水泥土攪拌樁承載力及沉降現(xiàn)場試驗分析

姚偉偉 （山東勝利建設(shè)監(jiān)理股份有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

水泥土攪拌樁常應(yīng)用于軟土地基及復(fù)合地基的加固，為研究其加固效果及其力學(xué)及變形特性，近年來，許多專家學(xué)者針對水泥土攪拌樁的力學(xué)特性開展相關(guān)研究。

賈劍青等[1]以某高速鐵路為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與有限元模擬，分析水泥土攪拌樁對地基的加固效果，研究其變形及承載特性。周身平等[2]以某公路為研究對象，建立其有限元模型，計算其安全系數(shù)，分析水泥土攪拌樁對其地基的加固效果。鄭帥恒等[3]以水泥土攪拌樁為研究對象，建立三維有限元模型，分析不同因素對其樁深強度及穩(wěn)定性的影響。商慶坤等[4]以某復(fù)合地基為研究對象，開展室內(nèi)模型試驗，分析水泥土攪拌樁加固下，其地基的承載特性及變形規(guī)律。費大偉等[5]開展室內(nèi)水泥土標準試驗，分析不同因素對水泥土攪拌樁強度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，成樁工藝對其強度的影響較大。

本文以渤中19-6凝析氣田I期開發(fā)工程為研究背景，以該工程的水泥土攪拌樁為研究對象，分析水泥土攪拌樁的承載力及加固效果，采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁的承載力進行預(yù)測。

1 工程概況

該項目位于山東省濱州市臨港高端石化產(chǎn)業(yè)園南部用地處，北海大街以北，疏港路以東，其東側(cè)為現(xiàn)有匯泰化工園，用地現(xiàn)狀為存量建設(shè)用地，場地東西總長600m，南北寬556m，合約33.33hm2。該項目樁基施工主要為水泥土攪拌樁施工，水泥土攪拌樁采用42.5 級抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，摻量12%～20%，樁徑500mm，長約14.5m。該地區(qū)的土層分布情況如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗方案

以該工程的水泥土攪拌樁為研究對象，為分析水泥土攪拌樁的承載力及加固效果，采用單樁靜載試驗分析水泥土攪拌樁的極限承載力，采用載荷試驗分析水泥攪拌樁對地基的加固效果。當最大沉降大于40mm 或本級沉降大于上級沉降的5 倍時，即停止加荷，其試驗方案如表2所示，樁位布置圖如圖1所示。

圖1 樁位布置圖

表2 試驗方案

3 試驗結(jié)果及分析

為分析水泥土攪拌樁的承載特性及變形規(guī)律，開展單樁靜載試驗，其荷載（Q）-沉降（s）曲線如圖2 所示。由圖可知，不同試樁間的荷載-沉降曲線變化趨勢具有一致性，隨著樁體所受荷載的增大，其沉降逐漸增大，當試樁所受荷載較小時，不同試樁的沉降量差異較小，隨著試樁所受荷載的增大，不同試樁間的沉降量差異逐漸增大。其中，CP3 試樁的沉降量最大，其最大沉降量為34.81 mm，試樁CP2 的沉降量最小，其最大沉降量為12.7mm。當試樁所受荷載為336 kN 時，試樁的荷載-沉降曲線發(fā)生突變，此時加載結(jié)束，各試樁的最大沉降均小于35 mm，低于規(guī)范所規(guī)定的限值，說明該工程的水泥土攪拌樁強度符合設(shè)計要求。

圖2 水泥土攪拌樁荷載-沉降曲線

各試樁及地基的抗壓靜載實驗結(jié)果如表3 所示。由表可知，試樁CP3 與地基CPF8 的沉降量最大，其值分別為34.81mm、39.60mm，但其回彈率較低，樁的彈性工作特征不明顯，分別為21.4%、22.3%；而試樁CP2 與試樁CP6的回彈率較高，其值分別為40.1%、44.1%。這是由于試樁CP2 與試樁CP6的樁端持力層為全風(fēng)化花崗巖，其強度小于水泥土攪拌樁，在試樁加載過程中，其樁端的巖層發(fā)生沉降，隨著試樁所受荷載的增大，樁端巖層的變形逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

表3 抗壓靜載實驗結(jié)果

為分析水泥土攪拌樁對地基的加固效果，開展載荷試驗，其荷載（Q）-沉降（s）曲線如圖3 所示。由圖可知，隨著地基體所受荷載的增大，其沉降逐漸增大，當其所受荷載為1340kN 時，停止加載，此時地基沉降有最大值，CPF7、CPF 的最大沉降值分別為39.6mm、36.1mm。以上地基的極限承載力均為360kPa，故其地基承載力特征值為180kPa，大于規(guī)范所規(guī)定的限值，說明采用水泥土攪拌樁對地基進行加固的強度符合設(shè)計要求。當?shù)鼗芎奢d較小時，其沉降增大趨勢較為平緩，且兩地基間的差距差異較小，隨著地基所受荷載的增大，其沉降增長趨勢較為顯著，且兩地基間的沉降差值逐漸增大，說明當?shù)鼗芎奢d大于1340 kN 時，其沉降仍會繼續(xù)增長。為分析持續(xù)加載后，水泥土攪拌樁的極限強度，需對其極限承載進行預(yù)測。

