CFG樁復合地基新型嵌入式褥墊層樁-土應力比改善特性

鄭光俊,盛春花,李振華,江洎洧

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司, 武漢 430010; 2.中國水利水電科學研究院, 北京 100038;3.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室, 武漢 430010)

0 引 言

水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)通過變廢為寶,提高了地基處理工程的綜合效益,與新時期國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與“雙碳”戰(zhàn)略高度契合,近年來得到了廣泛的發(fā)展和推廣應用。從受力和變形上看,CFG樁與中低強度素混凝土樁無區(qū)別,與褥墊層和被加固土層協(xié)同受力形成復合地基[1]。因其加固效果顯著,備受工程界青睞,已在高層建筑、市政、高鐵等土木工程領域地基處理中得到廣泛應用[2]。

原位試驗最能直觀反映CFG樁復合地基系統(tǒng)受力效果。化建新等[3]較早地針對CFG樁褥墊層結構本身開展了載荷試驗,提出了褥墊層的厚度及材質優(yōu)化建議;包華等[4]通過載荷試驗測得CFG樁復合地基樁-土應力比>50時,可視為剛性樁復合地基,這種受力條件下褥墊層結構安全性是必須考慮的問題,對此楊光華等[5]認為過大的樁-土應力比是剛性樁復合地基應用擴大化遇到的一個新問題;閆明禮等[6]也基于原位試驗分析了CFG 樁承載特性和褥墊層對樁-土應力比的影響,提出了一種復合地基承載力估算公式;姚云龍等[7]則將樁帽與墊層一同考慮,提出了調節(jié)樁-土應力比的設計思想; 張旭群等[8]還提出了將剛性樁和亞剛性樁組合布置的設計思路,用于優(yōu)化褥墊層結構及復合地基受力模式;徐妍彥等[9]也將CFG樁復合地基成功運用于碼頭堆場軟基處理。

細觀分析和理論推導是揭示CFG樁復合地基承載機制的有效途徑。陳明等[10]根據(jù)剛性樁復合地基樁身的受力特性,從其變形模式出發(fā),利用Bjerrum公式,推導了考慮樁-土-墊層相互作用機制;Zhao等[11]按褥墊層-樁-土的協(xié)同受力模式,推導了剛性樁復合地基中樁-土相對位移的函數(shù)表達式;陶景暉等[12]在前人有關墊層厚度對樁-土應力比影響規(guī)律基礎上,提出并推導了考慮墊層厚度和剛性樁間距因素的極限樁-土應力比計算方法;肖耀廷等[13]以褥墊層為研究主體,考慮其在與樁土相互作用下的變形,認為最終的臨界樁-土應力比與上部填土荷載無關;王惠昌等[14]通過對大量資料的分析認為,剛性樁復合地基變形與褥墊層的壓縮量密切相關,認為可用樁頂褥墊層計算復合地基最大沉降。

數(shù)值模擬在細觀機制研究方面具有更好的呈現(xiàn)效果。張建偉等[15]采用有限方法模擬不同褥墊層材料、厚度及變形模量對樁-土應力比的影響規(guī)律,對某水利工程CFG樁復合地基做了優(yōu)化研究;芮瑞[16]通過對復合地基受荷下細觀力鏈分布的分析,提出了按相對厚度控制墊層參數(shù)選取的建議,并對墊層的復雜變形協(xié)調機制做了分析;靳炎[17]則通過多因素正交計算方案,更深入地研究了剛性樁復合地基的樁身軸力、樁側摩阻力、復合地基土體應力場承載特性和褥墊層位移、樁土位移等變形特性。

綜上可知,CFG樁復合地基作為一種典型剛性樁復合地基,褥墊層在復合地基受荷過程中起到重要的協(xié)調作用,而一旦樁-土應力比過大則會對褥墊層安全運行構成威脅,這也是學者們一直以來關注的熱點之一。對褥墊層結構進行適當優(yōu)化,有助于提高樁間土在復合地基承載能力中的作用,促進樁-土協(xié)同受力、降低樁土應力比。鄭剛等[18]結合現(xiàn)場試驗提出樁頂下設置一定厚度的褥墊層,這有助于改善樁土荷載分擔比和減小樁頂刺入量,其本質在于提高了表層樁間土的工程特性,避免受虛土層的影響,而使剛性樁-褥墊層將樁間土“架空”,引發(fā)過高的樁-土應力比。

基于以上分析,本文以具體水利工程中的端承式CFG樁復合地基為案例開展研究,提出了一種嵌入式褥墊層復合結構,相比于直接在樁頭截斷平面簡單找平后,平鋪形成的褥墊層,采用壓實碎石對表層樁間擾動土層進行換填,有助于提高樁間土持力性能,改善褥墊層-剛性樁-樁間土的受力關系,詳細分析了褥墊層-CFG樁-樁間土的變形受力機制。

