水泥攪拌樁復(fù)合地基承載特性及沉降變形因素研究

楊麗君,趙葉江

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司,貴陽(yáng) 550002)

0 引言

隨著我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,陸地交通建設(shè)也在同步推進(jìn)[1]。大量工程實(shí)例表明,不良地質(zhì)區(qū)域分布著大量性質(zhì)各異的軟土,這加大了地基處理難度,如果處理不當(dāng)極易發(fā)生重大交通安全事故,帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2]。水泥攪拌樁具有施工簡(jiǎn)便、效果顯著、工期短及對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軟土地基加固中,因此針對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載特性及沉降變形因素進(jìn)行研究非常必要。

國(guó)內(nèi)已有大量學(xué)者從水泥攪拌樁的施工工法、承載特性、加固機(jī)理等角度開(kāi)展研究。溫宇軒等[3]以實(shí)際工程為例,從水泥攪拌樁的成樁原理、適用范圍、施工工法等方面進(jìn)行研究,給出了水泥攪拌樁的具體配合比。蔡曉峰[4]總結(jié)了水泥攪拌樁工程中的常見(jiàn)問(wèn)題,給出了對(duì)應(yīng)的改進(jìn)方案。趙偉等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn),分別從水平、豎向兩個(gè)方向研究水泥攪拌樁施工過(guò)程中對(duì)臨近地層沉降變形的影響,結(jié)果表明,水泥攪拌樁的影響范圍大致為0～13 m,其中距離小于6 m時(shí)影響顯著。楊雪等[6]以實(shí)際工程為依托,基于ABAQUS有限元軟件研究了鐵路列車荷載對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降的影響。

本研究在已有研究基礎(chǔ)上,以某軟土路基工程為研究對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載試驗(yàn),對(duì)水泥攪拌樁的單樁承載特性進(jìn)行分析,基于數(shù)值仿真進(jìn)一步探討水泥攪拌樁樁長(zhǎng)、樁間距及褥墊層厚度等因素對(duì)復(fù)合地基沉降的影響。

1 水泥攪拌樁承載特性

1.1 工程概況

本項(xiàng)目道路寬度32 m,長(zhǎng)度792.258 m,道路等級(jí)為三級(jí)路兼具市政道路功能,設(shè)計(jì)速度為30 km/h。大部分路段地基處于軟土區(qū)域,因此需對(duì)區(qū)間地基進(jìn)行加固處理。

1.2 加固方案比選

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料,考慮到本區(qū)域存在深厚軟土分布,設(shè)計(jì)時(shí)主要提供了3種可選加固方案,分別為塑料排水板+堆載預(yù)壓加固、水泥攪拌樁加固及CFG樁加固。

2 水泥攪拌樁單樁豎向靜載試驗(yàn)

2.1 單樁承載力計(jì)算方法

在實(shí)際工程中,水泥攪拌樁的破壞模式主要分為兩種,即樁體自身發(fā)生破壞和樁間土體發(fā)生剪切破壞。研究樁體自身破壞時(shí),通常將其他因素忽略不計(jì),將荷載簡(jiǎn)化為豎向抗壓承載力,具體計(jì)算公式為：

Q1=ηAPfcu

(1)

式中,Q1表示水泥攪拌樁單樁極限抗壓承載力,單位,kN,η表示水泥攪拌樁抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù),根據(jù)規(guī)范建議取值區(qū)間為0.25～0.33。AP為水泥攪拌樁橫截面面積,單位,m2。fcu為水泥土豎向抗壓強(qiáng)度,單位,kPa。

水泥攪拌樁為摩擦型樁,在研究樁間土體的剪切破壞時(shí),當(dāng)樁間土提供的摩擦力無(wú)法承載外荷載時(shí)就會(huì)發(fā)生剪切破壞。剪切破壞計(jì)算時(shí),主要通過(guò)樁間土的側(cè)摩阻力進(jìn)行計(jì)算,將其他因素忽略不計(jì),具體計(jì)算公式為：

(2)

