施工工藝對勁性復(fù)合樁的影響

張凡希， 祁 慧， 陳洪程， 王振華

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 揚州 225127)

勁性復(fù)合樁作為一種新型樁型，近年來已經(jīng)有不少學(xué)者對其承載力、復(fù)合地基彈性模量、抗彎剛度等參數(shù)進行研究。陳邱云[1]通過對某臨江水泵閘下樁基靜載試驗與計算，得出勁性復(fù)合樁相比剛性樁與半剛性樁對地基承載力有明顯提升的結(jié)論；張繼文[2]對水泥加固后的復(fù)合地基的工程特性進行系統(tǒng)研究?，F(xiàn)場開展粉噴水泥土樁單樁及復(fù)合地基承載力試驗，對粉噴水泥土樁復(fù)合地基承載特性、樁土應(yīng)力比及單樁承載特性進行分析和研究；張儀萍等[3]采用復(fù)合地基單元模型，推導(dǎo)復(fù)合地基在彈性變形階段彈性模量和泊松比的計算公式，結(jié)果表明等效泊松比隨復(fù)合地基置換率變化相對明顯，復(fù)合單元體等效變形模量變化不大；錢于軍等[4]以某工程項目為背景，進行大量試樁試驗，將預(yù)制管樁與水泥土-預(yù)制管樁復(fù)合樁進行承載力對比，并量測復(fù)合樁中樁身軸力，試驗結(jié)果表明水泥土-預(yù)制管樁復(fù)合樁承載力相對于一般管樁有較大提高，復(fù)合樁對施工技術(shù)的要求相比于預(yù)制樁大大降低，同時工程造價大大降低，增加經(jīng)濟效益。以往研究都以內(nèi)芯勁性樁為主，對外芯水泥土攪拌樁尤其是其施工工藝研究較少。

1 勁性復(fù)合樁成樁作用原理

勁性復(fù)合樁由混凝土樁和水泥土攪拌樁共同組成，其中水泥土攪拌樁主要依靠攪拌水泥與周邊土體并添加輔劑制成，混凝土樁主要起擠壓作用。

水泥與土一系列反應(yīng)主要分為3個部分，水泥與水反應(yīng)、土體中氧化物與水泥水解物反應(yīng)、碳酸化作用[5]。

1.1 水泥與水反應(yīng)

普通硅酸鹽水泥主要成分為CaO(氧化鈣)、SiO2(二氧化硅)、Al2O3(氧化鋁)、Fe2O3(氧化鐵)及SO3(三氧化硫)等化合物，這些氧化物分別與水發(fā)生反應(yīng)生成一系列產(chǎn)物。當利用水泥加固土體時，水泥中主要物質(zhì)如CaO、SiO2等會與土體中的水繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成各種水解物。生成的水解物中一部分溶解于水，使得水泥中剩余成分能夠繼續(xù)與水發(fā)生反應(yīng)，如此往復(fù)使得水泥溶液達到飽和。此時新生成的化合物則以膠體析出。下列化學(xué)反應(yīng)式(1)～(4)為水泥與水反應(yīng)方程式，除反應(yīng)式(2)反應(yīng)較慢外，其余反應(yīng)均較快。

6CaO·2SiO2+7H2O→3CaO·SiO2·4H2O+3Ca(OH)2

(1)

4CaO·2SiO2+5H2O→3CaO·SiO2·4H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·Al2O3+3CaO·3SO3·6H2O→6CaO·Al2O3·3SO3·32H2O

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

(4)

1.2 土體與水泥水解物反應(yīng)

土體中SiO2與水反應(yīng)生成的膠體微粒，通過與Ca2+進行吸附交換，形成大的土粒，提高土體強度。水泥水化生成的化合物通過自身極強的分子間引力，結(jié)合土體并填充孔隙，加強水泥土強度。在水泥處于堿性環(huán)境中時，水泥中的SiO2、Al2O3經(jīng)過一系列反應(yīng)，形成結(jié)晶化合物，也提高水泥與土構(gòu)成的復(fù)合地基強度。

1.3 碳酸化作用

化學(xué)反應(yīng)式(1)與式(2)中生成的Ca(OH)2(氫氧化鈣)與參與反應(yīng)的土體和水泥漿液中的CO2(二氧化碳)反應(yīng)生成CaCO3(碳酸鈣)薄殼，起到與混凝土中粗骨料相似的作用。

水泥通過攪拌機械的攪拌與土體進行充分接觸，使上述1個化學(xué)反應(yīng)式(1)～(4)能夠盡可能地充分進行，同時攪拌機械通過攪拌水泥與土體使兩種之間的反應(yīng)充分進行，增加土體強度，從而使得攪拌樁能夠成型并具有足夠的強度。

混凝土樁在凝結(jié)、硬化的過程中，樁身尺寸會進一步增加。勁性復(fù)合樁中混凝土樁作為內(nèi)芯剛性樁，體積的增加迫使外芯水泥土柔性樁的樁徑也進一步增大。水泥土攪拌樁樁徑的增大使得水泥被更加充分的擠入樁周圍土體中，水泥與土的一系列反應(yīng)進行的更加充分，同時更多的土體孔隙中被擠入水泥，進一步增強樁周側(cè)摩阻力，最終提升勁性復(fù)合樁的豎向承載力。

2 勁性復(fù)合樁試驗研究

2.1 樁基試驗的準備工作

樁基試驗選擇位于蘇南某水利樞紐中的立交地涵北部西側(cè)翼墻部分，總共布置25個勘探點，其中11個取土試樣孔，孔深25～40 m，3個標準貫入孔，孔深35～40 m，11個雙橋靜力觸探孔，孔深30～35 m。根據(jù)勘探結(jié)果總共可分為19層，每層土具體性質(zhì)如表1所示。

