旋噴樁復(fù)合地基承載特性的試驗(yàn)研究

崔雙利，楊春普，史薇薇，王 斌，邢朝輝，劉瑞鉀

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110003；2.遼寧江河水利水電設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110003)

1 概述

旋噴注漿作為地基處理的一種技術(shù)，在國內(nèi)外的地基處理工程中得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)在工藝流程、注漿材料以及機(jī)具設(shè)備等方面都有了很快的發(fā)展。旋噴樁樁身的特性與所在地層巖性，噴射成樁水泥用量及噴射參數(shù)密切相關(guān)。就旋噴樁單樁而言，砂土固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)10 MPa，粉質(zhì)粘性土固結(jié)體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)3 MPa，(均使用PO42.5級普通硅酸鹽水泥)。對于連體群樁防滲，砂礫石層中整體滲透系數(shù)為i×10-5～i×10-6cm/s(i為1～10區(qū)間值)，破壞比降為860～980。在粘土層中其滲透系數(shù)達(dá)i×10-7cm/s，破壞比降為150～210[1]。因此高壓噴射注漿處理地基完全可以滿足各種建筑物對地基的沉降變形和穩(wěn)定要求[2]，以及防滲穩(wěn)定要求。多年實(shí)踐證明，此技術(shù)最適合建筑物軟弱地基的加固及透水地基的防滲處理[3-5]。但旋噴樁作為復(fù)合地基的特性研究及工程應(yīng)用較少，需要在試驗(yàn)和工程實(shí)踐中不斷完善。

旋噴樁加固軟土地基，樁體與被加固的土體所組成的地基稱作旋噴樁復(fù)合地基。這種由兩種不同性質(zhì)的材料所組成的復(fù)合體在荷載作用下，保持共同承擔(dān)荷載作用。為了深入了解這種復(fù)合地基的承載特性，我們以大量的工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，采用模型試驗(yàn)的方法，對旋噴樁單樁和其構(gòu)成的復(fù)合地基進(jìn)行了系統(tǒng)的載荷試驗(yàn)，以探求在豎直荷載作用下，復(fù)合地基的承載特性及其加固原理。

2 模型樁材試驗(yàn)

旋噴注漿法在地下形成的樁體，是由所灌注的水泥漿液與地層土相互摻混而組成。旋噴柱狀固結(jié)體有較高強(qiáng)度，外形凹凸不平，因此有較大的承載力[6]；形成的樁體不完整不均勻，在防滲和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，有著獨(dú)特的穩(wěn)定性[7]。因此，要了解旋噴樁復(fù)合地基特性，首先了解旋噴樁自身特性。本試驗(yàn)對不同水泥摻量的旋噴固結(jié)體做了以下3組試驗(yàn)：① 不同水泥摻量的單軸抗壓試驗(yàn)；② 不同水泥摻量的單軸彈性模量試驗(yàn)；③ 單一水泥摻量的高壓三軸試驗(yàn)。

在數(shù)據(jù)處理中，將應(yīng)力圓包絡(luò)圖簡化為公切線，計(jì)算公式為：

(1)

式中：

τ——剪切應(yīng)力；

C——內(nèi)聚力；

σ——有效應(yīng)力；

σ1——大主應(yīng)力；

σ3——小主應(yīng)力；

φ——內(nèi)摩擦角。

影響旋噴樁性能的有地層顆粒組成、工藝參數(shù)、注漿材料等各種因素，為簡化試驗(yàn)，選擇漿材為變參量，其他影響參量不變的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，以便于分析旋噴樁的基本性質(zhì)。試驗(yàn)中的旋噴樁從不同水泥摻量進(jìn)行高噴注漿試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)地層均為砂質(zhì)地層，顆粒組成見表1。高噴注漿水壓力為30 MPa，注漿管提升速度為12 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為8 rpm，采用水泥粘土漿材料，水泥標(biāo)號PO42.5級，旋噴注漿深度為7.5 m。齡期60 d后進(jìn)行表面開挖，樁徑為0.95～1.12 m。使用工程鉆機(jī)取樣。取樣點(diǎn)選取樁半徑1/2位置，代表樁體的平均性能。取樣深度為6 m，巖心管直徑108 mm，樣品編號后置入巖心箱內(nèi)(如圖1所示)。送入實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)過二次鉆取、切割、頂?shù)酌婺ㄆ郊梆B(yǎng)護(hù)等制作過程后，形成直徑40 mm、高80 mm標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)。旋噴試驗(yàn)中的漿液配合比及各組試驗(yàn)獲得的旋噴樁性能指標(biāo)見表2所示。