式中,Q2表示樁間土體側(cè)摩阻力的最大值,單位,kN。UP表示水泥攪拌樁的周長(zhǎng),單位,m。τsDi表示第i層土體的側(cè)摩阻力,單位,kPa。li為第i層土體的厚度,單位,m。a為樁端阻力發(fā)揮系數(shù),摩擦型樁的取值大致為0。QP為樁端土體抗壓強(qiáng)度,單位,kPa。

因此,水泥攪拌樁的單樁極限承載力Qmax取Q1和Q2中的最小值,即：

Qmax=min(Q1,Q2)

(3)

根據(jù)水泥攪拌樁的承載力理論,對(duì)水泥攪拌樁的承載力進(jìn)行計(jì)算,由于參數(shù)存在一定的不確定性,最終計(jì)算出來(lái)的承載力也為估算值。由公式(1)可得：

信息化是內(nèi)部控制的重要手段和落地方式，通過(guò)建立績(jī)效管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)算績(jī)效管理信息化覆蓋，加強(qiáng)采集預(yù)算績(jī)效信息的工作，定期監(jiān)控與跟蹤預(yù)算績(jī)效信息，確保能夠及時(shí)反映預(yù)算績(jī)效管理情況。各預(yù)算單位要增強(qiáng)財(cái)務(wù)處理與信息處理能力，信息技術(shù)的應(yīng)用也可以極大地減少人為干預(yù)，更有力地落實(shí)職責(zé)分離要求，為預(yù)算績(jī)效監(jiān)督提供更加真實(shí)可靠的信息平臺(tái)，使監(jiān)督反饋的結(jié)果更加準(zhǔn)確和符合單位實(shí)情。

Q1=ηAPfcu=77.7 kN

(4)

水泥土豎向抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu參數(shù)是根據(jù)室內(nèi)水泥土塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得,取1.2×103kPa。由公式(2)可知：

(5)

計(jì)算時(shí)側(cè)摩阻力主要通過(guò)地勘資料獲取,土層厚度信息則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探獲取。

因此,根據(jù)公式(3)確定水泥攪拌樁的最大承載力為77.7 kN。

2.2 加載方案

為進(jìn)一步研究水泥攪拌樁的單樁樁體承載力特征值,進(jìn)行單樁豎向靜載試驗(yàn),具體試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[7]。

在試驗(yàn)段分別每50 m隨機(jī)選取1根樁進(jìn)行試驗(yàn)。水泥攪拌樁的單樁承載力設(shè)計(jì)值為80 kN,根據(jù)我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)時(shí)最大試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)值的2～2.5倍。因此按最大壓力為160 kN進(jìn)行逐級(jí)加載,荷載增量梯度為16 kN/級(jí)。初始1級(jí)載荷為32 kN,而后保持逐級(jí)加載。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1和圖2分別給出了水泥攪拌樁單樁靜荷載試驗(yàn)Q-s曲線和s-lgt曲線。由圖1可知,Q-s曲線整體呈現(xiàn)線性變化,總沉降量為5.25 mm,曲線在112 kN處的斜率變化量最大,沉降加快。因此可判斷出其單樁承載力為上一級(jí)的96 kN。試驗(yàn)結(jié)果顯示承載力滿足承載力的設(shè)計(jì)值。

圖1 水泥攪拌樁單樁靜荷載試驗(yàn)Q-s曲線

圖2 水泥攪拌樁單樁靜荷載試驗(yàn)s-lgt曲線

由圖2可知,根據(jù)s-lgt曲線,當(dāng)荷載加載到112 kN時(shí),曲線下降速率明顯加快,結(jié)合Q-s曲線和s-lgt曲線結(jié)果,基本可以判斷出水泥攪拌樁的單樁承載力特征值為96 kN。

3 水泥攪拌樁加固效果的影響因素

3.1 有限元模型的建立

為進(jìn)一步研究水泥攪拌樁加固效果的影響因素,基于有限元軟件對(duì)水泥攪拌樁加固軟土地區(qū)的加固效果進(jìn)行研究。根據(jù)軟土路堤橫斷面,該路堤結(jié)構(gòu)為一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu),建模時(shí)取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,建立模型如圖3所示。