表1 土層綜合成果

樁周土層主要為33、42、52、53等土層。樁基試驗分為兩組，一組外芯為濕法工藝施工的水泥土攪拌樁，一組外芯為干法工藝施工的水泥土攪拌樁，每組各3根。勁性復(fù)合樁剖面圖及斷面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 樁基剖面示意圖

圖2 A-A截面示意圖

2.2 完整性檢測及結(jié)果分析

樁基完整性檢測結(jié)果見表2。從表中結(jié)果可知，樁身段波速基本穩(wěn)定在3 400 ～3 500 m/s左右，相差不大。說明這6根樁都是樁身結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計及施工要求的樁，為Ⅰ類樁。其中2-100、2-104、2-108這一組為濕噴工法制成樁，2-125、2-126、2-127這一組為干噴工法制成的樁，且前一組波速總體分布明顯比后一組更快。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[6]中相關(guān)規(guī)定，在其他條件相同情況下，檢測波速越大，速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差越小。同時結(jié)合水泥土攪拌樁成樁原理，表明在樁周土體含水率較低的情況下濕噴工法制成的樁完整性要優(yōu)于干噴工法制成的樁。

表2 勁性復(fù)合樁樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測結(jié)果

2.3 靜載試驗及結(jié)果分析

承載力檢測目的是為研究提供依據(jù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進行檢測。在樁頂施加荷載后，分別在5 min時、15 min時、30 min時、45 min時、60 min時記錄樁頂沉降值，此后每隔0.5 h進行一次沉降值的記錄。每一級荷載加載時在每1 h內(nèi)的樁頂沉降值不得超過0.1 mm，同時連續(xù)兩次沉降值差值不超過0.1 mm后方可進行下一級加載，在分級荷載施加后第30 min內(nèi)開始，并在之后90 min內(nèi)每30 min記錄一次樁頂沉降并確認是否滿足要求，確認沉降滿足要求后開始下一級加載。卸載時，每級荷載維持60 min，和加載時一樣，在相對應(yīng)的時間節(jié)點記錄樁頂沉降值。待樁頂荷載減小至0后，記錄此時樁頂沉降值，整個卸載時間不小于3 h。

加載荷載時分級進行，一般分為10級，每級加載相同。豎向荷載最大加載值為826 kN，總共分為9級，第一級為165 kN。減小樁頂荷載時應(yīng)分級進行，每級減少荷載量為每級增加荷載量的兩倍，即165 kN一級。加載和卸載時盡可能均勻、連續(xù)、無沖擊地使上部靜載傳遞到樁頂，同時每級加載或卸載的誤差不得超過±10%。

荷載值通過壓力傳感器測量傳輸給樁頂部儀器自動記錄；工程樁(試樁)沉降則通過對稱正向布置于樁頂?shù)膬x器測量，傳輸給儀器自動記錄，所有測量樁頂沉降的儀器均固定于樁頂部基準梁上。

加載試驗一般是在試驗滿足以下條件之一時終止：

(1)所加最大荷載已達到設(shè)計荷載同時該級荷載作用下樁頂沉降穩(wěn)定；

(2)荷載—沉降曲線為緩變型時，樁頂荷載可增加至累計沉降值超過60 mm，若端阻力還未達到極限時樁頂荷載可增加至累計沉降值超過80 mm。

試驗主要目的為測試試樁完整性并檢測是否能夠滿足研究所需極限荷載，根據(jù)上述要求故僅加載至研究最大荷載，即826 kN。

2.4 試驗結(jié)果分析

試樁共有6根，根據(jù)外芯攪拌樁施工方法不同各分3根，其中2-125、2-126、2-127外芯為干噴樁，其余外芯為濕噴樁。根據(jù)試樁靜載試驗可繪制Q～S對比圖(圖3)。每根樁都施加到設(shè)計最大荷載，且荷載—沉降曲線趨勢一致。濕噴工法制成樁最終沉降為4～6 mm，干噴工法制成樁最終沉降為6～11 mm，結(jié)果總體顯示濕噴工法成樁最終沉降值小于干噴工法成樁最終沉降值。根據(jù)成樁原理、地質(zhì)資料與上述靜載試驗結(jié)果說明，勁性復(fù)合樁周圍大部分土體含水率小于35%時選用干噴會導(dǎo)致承載力的降低。原因為水泥水化反應(yīng)速率因周圍土體含水率較低減慢，從而降低水泥土攪拌樁的強度，導(dǎo)致樁基承載力的降低。

圖3 試驗樁基Q～S曲線對比圖

3 結(jié) 語

針對勁性復(fù)合樁具體施工工藝的選擇，采用現(xiàn)場完整性試驗及靜載試驗相結(jié)合的方法，分析實際工程中勁性復(fù)合樁施工工藝的選擇對勁性復(fù)合樁的影響，得出結(jié)論如下：

(1)對某水利樞紐地涵涵首翼墻段試樁進行完整性檢測，結(jié)果顯示勁性復(fù)合樁具有良好的完整性。

(2)對某水利樞紐地涵涵首翼墻段試樁進行靜載試驗檢測，結(jié)果顯示樁周土體天然含水率較低的情況下濕噴工法制成的勁性復(fù)合樁在完整性與承載力方面要優(yōu)于干噴工法制成的勁性復(fù)合樁，勁性復(fù)合樁可適用于天然含水率較低的地基中。