褥墊層厚度對勁芯攪拌樁復(fù)合地基承載特性影響與優(yōu)化

李 丹 朱俊華 劉溪雨 簡 迪 吳卓爾

(武漢科技大學(xué)城市建筑學(xué)院1) 武漢 430065) (武漢科技大學(xué)文法與經(jīng)濟學(xué)院2) 武漢 430065)

0 引 言

水泥土攪拌樁在豎向荷載作用下荷載傳遞規(guī)律符合雙層擴散模式[1]，但是忽略了芯樁與水泥土樁作為一個整體可能是同時承受上部荷載的情況然后同時向樁底下層土體及樁土傳遞.本次室內(nèi)試驗研究芯樁與水泥土樁對上部荷載分擔(dān)情況，并通過水泥土勁芯攪拌樁為載體深度探討復(fù)合體材料的協(xié)同變形問題.

大量試驗勁芯攪拌樁的工程經(jīng)濟成本遠低于鋼筋混凝土樁，其承載力還高于鋼筋混凝土樁1.4～1.6倍[2]，同時實測勁芯攪拌樁的側(cè)摩阻力是鉆孔灌注樁的1.3～1.5倍.因而在實際工程中勁芯攪拌以其經(jīng)濟樁、工藝和加固作用等優(yōu)勢越來越被研究者重視,并不斷嘗試在實踐中推廣[3].

褥墊層在復(fù)合地基中的協(xié)調(diào)作用是不可忽略的，目前國內(nèi)學(xué)者將褥墊層看作為復(fù)合地基的核心[4].褥墊層在以下幾個方面扮演著重要的角色：①使樁和樁周土同時承擔(dān)上部荷載;②通過鋪設(shè)合理的褥墊層厚度調(diào)整樁土應(yīng)力比;③調(diào)節(jié)樁土水平應(yīng)力比.因而探討褥墊層在哪種厚度下樁的承載力能夠得到充分的發(fā)揮對實際工程具有指導(dǎo)意義.

綜上所述，勁芯攪拌樁不論是在經(jīng)濟上還是在承載力方面遠遠高過同體積的鋼筋混凝土樁，文中研究復(fù)合地基各組成部分之間荷載傳遞規(guī)律，設(shè)計優(yōu)化尋找出復(fù)合地基每個組成部分的最佳參數(shù)[5].

1 試驗設(shè)備與材料

模型箱的尺寸為585 mm×625 mm×1 100 mm，側(cè)壁為10 mm的鋼板.鋼板用M8螺釘固定在旁邊的角鋼，角鋼通過M8螺釘固定在底盤.100 kN的液壓千斤頂，管徑32，40，50，63和75 mm的UPVC管.試驗用土采用雜填土及紅色軟黏土，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 原狀土基本參數(shù)

2 試驗設(shè)計與方案

2.1 水泥土勁芯攪拌樁的預(yù)制

2.1.1混凝土芯樁的預(yù)制

采用混凝土預(yù)制樁，設(shè)計芯樁強度等級為C25，由于在對比模擬試驗中采用混凝土芯樁強度過高，這里用水泥砂漿芯樁代替混凝土芯樁.預(yù)制芯樁所需的材料的配合比通過了大量的配合比試驗所確定下來，預(yù)制的芯樁的尺寸也就是UPVC管的尺寸，在UPVC管內(nèi)灌漿時要用配對的管帽封底，用振動臺振搗完成，3 d后可以脫模，接著放到溫度為20 ℃，濕度為98%的養(yǎng)護箱里面養(yǎng)護28 d.

