水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力參數(shù)取值探討

鐘偉滔

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510030）

0 引言

在市政、公路道路工程中，軟弱土路基十分常見(jiàn)，特別是在淤泥、淤泥質(zhì)土分布廣泛的廣東沿海地區(qū)，水泥攪拌樁這種能有效提高地基承載力、減少沉降，且施工簡(jiǎn)便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的處理方式,得到了廣泛應(yīng)用。

在水泥攪拌樁復(fù)合承載力計(jì)算過(guò)程中，盡管《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）[1]、廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（DBJ/T 15-38-2019）[2]、《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工細(xì)則》（JTG/T D31-02—2013）[3]等規(guī)范中給出了詳細(xì)的計(jì)算方法，但計(jì)算過(guò)程中參數(shù)眾多，且部分參數(shù)取值依賴于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或者以往工程經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料或當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)時(shí)，給計(jì)算帶來(lái)了不確定因素，各種誤差的累積可能導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。本文針對(duì)復(fù)合地基承載力計(jì)算過(guò)程中不確定因素產(chǎn)生的原因及解決辦法進(jìn)行探討。

1 復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果的差異

1.1 工程概況

廣州市某主干路建設(shè)項(xiàng)目位于廣州中心城區(qū)西北部，本工程為城市主干路，工程重要性等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)勘察報(bào)告，軟土主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，其承載力低，工程性質(zhì)較差。選取本工程其中一個(gè)施工段落，水泥攪拌樁樁長(zhǎng)6.8 m，樁徑0.5 m，樁間距1.3 m，采用正三角形布置，90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不小于1.5 MPa。根據(jù)鉆孔揭露，該工點(diǎn)從自然地面線起自上而下分別為2 m厚雜填土，3.8 m厚淤泥質(zhì)土，2.6 m厚中、粗砂，中、粗砂以下為中風(fēng)化基巖。

1.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算方法

根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]第8.2.2條，攪拌樁復(fù)合地基豎向承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁和多樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)綜合確定，并應(yīng)考慮壓板尺寸和時(shí)間效應(yīng)等因素影響，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí),可借鑒地質(zhì)情況類(lèi)似的成功工程試驗(yàn)結(jié)果，按下式預(yù)估：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk為樁間土天然地基承載力特征值，kPa；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁截面面積，m2；m為面積置換率，m=Ap/A，對(duì)于三角形布置，A=0.866 s2；β為樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值大于樁周土的承載力特征值的平均值時(shí)，淤泥和淤泥質(zhì)土可取0.1~0.4，差值大時(shí)取低值；當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值小于或等于樁周土的承載力特征值的平均值時(shí)，可取0.5~0.8，差值大時(shí)取高值。

攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定；初步設(shè)計(jì)時(shí)可借鑒地質(zhì)情況類(lèi)似的成功工程經(jīng)驗(yàn)并按下列公式預(yù)估，由水泥土強(qiáng)度確定的Ra宜大于由地基土抗力所提供的Ra：

式中：up為樁的周長(zhǎng)，m；n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；qpk為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；Li為第i層土層的厚度，m；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.6~0.8，承載力高時(shí)取低值；η為樁身水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)，無(wú)地方經(jīng)驗(yàn)時(shí)淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土按0.2~0.3取值，Ip等于17時(shí)取大值，等于22時(shí)取小值，中間值用插值法確定；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊，邊長(zhǎng)為70.7 mm的立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa。

1.3 復(fù)合地基承載力計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)勘察報(bào)告，該工點(diǎn)各巖土層的巖土參數(shù)建議值見(jiàn)表1。

表1 各土層巖土參數(shù)建議值 單位：kP a

按式（2）計(jì)算由地基土抗力所確定的Ra，α取0.6。計(jì)算可得：Ra=1.57×（10×2+7×3.8+22×1）+0.6×250×0.196=137.1 kN。