1 工程研究背景

重慶銅車壩水利樞紐位于潼南區(qū)復興河,地形整體呈丘陵,河谷呈“U”型,高約10 m,河谷寬高比約8.2。壩基下伏地層工程地質特性描述如下:

(1)覆蓋層為沖洪積粉質黏土(Q4al+pl),褐灰色,軟—可塑狀,中—高壓縮性,厚1.4～7.7 m,主要分布于左右岸臨近河床位置,局部偶見淤泥質、腐殖質。

(2)基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)紫紅色泥巖:強風化巖體風化裂隙發(fā)育,巖石力學強度較低;弱風化巖體錘擊聲較脆,巖體表面及裂隙面變色。

借水壩是樞紐重要組成部分,為混凝土重力壩,壩頂長99.0 m,壩頂寬6.0 m。壩基和閘基下伏覆蓋層為工程地質特性不良的粉質黏土層軟弱層,需對地基進行處理,使其滿足承載力和變形要求(圖1)。

圖1 CFG樁復合地基及上部結構斷面

考慮到該軟土層最大厚度約11.4 m,且附近熱電廠有粉煤灰固體廢棄物可加以利用,擬采用CFG樁復合地基,樁徑0.6 m,樁間距1.4 m,按格柵形布置,樁端進入軟弱基巖0.3 m。褥墊層結構按初步方案為在樁頂鋪設30 cm厚的10%水泥土層,但可能存在樁間土被褥墊層和CFG樁架空而無法較好地參與復合地基協(xié)同受力的問題。

本文提出對截樁面下約50 cm厚劇烈影響區(qū)土層采用壓實碎石換填,再鋪設水泥土墊層的方案,形成新型嵌入式褥墊層,優(yōu)化復合地基受荷后的樁土應力比。

2 不同褥墊層結構現(xiàn)場載荷試驗

2.1 試驗方案

CFG樁試驗區(qū)共兩片,每個區(qū)內CFG樁數(shù)為4×4=16根,樁徑為60 cm,樁間距1.4 m,按正方形布置(圖2)。坑槽開挖完畢后截樁整平,兩片試驗區(qū)分別按常規(guī)平鋪式褥墊層和新型嵌入式褥墊層鋪設。圖3為嵌入式褥墊層結構及壓力監(jiān)測布置。

圖2 CFG樁復合地基現(xiàn)場試驗區(qū)

圖3 嵌入式褥墊層結構圖及土壓力盒平面布置

載荷試驗采用智能弦式壓力盒監(jiān)測土壓力,儀器靈敏度為0.001 MPa。樁頂壓力盒量程2.0 MPa,樁間土壓力盒量程0.5 MPa,壓力盒標定無誤后方可使用。

按圖4埋設壓力盒,埋設流程要點如下:

圖4 埋設完畢的壓力盒狀態(tài)

(1) 樁頂壓力盒埋設。在樁頂壓力測點處鑿出一凹槽,用砂壓實墊平,土壓力盒承壓膜面朝上,埋設后膜板要求與樁頂面齊平,不能凸出或凹進。

(2) 樁間土壓力盒埋設。對常規(guī)褥墊層,在擬埋設處鋪設一層10～15 cm的中粗砂層夯實找平;對嵌入式褥墊層,對壓實碎石表面做適當整理,用中粗砂充分填充碎石孔隙并夯實找平,避免壓力盒傾斜或側翻。

在壓力盒上鋪設薄層中粗砂密實包裹后,鋪設表層30 cm厚度的摻10%水泥土褥墊層施工。

2.2 試驗成果分析

對表層水泥土墊層養(yǎng)護72 h后,開展現(xiàn)場載荷試驗,測得兩種褥墊層條件下復合地基p-s曲線如圖5(a)所示;同時,對樁頂和樁間土各3個壓力盒數(shù)據(jù)整理并取平均值計算,繪制樁土應力比-荷載曲線如圖5(b)所示。

簡要分析圖5可得:

(1)采用嵌入式褥墊層和常規(guī)褥墊層時,復合地基p-s曲線線性段最大載荷分別為1 100、1 000 kPa,采用嵌入式褥墊層時,碎石嵌入體起到了更好的荷載傳遞和過渡作用,其與下部天然地基共同作用的綜合剛度更大,持力效果優(yōu)于常規(guī)褥墊層;對于常規(guī)褥墊層,在加載初期200～300 kPa存在輕微頓挫,線性段過后變形增量顯著高于嵌入式褥墊層,且從卸載曲線來看,常規(guī)褥墊層回彈量低于嵌入式褥墊層,整體承載能力和變形協(xié)調性不及嵌入式褥墊層。