2.1.2水泥土樁的預(yù)制

芯樁養(yǎng)護完成后，制備含水率為50%的紅黏土，摻加質(zhì)量分數(shù)33%的水泥攪拌完成后灌入75 mm×600 mm的UPVC管中，在勻速緩慢把養(yǎng)護完成的芯樁壓入UPVC管內(nèi)，在芯樁完全壓入進去并且與水泥土樁管面平齊時即灌注完成.同理接著就是拆模養(yǎng)護過程，其養(yǎng)護條件與芯樁一樣.為了讓水泥土樁與芯樁更好的接觸，在預(yù)壓芯樁前要用鋼絲球把芯樁表面打磨粗糙出現(xiàn)粗糙紋理即可，同時也可在芯樁預(yù)壓過程中在芯樁表面抹一層高稠度的水泥漿[6-8]，保證芯樁與水泥土更好的接觸.試驗所用樁的尺寸見表2.

濟南市歷城區(qū)人大常委會將人大代表建議辦理工作作為今年工作的重要抓手，作為依法履行職責(zé)、回應(yīng)群眾期盼的一項重要內(nèi)容，集中力量辦好事。截至9月底，區(qū)十八屆人大二次會議期間代表所提78件建議和閉會期間代表所提5件建議均按時辦結(jié)并答復(fù)代表，一份沉甸甸的“民生答卷”讓人民群眾切實感受到了幸福。

表2 試驗用樁尺寸表格

2.2 試驗加載設(shè)備和儀器設(shè)備

圖1為實驗的加載裝置，百分表放置位置和各界面上壓力盒埋設(shè)示意圖.復(fù)合地基群樁采用的是正方形布樁，樁間凈距為200 mm.在第一層300 mm填土表面上標(biāo)出群樁的位置并埋設(shè)壓力盒，當(dāng)樁底壓力盒全部埋設(shè)完成后，在分層填土壓實至樁頂位置并在樁頂以及樁周土表面埋設(shè)壓力盒.最后在整個復(fù)合地基上面鋪設(shè)一層20，40和60 mm厚度的褥墊層(中砂)前后進行三次實驗，整平后在放置一塊500 mm×500 mm×10 mm的加載鋼板，預(yù)壓靜置2 h.靜置完成后對復(fù)合地基進行分級加載試驗，每級荷載對應(yīng)的是千斤頂油壓表顯示的0.6和0.4 MPa循環(huán)增加，記錄每級荷載作用下壓力盒和應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變情況.

圖1 加載裝置及壓力盒埋設(shè)情況(單位：mm)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 勁芯攪拌樁復(fù)合地基的沉降量

地基靜壓放置2 d后，在試驗箱上面拼裝加載橫梁與千斤頂完成后才可對復(fù)合地基進行分級荷載加載試驗,每級荷載分別以千斤頂油壓表顯示的0.6，0.4 MPa為循環(huán)荷載加載，記錄每級荷載作用下的壓力盒、應(yīng)變儀的數(shù)據(jù).當(dāng)褥墊層厚度為20 mm的一整組試驗完成后，在鋪設(shè)褥墊層厚度為40 mm繼續(xù)重復(fù)上述試驗步驟，褥墊層厚度為60 mm的整組試驗也是如此，直至所有試驗加載完成.

圖2為不同含芯率和芯長比的復(fù)合地基沉降量對比曲線圖.

圖2 不同含芯率和芯長比的復(fù)合地基沉降量對比曲線圖

由圖2a)可知:不同含芯率的復(fù)合地基的沉降變化趨勢大體是一致的.但是勁芯攪拌樁復(fù)合地基在含芯率為28.4%所表現(xiàn)出的沉降量是最小的，含芯率在28.4%以下沉降量隨含芯率增加而減少，在28.4%以上隨著含芯率增加而增加.在分級荷載加載初期各復(fù)合地基含芯率勁芯攪拌樁的沉降量的差距不大，隨著上部荷載的逐漸增加樁的沉降量差距逐漸顯現(xiàn)出來.由圖2b)可知，芯長比也是影響復(fù)合地基承載特性的因素之一.芯長比為0.67的水泥土勁芯攪拌樁復(fù)合地基所表現(xiàn)出來的沉降量都是最小的.在芯長比0.67以下的范圍內(nèi)，沉降量隨著芯長比增加而減小，在芯長比0.67以上隨著芯長比增加而增加.通過前面含芯率與芯長比試驗中可以得出本次試驗復(fù)合地基的最佳含芯率與芯長比分別為28.4%和0.67.上述含芯率與芯長比試驗表明:隨著上部荷載的逐漸增加含芯率與芯長比對復(fù)合地基承載特性的影響越來越大.