圖1 旋噴樁取樣巖心示意

表1 粗砂地層物理力學(xué)指標(biāo)及顆粒組成級配

表2 模型樁材的性能指標(biāo)

3 復(fù)合地基的模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為了使本試驗(yàn)純化，應(yīng)用了單因素試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行了以下幾組試驗(yàn)(其參數(shù)見表3)：① 不同尺寸承臺的天然模型地基載荷試驗(yàn)；② 不同樁長的單樁載荷試驗(yàn)；③ 不同承臺不同樁長的單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)；④ 群樁復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)。

表3 載荷試驗(yàn)參數(shù) mm

3.2 試驗(yàn)加載裝置

靜載荷試驗(yàn)分垂直和水平靜載荷試驗(yàn)兩種。垂直載荷試驗(yàn)時，需在固結(jié)體的頂部0.50 m范圍內(nèi)，澆筑0.2～0.3 m厚的鋼筋混凝土樁帽[9]。本試驗(yàn)為垂直載荷試驗(yàn)，主要為在模型地基中設(shè)置水泥土的旋噴樁模型，樁帽部分分別設(shè)置混凝土承臺和鋼板承臺，承臺是上部結(jié)構(gòu)與樁或群樁之間相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)部分[10]，通過承臺利用油壓千斤頂加載，量測承臺沉降量、承臺下地基的接地反壓及樁側(cè)應(yīng)變等。試驗(yàn)裝置高度為1.5 m，縱向長度為1.4 m。其中鐵制土槽直徑為1.0 m，高度為0.65 m。按要求上體(荷重傳感器)抗壓、抗剪強(qiáng)度均大于試件抗壓、抗剪強(qiáng)度(試驗(yàn)裝置原理見圖2)。

1—荷重傳感器；2—鋼制反力架；3—位移傳感器；4—千斤頂；5—承臺；6—模型地基；7—模型樁；8—鐵制土槽；9—土壓力盒；10—應(yīng)變片圖2 試驗(yàn)裝置原理示意(單位：mm)

3.3 加載及量測系統(tǒng)

試驗(yàn)中采用油壓千斤頂加載，每級加載量由沉降量控制。利用荷載傳感器和位移傳感器來讀取荷載及沉降值。承臺下接地反壓由埋設(shè)在承臺下地基表面的土壓力盒測量，樁軸力的測定是利用貼在樁身的3組共12枚應(yīng)變片，由靜態(tài)電阻應(yīng)變儀讀取應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)。

3.4 模型的選取

模型樁采用直徑為5 cm的圓柱形旋噴樁，長度分別為30 cm、40 cm及50 cm。試驗(yàn)中共選用了3種尺寸的各式承臺，即15 cm×15 cm×10 cm的混凝土承臺、20 cm×20 cm×1 cm的鋼板承臺及42 cm×42 cm×2 cm的鋼板承臺。

3.5 模型地基的特性

天然土的力學(xué)特性可受到種種因素的影響，這些因素通常促使應(yīng)力與應(yīng)變現(xiàn)象呈現(xiàn)明顯的非線性的、不可逆的以及隨時間變化的特征。同時，還促使土體顯示出各向異性及非均勻的材料性質(zhì)。因此，試圖考慮所有這些材料特性來解決土與基礎(chǔ)相互作用的問題無疑是一項(xiàng)繁重的工作。為了獲得土與基礎(chǔ)相互作用實(shí)際問題的有意義且可靠的資料，考慮土性態(tài)的許多特殊方面以使其理想化實(shí)屬必須[11]。據(jù)此本試驗(yàn)為簡化模型地基特性，選用單一土壤粘土作為模型地基土。粘土顆粒較細(xì)(多數(shù)粒徑小于2 μm)，含有高嶺土和蒙脫石等礦物質(zhì)[12]，是當(dāng)?shù)?沈陽地區(qū))普遍地基土壤。選用粘土土粒比重為2.45，液限為60%，塑限為21%，塑性指數(shù)為39。