(2)結合現(xiàn)場試驗情況和樁間土工程特性,常規(guī)褥墊層條件下加載初期出現(xiàn)輕微頓挫為樁頂初次刺入褥墊層的應力變形調整,即水泥土平鋪墊層、CFG樁與樁間土三者協(xié)調性較差導致,未經換填的樁間土被水泥土墊層和CFG樁“架空”,施加一定荷載后CFG樁樁頂通過向墊層刺入達到初期平衡,因總體載荷量較小,調整后復合地基荷載曲線重新進入線性段。

(3)線性區(qū)間段,常規(guī)褥墊層樁土應力比自5.2增至22.9,而嵌入式褥墊層由5.0增至13.2,嵌入式褥墊層樁土應力比峰值較常規(guī)式降低約40%,變幅由17.7降至7.2;另,從線性段過后樁頂沉降量來看,常規(guī)褥墊層樁土應力比出現(xiàn)陡降,其物理意義為樁頂向褥墊層突擊式刺入,伴隨較為劇烈應力變形調整,而嵌入式褥墊層條件下,樁土應力比峰后下降幅度較小,驗證嵌入式褥墊層復合地基總體穩(wěn)定性更優(yōu)的判斷。

(4)初期2種褥墊層樁土應力較接近主要原因為表層水泥土墊層自身起到了較好的承載作用,該階段變形量較小,不論是碎石嵌入體(實測壓實度約0.91)還是樁間軟土,其與CFG樁模量均存在一定差距。

3 褥墊層-CFG樁-土相互作用機制

復合地基場地中,不同部位CFG樁受力狀態(tài)不盡相同。為更好探討復合地基協(xié)同作用機制,擬選取3×3=9根樁為一個完整計算單元進行CFG群樁復合地基數(shù)值模擬,分析CFG樁-常規(guī)式/嵌入式褥墊層-樁間土的相互作用規(guī)律,并對中部樁、邊樁和角樁等不同部位樁的結構受力進行分析。

3.1 數(shù)值計算參數(shù)

CFG群樁復合地基載荷數(shù)值試驗應力路徑相對簡單,為單向加載問題,難點在于嵌入式/常規(guī)式褥墊層結構-CFG群樁-樁間土-底部基巖的變形傳遞與應力重分布規(guī)律,巖土體介質本身應力變形相對簡單,采用摩爾-庫倫模型進行模擬;CFG樁按彈性模型模擬。主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土單元體物理力學參數(shù)

詳細說明如下:

(1)復合地基位于地勢較低的河谷,巖土體長期處于飽和狀態(tài),參照飽和條件測試的各參數(shù)取值。

(2)樁間土為沖洪積粉質黏土,現(xiàn)場鉆孔取樣后按固結快剪測試抗剪強度;強風化巖層基于現(xiàn)場大剪試驗取值;水泥土墊層參數(shù)基于室內試塊測試結果;碎石嵌入體(實測壓實度0.91)由室內大三軸試驗獲取。

(3)樁間土、水泥土墊層和碎石嵌入體為壓縮模量,強風化泥巖為變形模量,泊松比按經驗值選取。

(4)CFG樁參數(shù)基于28 d鉆孔取芯測取,其飽和重度為22.0 kN/m3,壓縮模量平均值為12.5 GPa。

(5)CFG樁體為水灰比較低的干性素混凝土,樁體表面粗糙度較高;CFG樁-樁間土界面剪切特性也通過室內直剪試驗進行了測試,飽和狀態(tài)下粉質黏土與模擬實際CFG樁體表面粗糙程度的試塊間未呈現(xiàn)剪切面,總體強度受粉質黏土控制,因此將界面摩擦系數(shù)按樁間土摩擦角,即φ=9.0°進行取值。

此外,計算中對巖土體壓縮/變形模量的取值,以表1相應參數(shù)為基準,結合圖5(a)的p-s曲線首先開展對比驗證,而后進行詳細機理分析計算工作。

3.2 數(shù)值計算方案

采用FLAC3D有限差分程序進行計算,圖6(a)為計算模型,共包含12 480個單元、15 344個節(jié)點。

圖6 數(shù)值計算模型

模型尺寸與現(xiàn)場試驗對應的地質情況一致,即按樁徑60 cm、樁間距1.4 m布置9根長度6 m的CFG樁(圖6(b)),包括了中樁、邊樁和角樁,可更全面反映復合地基受力特征。