按式（3）計(jì)算由水泥土確定的Ra。根據(jù)地勘報(bào)告，淤泥質(zhì)土的塑性指數(shù)Ip平均值為16，η取0.3。計(jì)算可得：Ra=0.3×1500×0.196=88.2 kN。取兩者計(jì)算的小值，故預(yù)估計(jì)算的單樁豎向承載力特征值為Ra=88.2 kN。

根據(jù)式（1）計(jì)算復(fù)合地基承載力，β暫取值0.3，fsk取樁頂土層雜填土承載力特征值90 kPa：fspk=0.134×88.2/0.196+0.3×（1-0.134）×90=60.3+23.4=83.7 kPa,故可得預(yù)估的復(fù)合地基承載力特征值為83.7 kPa。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及偏差原因分析

該工點(diǎn)水泥攪拌樁試樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)及單樁復(fù)合地基平板載荷試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)及單樁復(fù)合地基平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

整體試驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)單樁豎向極限承載力不小于200 kN，復(fù)合地基極限承載力不小于352.8 kPa，即Ra不小于100 kN，fspk不小于176.4 kPa?？梢?jiàn)，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出來(lái)的Ra=88.2 kN和復(fù)合地基承載力fspk=83.7 kPa均比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果小不少。而且，樁頂雜填土天然地基承載力特征值fsk為90 kPa，但計(jì)算得到經(jīng)加固的復(fù)合地基承載力fspk僅有83.7 kPa，加固后承載力竟比加固前還低，這顯然也是不合常理的。引起偏差的原因是多方面的，從工程施工的角度分析，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件變化、施工攪拌質(zhì)量等因素都可能帶來(lái)影響。本文主要從理論計(jì)算角度分析，以下幾個(gè)參數(shù)是可能導(dǎo)致計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)出現(xiàn)偏差的主要原因。

1.4.1 單樁豎向承載力偏差原因分析

（1）樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)α取值的不確定。廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]對(duì)α的具體取值規(guī)定為“可取0.6~0.8，承載力高時(shí)取低值”。此處對(duì)于承載力高低的衡量缺少定量的依據(jù)，給α的具體取值帶來(lái)困難。

（2）90 d齡期的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度平均值fcu。由于設(shè)計(jì)前期缺少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，fcu取值僅能參考有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]，膠凝材料摻入比不應(yīng)小于12%，且宜為15%~20%。針對(duì)各齡期的淤泥水泥土試塊抗壓強(qiáng)度與膠凝材料摻入比的關(guān)系，廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]條文說(shuō)明8.1.3中已有詳盡闡述和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于淤泥來(lái)說(shuō)，18%的摻入比90 d齡期的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.47 MPa，故設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)暫定90 d齡期的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度平均值fcu為1.5 MPa。

1.4.2 復(fù)合地基承載力偏差原因分析

（1）樁間土承載力折減系數(shù)β取值的不確定。3個(gè)規(guī)范對(duì)于淤泥和淤泥質(zhì)土，β的取值范圍均為0.1~0.4?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》[1]中對(duì)β的具體取值規(guī)定為“固結(jié)程度好或設(shè)置褥墊層時(shí)β可取高值。確定β值時(shí)還應(yīng)考慮建筑物對(duì)沉降的要求以及樁端持力層土層性質(zhì)，當(dāng)樁端持力層強(qiáng)度高或建筑物對(duì)沉降要求嚴(yán)時(shí)，應(yīng)取低值”，而《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工細(xì)則》[3]、廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]中對(duì)β的具體取值規(guī)定為“當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值與樁周土的承載力特征值差值大時(shí)取低值”。3個(gè)規(guī)范中僅僅定性地對(duì)β取值進(jìn)行規(guī)定，具體樁端持力層土層強(qiáng)度多高、樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值與樁周土的承載力特征值差值多大時(shí)才取低值卻并未明確，β取值的不確定給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)了一定誤差。而且，β取值范圍0.1~0.4偏小，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于保守，可能給工程造成浪費(fèi)。