分層夯實(shí)制成的模型地基基本特性為：容重為1.81 kg/cm3、變形模量為43、貫入阻力為0.65、液性指數(shù)為0.843、含水量為20.0%～35.5%。

粘性土地基中含水量的大小往往決定著試驗(yàn)的成敗，本試驗(yàn)中采用烘干法量測地基含水量，并通過挖孔量測模型地基的含水量與地基深度的關(guān)系(如圖3所示)。

圖3 含水量與模型地基深度的關(guān)系示意

4 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)共完成模型天然地基、單樁載荷、復(fù)合地基以及樁身應(yīng)力、應(yīng)變等20余組試驗(yàn)。本文僅選幾組有代表性的載荷試驗(yàn)曲線，以期說明問題。分別為不同尺寸模型天然地基載荷與沉降曲線(見圖4)；不同尺寸單樁復(fù)合地基載荷與沉降曲線(見圖5)；群樁復(fù)合地基載荷與沉降曲線(見圖6)；單樁(樁長L=30 cm)軸力(N)分布圖(見圖7)；單樁(樁長L=30 cm)摩阻力(f)分布圖(見圖8)。

圖4 TH1、TH2試驗(yàn)P～S曲線示意

圖5 FX2、FD2試驗(yàn)P～S曲線示意

圖6 群樁復(fù)合地基P～S曲線示意

圖7 FD1試驗(yàn)的軸力分布示意(曲線上的數(shù)字為對應(yīng)的試驗(yàn)荷載值)

圖8 FD1試驗(yàn)?zāi)ψ枇Ψ植?曲線上的數(shù)字為對應(yīng)的試驗(yàn)荷載值)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 載荷試驗(yàn)對比

本試驗(yàn)可以互相對比的試驗(yàn)有以下幾組。TH1、D1及FX1；TH1、D2及 FX2；TH2、D1及FD1；TH2、D2及FD2；TH3及QF。其中TH1、D1及FX1這組試驗(yàn)曲線對比見圖9。

圖9 3種試驗(yàn)的比較示意

從圖9可以看出，沉降量相同的情況下，復(fù)合地基的承能力遠(yuǎn)比單樁的承載力高。隨著沉降量的增加，天然地基(TH1)和單樁(D1)的承載力發(fā)生不增加或增加緩慢的現(xiàn)象，而復(fù)合地基(FX1)的承載力則隨著沉降量增加而不斷增大，直至產(chǎn)生破壞為止，在破壞之前甚至比單樁承載力及天然地基的承載力之和還要高，該現(xiàn)象體現(xiàn)了旋噴樁復(fù)合地基獨(dú)特的承載特性。同時，承臺的增大有利于地基參與承載，但增加樁長來提高承載力卻效果不明顯。

5.2試驗(yàn)荷載與承臺下地基反力

為定量分析承臺下地基承載問題，可從承臺下地基的反力PC探討。這里將PC定義為土壓力盒讀數(shù)乘以承臺下地基的面積。試驗(yàn)中所得P～PC曲線見圖10及圖11。

圖10 FX系列單樁復(fù)合地基P～PC關(guān)系曲線示意

圖11 群樁復(fù)合地基P～PC關(guān)系曲線示意

從P～PC圖中得出：承臺的大小、樁的長短、樁的數(shù)量對承臺下的地基參與承載都有影響，最為顯著的影響因素是樁體的數(shù)量，在同等樁數(shù)的情況下PC與P的關(guān)系可以概括為：在加載初期，承臺下地基發(fā)揮承載的效應(yīng)很少，即PC小，超過一定限度后，則PC/P值趨近一常數(shù)。

5.3 平均應(yīng)力與樁土的應(yīng)力分配

承臺下地基所承擔(dān)的總荷載PC，利用應(yīng)變片推斷出作用于樁頂?shù)暮奢dPp，試驗(yàn)時所施加的荷載P，它們之間的定量關(guān)系見圖12。

圖12 FD1試驗(yàn)的P、PC、PP～S關(guān)系曲線示意

由圖12可知，當(dāng)復(fù)合地基加載初期，荷載主要由樁體承擔(dān)，承臺下地基承載較少，隨著沉降值的加大，承臺下地基漸漸參與工作而分擔(dān)更多的荷載，直至樁、土所分擔(dān)的荷載達(dá)到一定的協(xié)調(diào)。