以最佳含芯率28.4%和最佳芯長比0.67為例來加以分析，見圖3.

圖3 不同厚度褥墊層作用下含芯率28%與芯長比0.67沉降量對比圖

由圖3可知：隨著褥墊層厚度的增大復(fù)合地基的沉降量也隨之增大，這并不能說明褥墊層在20 mm的時候是最佳厚度，即有可能褥墊層的厚度越大自身的壓縮變形越大，但是對比含芯率28.4%在厚度20與60 mm分級荷載油表刻度3與10 MPa的沉降量差值分別為1.08與3.38 mm，隨著上部荷載的增加褥墊層的厚度對復(fù)合地基的沉降量的影響越來越大.

3.2 勁芯攪拌樁與樁間土應(yīng)力變化

圖4為樁與土應(yīng)力變化曲線.由圖4可知：隨著上部荷載的不斷增加，樁頂、芯樁頂、外樁頂、樁底的應(yīng)力也在同步增加，樁間土的增加值相對較小而樁應(yīng)力增加較快，因為勁芯攪拌樁相對于地基土體而言樁的剛度與壓縮模量比土體大，在上部荷載作用下樁頂這一截面勁芯攪拌樁所受的應(yīng)力比樁周土體所受到的應(yīng)力大的多.觀察到在第五級荷載前后曲線斜率不同出現(xiàn)拐點，荷載增加的趨勢變緩，這是因為在1～5級荷載受載范圍內(nèi)復(fù)合地基是以褥墊層的壓縮為主，在后續(xù)荷載范圍作用下復(fù)合地基是地基土體壓縮為主.而從第6級荷載作用以后，褥墊層被壓密開始進入塑性階段，樁周土體開始發(fā)揮功能，樁周土體被擠壓承擔(dān)上部荷載的能力開始增強，為勁芯攪拌樁承擔(dān)一部分上部荷載，因此從第6級荷載開始樁周土所受的荷載增加速度變快，勁芯攪拌樁的樁頂與樁底的應(yīng)力變化速度變緩.

圖4 樁與土應(yīng)力變化曲線圖

3.3 芯樁與水泥土樁荷載分擔(dān)

圖5為不同含芯率勁芯攪拌樁荷載分擔(dān)比對比曲圖.

圖5 不同含芯率勁芯攪拌樁荷載分擔(dān)比對比曲圖

3.4 褥墊層厚度對勁芯攪拌樁復(fù)合地基承載特性影響

3.4.1褥墊層厚度對樁頂應(yīng)力影響

圖6為不同厚度褥墊層作用下樁頂應(yīng)力變化曲線.由圖6可知：褥墊層的厚度對勁芯攪拌樁復(fù)合地基的承載特性具有顯著影響，特別是樁頂荷載，在褥墊層20 mm時候樁頂荷載比厚度60 mm的褥墊層在同一級荷載情況下大40 kPa左右，分析得出設(shè)置厚度不同的褥墊層對樁身應(yīng)力的影響很大.另一方面，在同級荷載作用下褥墊層厚度為20 mm的時候樁頂?shù)膽?yīng)力是最大的，褥墊層厚度為40 mm的次之，褥墊層厚度為60 mm的最小，試驗證明樁頂荷載隨著褥墊層厚度的增加先減小后增大，說明褥墊層存在一個最佳合理厚度.

圖6 不同厚度褥墊層作用下樁頂應(yīng)力變化曲線

3.4.2褥墊層厚度對樁土應(yīng)力比影響

圖7為不同厚度褥墊層的樁土應(yīng)力比.由圖7可知：在整個加載過程中褥墊層20 mm的樁土應(yīng)力比比60 mm的大，兩種厚度褥墊層的峰值相差160直至到達后續(xù)的穩(wěn)定階段，而壓力盒#212的樁土應(yīng)力比一直是在減少階段，這表示在隨著荷載的增加樁周土開始發(fā)揮其承載能力.