（2）分層土地基fsk的取值問(wèn)題。對(duì)于分層土地基，如具有軟弱下臥層的雙層土地基，規(guī)范對(duì)公式中的樁間土天然地基承載力特征值fsk是取上部硬土層還是取軟弱下臥層土體的天然地基承載力仍不明確。如果取硬土層的承載力則不安全，取軟土層的承載力則偏保守。

2 各參數(shù)取值問(wèn)題的研究

2.1 單樁豎向承載力相關(guān)參數(shù)

（1）樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)α取值研究。根據(jù)式（2）可知，由地基土抗力所確定的單樁豎向承載力特征值Ra分為兩部分：由樁側(cè)極限摩阻力upΣqsiLi和極限樁端阻力αqpkAp。在本工程中，當(dāng)α=0.6時(shí)，upΣqsiLi=107.7 kN，αqpkAp=29.4 kN，Ra=137.1 kN，極限樁端阻力占Ra的21.44%；當(dāng)α=0.8時(shí)，upΣqsiLi=107.7 kN，αqpkAp=39.2 kN，Ra=146.9 kN，極限樁端阻力占Ra的26.62%，兩者極限樁端阻力計(jì)算結(jié)果僅相差9.8 kN。因水泥攪拌樁在穿透硬質(zhì)地層時(shí)存在困難，在水泥攪拌樁適用的一般情況下，樁端土地基承載力qpk不會(huì)太大，而在qpk不大時(shí)，α取值對(duì)Ra實(shí)際影響較小。雖然規(guī)范中對(duì)于承載力高低的衡量缺少定量的依據(jù)，但考慮到該參數(shù)在多數(shù)情況下對(duì)整體計(jì)算結(jié)果影響較小，而且在《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工細(xì)則》[3]和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[1]中該值的建議取值范圍是0.4~0.6，在實(shí)際計(jì)算中可采用按α=0.6取值。

（2）90 d齡期的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度平均值fcu研究。廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]要求，由水泥土強(qiáng)度確定的Ra宜大于由地基土抗力所提供的Ra。在本工程中，水泥土強(qiáng)度確定的Ra=88.2 kN，遠(yuǎn)小于由地基土抗力所提供的Ra=137.1 kN?？梢?jiàn)，由于樁身早早地先于地基土破壞，地基土所能提供的抗力并不能完全發(fā)揮，從而限制了復(fù)合地基承載力。而在水泥土強(qiáng)度確定的Ra的計(jì)算中，fcu取值是參考廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》條文說(shuō)明8.1.3：對(duì)于淤泥來(lái)說(shuō)，18%的摻入比90 d齡期的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.47 MPa。繼續(xù)增大水泥摻入比，可以進(jìn)一步提高水泥土試塊抗壓強(qiáng)度，但勢(shì)必會(huì)增加施工成本，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和使用要求，合理確定水泥摻入比。在實(shí)際應(yīng)用中，水泥土的強(qiáng)度與土的性狀關(guān)系十分密切，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定Ra和fcu才是確保工程經(jīng)濟(jì)性和合理性最有效的方法。

2.2 復(fù)合地基承載力偏差原因

（1）樁間土承載力折減系數(shù)β取值研究

在設(shè)置合理厚度的褥墊層后，樁間土的承載能力將進(jìn)一步發(fā)揮出來(lái)。若繼續(xù)按規(guī)范要求的β取值0.1~0.4，則計(jì)算結(jié)果可能偏于保守，導(dǎo)致需要縮小樁間距或加大樁徑以使計(jì)算結(jié)果滿足要求，造成工程的浪費(fèi)。針對(duì)樁間土承載力折減系數(shù)β取值問(wèn)題，單鵬飛、郭永[4]進(jìn)行了研究，并得出結(jié)論，在復(fù)合地基承載力計(jì)算時(shí)，可適當(dāng)減小單樁承載力發(fā)揮系數(shù)α取值，并增大樁間土承載力折減系數(shù)β取值至0.6~0.8，以保障承載力取值更加合理。