考慮樁與周邊單元設接觸單元隔離;頂部剛性加載板與水泥土間也設置接觸單元(圖6(c)),接觸面強度按水泥土抗剪強度參數(shù)取值。

數(shù)值計算流程:

(1)計算約束條件。圖6(a)數(shù)值模型在計算求解前約束模型底部節(jié)點豎向位移和側邊水平位移。

(2)初始地應力平衡。完成CFG樁植入和墊層鋪設,平衡后將位移清零,得到豎向加載前初始應力場。

(3)分級加載參數(shù)調試。參照圖5(a)的2種褥墊層結構的p-s曲線進行調試,參考上海地區(qū)工程勘查經驗,經對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的反饋分析,樁間土、水泥土墊層、碎石嵌入體及泥巖彈性模量取表1對應模量的3.5倍時,現(xiàn)場試驗與數(shù)值試驗p-s曲線吻合較好。

(4)接觸面剛度參數(shù)校正。經試算,接觸面法向和切向剛度取3 GPa時,計算收斂速度較快,且較好地避免了接觸面兩側單元刺入對計算結果的干擾。

(5)樁-土應力比和應力變形監(jiān)測。對樁體應力和樁間土應力獲取,得到加載過程中樁-土應力比的演化特性;同時得到復合地基系統(tǒng)的應力變形場。

3.3 復合地基協(xié)同受力機制分析

分別開展嵌入式和常規(guī)式2種褥墊層CFG樁復合地基承載力數(shù)值試驗。圖7(a)為全過程樁-土應力比n演化曲線;圖7(b)為全過程樁頂刺入水泥土褥墊層變形量曲線。

圖7 現(xiàn)場試驗與數(shù)值試驗樁土應力比-荷載曲線對比和CFG樁刺入水泥土墊層位移曲線

(1)常規(guī)褥墊層樁土應力比峰值擬合較為準確,嵌入式褥墊層全過程樁土應力比演化趨勢具有較高的擬合度。細節(jié)方面的差異主要原因是天然地層工程地質特性具有一定隨機性,但兩種褥墊層的受荷特征差異性得到了較充分的反映。

(2)CFG樁頂刺入水泥土墊層位移在400 kPa荷載范圍內實測與計算值基本重合,與加載初期兩者樁土應力比趨勢一致,主要原因是前期水泥土褥墊層作為“硬殼層”起到了較好協(xié)調作用;荷載進一步增大后,2種褥墊層變形機制出現(xiàn)分化,嵌入式褥墊層對CFG樁頂刺入水泥土墊層變形量控制更優(yōu),直至1 500 kPa荷載仍無顯著變形拐點,地基承載穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯。

以加載至最終1 500 kPa荷載為例,對CFG樁復合地基整體結構應力變形分布規(guī)律做詳細分析。圖8(a)為中間斷面褥墊層-CFG樁變形等值線;圖8(b)為9樁覆蓋范圍水泥土墊層變形形態(tài)(均放大50倍)。

圖8 中部斷面樁-褥墊層變形等值線和CFG樁上部水泥土變形形態(tài)(荷載=1 500 kPa)

分析如下:

(1)嵌入式褥墊層樁-褥墊層相互作用更均勻,變形等值線梯度較緩,褥墊層與碎石嵌入體構成了一個相對整體協(xié)調的承載“帽子”;而常規(guī)式褥墊層由于水泥土直接與樁間土接觸,沒有碎石嵌入體作為過渡單元,樁間土分荷比較低,等值線變化梯度大,變形局部化特征明顯,這是導致常規(guī)褥墊層樁土應力比過大的直接原因。

(2)圖8(b)直觀展示了9樁覆蓋范圍水泥土變形形態(tài),常規(guī)式褥墊層中,CFG樁體投影部位局部上凸顯著,水泥土層邊緣卷邊和翹曲現(xiàn)象明顯,在復合地基大面積受荷情況下,位于上部結構荷載突變處附近或邊緣角點處的水泥土層將存在開裂、隆起等諸多問題;而從嵌入式褥墊層整體變形形態(tài)來看,其協(xié)調性和均勻性顯著優(yōu)于常規(guī)式褥墊層,特別是邊緣角點翹曲問題顯著改善。

3.4 不同部位CFG樁變形分析

CFG樁在復合地基中大面積布設,從所處部位看,包括中樁(四周均有其他CFG樁)、邊樁(一側無CFG樁)和角樁(角點部位的CFG樁)3種。據(jù)3.3節(jié)的分析,嵌入式褥墊層在控制樁土受荷應力比和整體均勻變形方面具有優(yōu)勢。本節(jié)主要對2種褥墊層條件下3種部位CFG樁的變形模式進行分析。