由于樁體與土體的變形模量不同，在分配荷載時，荷載必然會向樁體產(chǎn)生應(yīng)力集中，其集中系數(shù)即所謂樁土應(yīng)力分擔(dān)比：

n=σp/σc

(2)

式中：

σp——樁頂所受的平均應(yīng)力；

σc——承臺下地基的平均反力。

試驗(yàn)的應(yīng)力分擔(dān)比n與沉降S的關(guān)系曲線見圖13。

圖13 各試驗(yàn)的n～S關(guān)系曲線示意

圖13顯示出隨著沉降值S的增大，應(yīng)力分擔(dān)比n值逐漸減小，最后趨近某一定值。在曲線的初期各組試驗(yàn)的規(guī)律有所不同，可以理解為由于承臺的大小及試驗(yàn)誤差所造成。

對于n值隨沉降的增加而趨近某一定值可以這樣解釋：從n趨于定值的那點(diǎn)的沉降值起，地基、樁及復(fù)合地基都開始相繼進(jìn)入到塑性狀態(tài)，但它們并非同步，這點(diǎn)從圖11也可看出。樁率先進(jìn)入塑性狀態(tài)(極限狀態(tài))，然后是復(fù)合地基，再次是承臺下的天然地基。

5.4 樁身軸力及樁側(cè)摩阻力

從圖7及圖8可以看出，樁身軸力的分布比較均勻，隨荷載的增加其變化也比較均勻，各組試驗(yàn)的最大樁身應(yīng)力為2.1～2.3 MPa，本試驗(yàn)所采用模型樁的抗壓強(qiáng)度為4～4.7 MPa?？梢姡瑥?fù)合地基中基本上發(fā)揮了樁身的強(qiáng)度。

樁側(cè)摩阻力的分布變化比較復(fù)雜，在加載初期，上部樁身的摩阻力首先發(fā)展，荷載增大后，樁體下部的摩阻力增長很快，并且超過樁體上部的摩阻力。這主要是由于承臺的參與工作限制了一定范圍內(nèi)的樁土相對位移，因而其規(guī)律與單樁的一般情況相背，可見承臺對樁側(cè)摩阻力有“削弱作用”。

6 結(jié)語

1)經(jīng)以上試驗(yàn)及分析，完全可以肯定旋噴樁—土—承臺共同工作構(gòu)成復(fù)合地基的模式，得出復(fù)合地基承載力與承臺及樁長定性關(guān)系如下：即大承臺比小承臺更易發(fā)揮承臺下地基參與工作，增大樁長可以提高復(fù)合地基的承載力，但超過一定樁長后，其效果并不顯著。

2)工程實(shí)踐表明，旋噴樁復(fù)合地基由多個不相連的旋噴樁組成。旋噴時其主體為有一定直徑和體形的旋噴樁，還有一部分連在旋噴樁外面的支體，支體是土的裂隙造成，其數(shù)量、粗細(xì)(厚薄)和長短與土的裂隙狀況及噴射技術(shù)參數(shù)有關(guān)。也就是說，旋噴復(fù)合地基，不但有旋噴樁，在樁之間的土中還有若干支體固結(jié)體，它們在一定程度上改善了樁間土的物理力學(xué)性能，從而加大了復(fù)合地基承載力并減小了地基的沉降量[13]。

3)雖然旋噴樁復(fù)合地基強(qiáng)度明顯高于原來地基土的強(qiáng)度。但實(shí)際應(yīng)用中，旋噴樁作為復(fù)合地基應(yīng)用卻較少，因?yàn)閲鴥?nèi)其他旋噴樁復(fù)合地基試驗(yàn)表明，加固后的復(fù)合地基承載力存在著較大的差異，而造成這一差異的主要原因在于樁身加固體強(qiáng)度不均勻，離散程度較高，導(dǎo)致這種復(fù)合地基具有明顯的不均勻性[14]。此外在工程造價上，比國內(nèi)應(yīng)用的粉噴樁及振沖碎石樁要高，這方面旋噴樁復(fù)合地基不占優(yōu)勢，不利于大面積加固地基使用。