圖3 地基荷載-沉降曲線

為分析持續(xù)增大荷載后水泥土攪拌樁及其地基的承載力變化規(guī)律，需對其單樁承載力進行預(yù)測，分別選取試樁CP1、試樁CP4 及地基CPF7、地基CPF8進行分析。前人常采用雙曲線模型對其承載力進行預(yù)測，為優(yōu)化其預(yù)測準確性，本文采用荷載-沉降模型對雙曲線模型進行優(yōu)化，修正后雙曲線公式如式（1）所示。

式中：α為試樁加載量系數(shù)，kN；β為試樁沉降衰減系數(shù)；a為試樁的調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)變尺度優(yōu)化法即可得出公式（1）中相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)解，采用該模型對水泥土攪拌樁的承載力進行預(yù)測，試樁CP1、試樁CP4 的沉降-荷載曲線如圖4所示。由圖可知，以上兩種試樁的沉降與其所受荷載間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著水泥土攪拌樁所受荷載的增大，其發(fā)生的沉降逐漸增大，且當水泥土攪拌樁所受的荷載較小時，其沉降-荷載曲線變化趨勢較為平緩，隨著試樁所受荷載的增大，試樁發(fā)生的沉降增長趨勢較為顯著。不同試樁間的承載力具有一定的差異性，在同一荷載作用下，試樁CP4產(chǎn)生的位移較大，說明試樁CP1的穩(wěn)定性較好，承載力較高。

圖4 試樁CP1、試樁CP4的沉降-荷載曲線

地基CPF7、地基CPF8 的沉降-荷載曲線如圖5 所示。由圖可知，地基CPF7、地基CPF8 的曲線變化趨勢具有一致性，其沉降與其所受的荷載呈正相關(guān)關(guān)系，在同一荷載下，當?shù)鼗芎奢d小于1338 kN 時，地基CPF7 的沉降較大，當?shù)鼗芎奢d大于1338 kN 時，地基CPF8 的沉降較大。當?shù)鼗芎奢d較小時，其沉降增長較小，隨著地基所受荷載的增大，其沉降-荷載曲線的增長趨勢顯著，其中，地基CPF8 的曲線增長趨勢尤為明顯，當?shù)鼗芎奢d為1340 kN時，其沉降-荷載曲線呈陡降型，此時地基已接近破壞狀態(tài)。

圖5 地基CPF7、地基CPF8的沉降-荷載曲線

根據(jù)上述修正雙曲線模型可對水泥土攪拌樁及其加固地基的承載力進行預(yù)測，該曲線的擬合結(jié)果如表4 所示。由表可知，不同試樁及地基的擬合方程具有一定的差異性，采用該模型對水泥土攪拌樁及其加固地基的承載力預(yù)測準確性較高，其相關(guān)系數(shù)均大于0.95。試樁CP1 的極限承載力較大，其值為443 kN，地基CPF8 的極限承載力較大，其值為1352 kN，對比前文的現(xiàn)場試驗可得，該模型的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果具有一致性，說明采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁的強度進行預(yù)測的可行性較高。

表4 擬合結(jié)果

為分析修正雙曲線模型對實際工程的水泥土攪拌樁強度預(yù)測的準確性，將其預(yù)測結(jié)果與工程現(xiàn)場的樁體強度進行對比，水泥土攪拌樁加固地基的強度對比圖如圖6 所示。由圖可知，該地基的沉降-荷載曲線與前文變化趨勢一致，其工程現(xiàn)場的地基承載力與預(yù)測曲線間的差距較小，二者間的相關(guān)系數(shù)為0.99，根據(jù)該曲線計算地基極限承載力為316 kN，該工程的實際地基極限承載力為308 kN，二者間的差距較小，說明采用修正雙曲線模型對地基承載力預(yù)測的準確性較高。

圖6 地基強度對比圖

水泥土攪拌樁的強度對比圖如圖7所示。由圖可知，兩種水泥土攪拌樁的強度具有一定的差異性，其中，在同一荷載作用下，變徑水泥土攪拌樁的沉降較小，說明變徑水泥土攪拌樁的強度較高。采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁預(yù)測的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，說明該模型對水泥土攪拌樁的強度預(yù)測準確性較高，對比該模型對地基強度的預(yù)測誤差可得，采用該模型對地基預(yù)測的相關(guān)系數(shù)較高，說明修正雙曲線模型對地基強度預(yù)測的準確性較高，但該模型對水泥土攪拌樁的預(yù)測誤差仍在允許范圍內(nèi)。

圖7 水泥土攪拌樁的強度對比圖

4 結(jié)論

隨著樁體所受荷載的增大，其沉降逐漸增大，當試樁所受荷載較小時，不同試樁的沉降量差異較小，隨著試樁所受荷載的增大，不同試樁間的沉降量差異逐漸增大。其中CP3 試樁的沉降量最大，最大沉降量為34.81mm。

當?shù)鼗芎奢d較小時，其沉降增大趨勢較為平緩，且兩地基間的差距差異較小，隨著地基所受荷載的增大，其沉降增長趨勢較為顯著，且兩地基間的沉降差值逐漸增大，說明當?shù)鼗芎奢d大于1340kN時，其沉降仍會繼續(xù)增長。

采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁預(yù)測的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，說明該模型對水泥土攪拌樁的強度預(yù)測準確性較高，采用該模型對地基預(yù)測的相關(guān)系數(shù)較高，說明修正雙曲線模型對地基強度預(yù)測的準確性較高，但該模型對水泥土攪拌樁的預(yù)測誤差仍在允許范圍內(nèi)。