圖9繪制了3種部位CFG樁水平變形沿樁身的變化曲線。

圖9 不同部位CFG樁樁身水平變形曲線

由圖9可以看出:

(1)中樁由于四周均勻分布有8根CFG樁,豎向荷載作用下的水平變形分量很小,2種褥墊層條件下中樁內外側水平變形絕對量在0.4 mm內,樁身相對水平變形最大值<0.3 mm。

(2)2種褥墊層條件下邊樁的CFG樁水平變形量值與模式均存較大差異。嵌入式褥墊層CFG邊樁最大水平位移約0.8 mm,且沿樁身變形相對均勻,3 m以下至底部變形較小,上部3 m呈均勻的輕微撓曲;常規(guī)式褥墊層CFG邊樁有明顯反彎點,位于約3 m深度處,最大水平變形約3.5 mm,對應的CFG樁最大拉應力超1.29 MPa,受力狀態(tài)不良。

(3)角樁三邊與天然地基相鄰,受力狀況最為不利。嵌入式和常規(guī)式褥墊層條件下CFG樁最大水平變形分別為4.47、7.33 mm,且變形模式差異較大。與邊樁類似,嵌入式褥墊層CFG樁整體變形相對均勻。但由于周邊約束較小,CFG樁中下部約束減弱,3 m以下樁基最大水平變形>0.5 mm,上部3 m水平變形增加較為均勻,區(qū)間增量<4 mm,底部約束性減弱反而有利于樁身彎矩和拉應力釋放;對于常規(guī)式褥墊層,3 m深度附近的反彎點仍然存在,且反彎更加劇烈,上部3 m的區(qū)間水平位移增量>7 mm,CFG樁最大拉應力>2.14 MPa,存在折斷風險。

(4)嵌入式褥墊層復合地基變形協(xié)調性好,且嵌入體對頂部CFG樁的水平變位具有一定約束效應,有效控制了中部樁體的反彎,其受力模式由常規(guī)褥墊層下的接近“懸臂式”變?yōu)榻咏昂喼健?。由此可?嵌入式褥墊層的優(yōu)勢除提高了變形協(xié)調性和褥墊層均勻變形性之外,還對CFG樁本身的變形受力狀態(tài)有優(yōu)化效果,特別是對邊樁、角樁變形受力狀態(tài)有較大改善。

4 結 論

基于CFG剛性樁復合地基褥墊層存在潛在破壞風險較大的問題,本研究提出一種嵌入式褥墊層結構,通過現(xiàn)場載荷試驗和9樁復合地基數(shù)值試驗,對比了嵌入式褥墊層和常規(guī)式褥墊層的受荷模式與機制差異,得到以下主要結論:

(1)嵌入式褥墊層測得現(xiàn)場加載全過程樁土應力比區(qū)間為5.0～13.2,而常規(guī)式褥墊層為5.2～22.9,嵌入式褥墊層樁土應力比峰值較常規(guī)式降低約40%,且變幅由17.7顯著降至7.2;嵌入式褥墊層復合地基p-s曲線線性段終點較常規(guī)式褥墊層提高 10%;地基加速沉降階段,常規(guī)褥墊層樁土應力比有陡降過程,表明樁頂向褥墊層存在突擊式刺入,而嵌入式褥墊層樁土應力比峰后下降幅度較小,采用嵌入式褥墊層復合地基結構穩(wěn)定性和協(xié)同受荷特性更優(yōu)。

(2)開展了包含9根CFG樁的復合地基載荷數(shù)值試驗,嵌入式褥墊層復合地基受荷更加均勻,而常規(guī)式褥墊層樁間土分荷比較低,變形局部化特征明顯。嵌入式褥墊層整體變形協(xié)調性顯著優(yōu)于常規(guī)式褥墊層,常規(guī)式褥墊層在樁體投影部位存在顯著局部上凸,且邊緣存在不均勻卷邊和翹曲,不利于較大受荷下褥墊層結構的安全。

(3)嵌入式褥墊層結構還可有效改善CFG樁復合地基中邊樁和角樁的變形受力特性,這與嵌入體對頂部樁體水平變位約束的增強有關,有利于復合地基的整體安全承載。

綜上,碎石嵌入體在常規(guī)水泥土褥墊層和樁間天然土層之間起到了良好的過渡作用,在復合地基協(xié)同受力、褥墊層整體安全性、CFG樁運行期受力變形安全性方面優(yōu)勢明顯。加之碎石嵌入體換填施工難度較小,流程簡單,有利于在實際工程中的推廣應用。