圖7 不同厚度作用下樁土應(yīng)力比值

通過不同褥墊層厚度的條件下復(fù)合地基勁芯攪拌樁的樁土應(yīng)力比，從而能夠了解褥墊層對復(fù)合地基承載特性的影響，得到適用于工程條件的褥墊層參數(shù).

3.5 復(fù)合體材料的協(xié)同變形

樁頂芯樁與水泥土外樁的變形量見表3.

表3 組合樁變形量

對于勁芯攪拌樁而言，由于在樁頂附近并沒有發(fā)生芯樁和水泥土樁脫離現(xiàn)象(如出現(xiàn)脫離應(yīng)變片將直接受力靜態(tài)電阻應(yīng)變儀將出現(xiàn)數(shù)據(jù)大幅度變化)，表明上部芯樁和水泥土樁相對位移較小.圖8為組合樁樁頂截面微變量變化圖.

圖8 組合樁樁頂截面微變量變化圖

由圖8可知:復(fù)合體材料在豎向荷載作用下，彈性模量較高的材料承擔(dān)更多的上部荷載，在上部荷載較小時兩復(fù)合體材料之間相對滑移程度較小，隨著上部荷載的逐漸增加，壓縮模量較小的材料組合體由于大壓縮量與強度高的材料組合體產(chǎn)生大的相對位移.這樣豎向一部分荷載可以通過相對位移產(chǎn)生的摩擦剪應(yīng)力傳遞給周邊的土體，并協(xié)調(diào)和分擔(dān)上部荷載.

4 結(jié) 論

1)在有褥墊層的復(fù)合地基勁芯攪拌樁的沉降量p-S曲線是緩變型.褥墊層由于自身的壓縮變形隨著褥墊層厚度的增加，復(fù)合地基的沉降量在逐漸增加.通過對比褥墊層厚度在20與60 mm在分級荷載作用下沉降量差值，可以得出隨著上部荷載的增加，褥墊層厚度對復(fù)合地基的沉降量影響越來越大.

2)通過對比含芯率試驗復(fù)合地基的沉降量，可得含芯率28.4%的復(fù)合地基產(chǎn)生的沉降最小，因而確定含芯率28.4%為最佳含芯率.通對對比芯長比試驗復(fù)合地基的沉降量，發(fā)現(xiàn)芯長比0.67的復(fù)合地基產(chǎn)生的沉降最小，因而確定本次試驗的最佳芯長比為0.67.

3)通過對比各勁芯攪拌樁在相同厚度褥墊層作用下芯樁頂與外樁頂?shù)暮奢d，發(fā)現(xiàn)由于含芯率的不同其荷載分擔(dān)比也不同，芯樁均承擔(dān)大部分上部荷載.

4)隨著上部荷載的增加，樁間土與樁頂荷載在逐漸增加，在褥墊層厚度為40 mm的時候樁頂荷載最小.當(dāng)褥墊層厚度超過40 mm的時候樁間土的應(yīng)力增加速率更加顯著.對于樁土應(yīng)力比在褥墊層20 mm時最大，在褥墊層厚度60 mm的時候最小，樁土應(yīng)力比都是先增加達到峰值后在逐漸減小逐漸趨近于穩(wěn)定.這說明合適厚度的褥墊層可以調(diào)節(jié)樁間土與樁的應(yīng)力分擔(dān)，防止應(yīng)力的過分集中.

5)復(fù)合材料在豎向受載體系下，隨著上部荷載的增加，彈性模量較小的水泥土樁的大壓縮變形致使芯樁與水泥土樁之間的相對位移逐漸增大，也使得芯樁承擔(dān)了更大的摩擦壓力，同時也是降低攪拌樁的受壓荷載的因素.