在本工程中，按工程試驗(yàn)結(jié)果單樁豎向承載力特征值100 kN，復(fù)合地基承載力特征值176.4 kPa反算樁間土承載力折減系數(shù)β，可以得到β=0.75。綜合考慮地質(zhì)情況、工程設(shè)計(jì)、載荷試驗(yàn)結(jié)果等因素，建議將規(guī)范要求的β取值從0.1~0.4提高至0.6~0.8，以使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，避免浪費(fèi)。

（2）分層土地基天然地基承載力fsk的取值研究

對(duì)于分層土地基，規(guī)范方法在其復(fù)合地基承載力和沉降計(jì)算方面的說(shuō)明與解釋尚不夠完善，沒(méi)有明確說(shuō)明按規(guī)范公式計(jì)算復(fù)合地基承載力時(shí)樁間土承載力特征值具體選取哪一層土的特征值。針對(duì)分層土地基fsk取值問(wèn)題，若直接取用地基第一層土的天然地基承載力作為fsk，顯然是不合理的，特別是當(dāng)?shù)谝粚油梁穸容^小時(shí)，計(jì)算結(jié)果明顯是不準(zhǔn)確的。fsk取值需要綜合考慮整個(gè)分層土體，可按以下兩種方法確定。

a.第一種方法

參考廣東省標(biāo)準(zhǔn)《巖溶地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（DBJ/T 15-136—2018）[5]，將這種分層土復(fù)合地基的樁間土承載力特征值fsk取為各土層的承載力特征值的深度加權(quán)平均。若fsk取較高的較硬的土層地基承載力，則計(jì)算的復(fù)合地基承載力偏高，不安全。若fsk取較軟的土層地基承載力，則計(jì)算的復(fù)合地基承載力往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。故建議取樁體長(zhǎng)度范圍內(nèi)樁間土各土層承載力特征值的加權(quán)平均值。不宜計(jì)入軟弱土對(duì)復(fù)合地基承載力的貢獻(xiàn)。

b.第二種方法

參考楊光華、劉清華等[6]對(duì)基于樁土變形協(xié)調(diào)的復(fù)核地基承載力計(jì)算方法的研究，對(duì)于水泥攪拌樁復(fù)合地基的情況，其承載力組成包括樁和樁間土的抗力兩部分，根據(jù)沉降變形協(xié)調(diào)可以確定樁土抗力的發(fā)揮程度。復(fù)合地基承載力既要保證強(qiáng)度安全系數(shù)足夠，也要控制沉降變形。為此，建立復(fù)合地基的荷載與沉降關(guān)系，由復(fù)合地基的p-s曲線，依照強(qiáng)度安全和變形控制的原則進(jìn)行復(fù)合地基承載力的取值考慮會(huì)更加全面。通過(guò)切線模量法計(jì)算這種分層土地基的沉降曲線，根據(jù)其沉降曲線按沉降控制及強(qiáng)度安全系數(shù)綜合確定其整體的承載力，這樣得到的承載力考慮了地基上部荷載影響范圍內(nèi)的所有土層的情況，可以解決fsk取值問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算過(guò)程中參數(shù)眾多，部分參數(shù)取值規(guī)范解釋不明確，在無(wú)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料或當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)時(shí)，給計(jì)算帶來(lái)了不確定因素，并可能導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。

（2）規(guī)范對(duì)于α取值尚有不明確的地方，在樁端土地基承載力qpk不大時(shí)，α取值對(duì)Ra實(shí)際影響較小，本文建議在實(shí)際計(jì)算中可采用按α=0.6取值。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，水泥土的強(qiáng)度與土的性狀關(guān)系十分密切，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定Ra和fcu才是確保工程經(jīng)濟(jì)性和合理性最有效的方法。

（4）規(guī)范對(duì)于β取值尚有不明確的地方，建議將規(guī)范要求的β取值從0.1~0.4提高至0.6~0.8，以使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，避免浪費(fèi)。

（5）對(duì)于分層土地基fsk的取值問(wèn)題，可用分層土深度加權(quán)平均的方法確定，也可按樁土變形協(xié)調(diào)的方法解決。