàn)方法

本載荷試驗(yàn)的加荷分12 級(jí)加載[4]。加載后在保持荷載不變的條件下，每間隔半小時(shí)讀取一次數(shù)據(jù)，收集樁體和樁間土各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力、載荷板和樁底的變形等相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)加荷滿足下條件其一，可試驗(yàn)終止，總變形量達(dá)到載荷板寬度10%以上時(shí)；變形速率無明顯趨于穩(wěn)定的趨勢或。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同模型承載力載荷試驗(yàn)曲線

圖1 為不同樁長模型載荷試驗(yàn)曲線及圖2 為不同置換率模型載荷試驗(yàn)曲線，從圖形變形關(guān)系曲線可見，曲線均有非常明顯的拐點(diǎn)，從而可以容易的確定復(fù)合地基極限承載力。

圖1 不同樁長模型載荷試驗(yàn)曲線

圖2 不同置換率模型載荷試驗(yàn)曲線

3.2 不同模型復(fù)合地基極限承載力

通過對CFG 樁復(fù)合地基模型載荷試驗(yàn)，得知：不同模型的極限承載力及其他物理參數(shù)見表3。

結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以看出：

（1）CFG 樁復(fù)合地基承載力主要取決于CFG樁面積置換率。同樣是單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，面積置換率為0.101 的c 模型與面積置換率為0.031 的b 模型相比，前者極限承載力是后者的2.23 倍。

（2）在同樣的置換率條件下，a 模型CFG 樁未貫穿軟土層60cm 的短樁與b 模型CFG 樁貫穿整個(gè)軟土層的長樁的復(fù)合地基相比，貫穿軟土層長樁承載力比未貫穿軟土層承載力大1.92 倍，但兩者差別的幅度比相同樁長不同置換率（b 模型與c 模型）的承載力差別小得多。這可能是因?yàn)闃兜拿娣e置換率很小的情況，在整個(gè)復(fù)合地基的承載力中，樁所承擔(dān)的荷載比例也比較小，很難起到?jīng)Q定性的作用。

3.3 不同模型樁體應(yīng)力隨總荷載分布及其變化

圖3 為b 模型5 倍間距樁體應(yīng)力的變化和圖4 為c 模型3 倍間距樁體應(yīng)力的變化，從圖形變形關(guān)系曲線可見，載荷試驗(yàn)過程中樁體內(nèi)不同測點(diǎn)的應(yīng)力隨荷載的變化曲線。

圖3 b 模型5 倍間距樁體應(yīng)力的變化

圖4 C 模型3 倍間距樁體應(yīng)力的變化

從圖中可以看出：在樁體不同位置的測點(diǎn)中樁頂應(yīng)力是最大的，隨著位置遠(yuǎn)離樁頂，其應(yīng)力也隨著變小，直至最小應(yīng)力的樁底部。隨著荷載的增加，樁體內(nèi)各部分的應(yīng)力也隨之增加，但在沿樁身方向的應(yīng)力變化規(guī)律是一致的，這說明CFG 樁樁身的摩擦作用是很顯著的。

4 結(jié)論

通過對CFG 樁復(fù)合地基的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）CFG 樁的面積置換率直接決定著CFG樁復(fù)合地基承載力。在置換率相同的情況下，樁的長度以及是否貫穿軟土層，對于復(fù)合地基的承載力和變形的影響至關(guān)重要。提高復(fù)合地基承載力，減小樁間距增大置換率比提高樁長效果要好很多。

（2）在上部荷載不變作用下，CFG 樁樁身應(yīng)力分布為倒梯形，樁體上部應(yīng)力大，下部應(yīng)力小，且同時(shí)隨著上部荷載增大樁身應(yīng)力也成正比例增大。

（3）由于室內(nèi)模型試驗(yàn)的模型比尺較小，應(yīng)力應(yīng)變均會(huì)受到模型比尺的影響，因此，CFG 樁的工作機(jī)理與特性應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與驗(yàn)證。