圖3 有限元模型效果

3.2 參數(shù)選擇

根據(jù)已有地勘資料獲取不同土層材料參數(shù)和水泥攪拌樁參數(shù),如表1、表2所示。計(jì)算時(shí),軟土地基部分采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,上部填土采用線彈性模型,水泥攪拌樁采用結(jié)構(gòu)單元中的pile進(jìn)行模擬。

表1 土層材料參數(shù)

表2 水泥攪拌樁參數(shù)

3.3 影響因素、

研究水泥攪拌樁參數(shù)對(duì)加固效果的影響時(shí),選取最為重要的樁長(zhǎng)、樁間距、褥墊層等參數(shù)進(jìn)行研究。在研究樁長(zhǎng)對(duì)加固效果的影響時(shí),設(shè)置了3組工況,樁長(zhǎng)分別設(shè)置為12 m、15 m和18 m(15 m為原型工況)。研究樁間距對(duì)加固效果的影響時(shí),設(shè)置了3組工況,樁間距分別為0.9 m、1.2 m和1.5 m(1.2 m為原型工況)。研究褥墊層對(duì)加固效果的影響時(shí),設(shè)置了2組工況,從有褥墊層和無(wú)褥墊層角度進(jìn)行討論。

不同樁長(zhǎng)對(duì)加固效果的影響如圖4所示。由圖可知,不同樁長(zhǎng)下的沉降量均隨著距離中心線距離的增加而減小。樁長(zhǎng)越長(zhǎng),沉降量越小,表明加固效果越好。但樁長(zhǎng)為15 m原型工況的沉降量最大為158.85 mm。當(dāng)樁長(zhǎng)為12 m時(shí),其最大沉降量為235.07 m,比原型工況高1.48倍。使用18 m樁長(zhǎng)時(shí),最大沉降量為144.30 mm,沉降量的最大值僅降低了10%左右。這說(shuō)明當(dāng)樁長(zhǎng)為12 m時(shí),加固效果比原型工況差很多,效果不理想。而當(dāng)樁長(zhǎng)變?yōu)?8 m時(shí),與原型工況相比效果要理想一些,但經(jīng)濟(jì)性不夠好。因此在選擇樁長(zhǎng)時(shí)并非越長(zhǎng)越好,應(yīng)綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮。

圖4 樁長(zhǎng)對(duì)沉降變化的影響

不同樁間距對(duì)加固效果的影響如圖5所示。如圖可知,不同樁間距下的沉降量均隨著距離中心線距離的增加而減小。樁間距越大總沉降量越小,表明加固效果越好。而通常樁間距越大,加固效果越差。造成這種差異的原因可能是由于水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力主要是靠樁和樁間土共同承擔(dān),當(dāng)樁間距過(guò)小時(shí),樁土的應(yīng)力比越大,導(dǎo)致樁間土難以發(fā)揮作用,沉降量變大,加固效果變差。因此在進(jìn)行樁間距設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)選取合適的樁間距進(jìn)行施工。

圖5 樁間距對(duì)沉降變化的影響

水泥攪拌樁的褥墊層主要起到降低樁土應(yīng)力比的作用,在上覆交通荷載作用下使樁土應(yīng)力比達(dá)到最佳,提升加固效果。加褥墊層和不加褥墊層的加固效果如圖6所示。由圖可知,有褥墊層的加固效果明顯優(yōu)于不加褥墊層的,且距離路基中心線距離越近,加固效果越好。當(dāng)距離路基中心線距離越遠(yuǎn)時(shí),總沉降量差值越小。因此褥墊層能夠有效提升地基的承載能力,減小地基沉降,在水泥攪拌樁加固時(shí)應(yīng)添加褥墊層。

圖6 褥墊層對(duì)沉降變化的影響

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)可知,水泥攪拌樁的單樁承載力特征值為96 kN,滿足單樁承載力設(shè)計(jì)值,樁長(zhǎng)越長(zhǎng)加固效果越明顯,但長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍后加固效果的提升不明顯,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性,具體問(wèn)題具體分析。在一定范圍內(nèi),樁間距越大,加固效果越好。設(shè)計(jì)樁間距時(shí),應(yīng)保證樁土承擔(dān)比在合理范圍內(nèi),有效提升加固效果。添加褥墊層后,加固效果提升顯著,且越靠近中心線加固效果越好。