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    新型混凝土樁基承載特性研究

    2025-03-12 00:00:00朱小偉丁辰薛凱喜易光勝周朝慧韓凱敏李明吉
    森林工程 2025年2期
    關(guān)鍵詞:濕陷性黃土卵石模型試驗(yàn)

    摘 要:砂石骨料屬于不可再生資源,然而砂石資源短缺與建筑領(lǐng)域大規(guī)模擴(kuò)張之間的供需矛盾日益升級。在我國“雙碳”政策的大背景下,將西北地區(qū)豐富的風(fēng)積沙、卵石資源應(yīng)用到樁基骨料當(dāng)中,是工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)綠色環(huán)保、降本增效的重要手段。基于前期試驗(yàn)得到的新型卵石-風(fēng)積沙混凝土配合比澆筑混凝土模型樁,再通過模型試驗(yàn)研究新型卵石-風(fēng)積沙混凝土樁與土復(fù)合之后的承載性能變化規(guī)律。結(jié)果表明,優(yōu)化配比后的卵石-風(fēng)積沙混凝土能較好地滿足復(fù)合地基的強(qiáng)度要求;增加樁長,減小樁徑和樁間距,有助于減小地基的沉降量;在400 kPa加載作用下,樁的長度提升至一倍,地基總沉降量減小89%,在樁徑和樁間距減小的工況對比可知,沉降量分別減小24%和36. 4%。對于樁身應(yīng)力,提高樁長、樁徑,減小樁距,應(yīng)力均表現(xiàn)出變大的趨勢;對于樁土應(yīng)力,提高樁長、樁徑,減小樁距,地基土均表現(xiàn)出應(yīng)力水平有所降低;對于樁土應(yīng)力比,樁長越長樁土應(yīng)力比越大。研究成果可以為卵石和風(fēng)積沙的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

    關(guān)鍵詞:樁土復(fù)合地基; 卵石-風(fēng)積沙混凝土; 模型試驗(yàn); 砂石資源; 濕陷性黃土

    中圖分類號:TU473. 12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2025. 02. 017

    0 引言

    剛性樁復(fù)合地基是一種軟土地基處理技術(shù)[1],具有承載力效果較好,且施工較方便的特點(diǎn)[2],剛性樁一般采用鉆孔灌注的工藝進(jìn)行澆筑。隨著工程領(lǐng)域朝著高質(zhì)量的目標(biāo)發(fā)展,研發(fā)新型剛性樁復(fù)合地基的工作已經(jīng)迫在眉睫。

    徐?。?]采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)部分替換混凝土樁基中的普通鋼筋,結(jié)果表明,新型樁體的承載能力可以滿足實(shí)際工程需求。張建偉等[4]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對普通鋼筋混凝土樁身包裹FRP布材的水平承載規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果表明,F(xiàn)RP布樁的水平承載性能隨著包裹層數(shù)的增加而提升,提升效果與包裹層數(shù)之間并不存在正比例關(guān)系。羅永忠等[5]大直徑鋼管與混凝土樁結(jié)合,分析了大直徑鋼管混凝土樁施工前后滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,大直徑鋼管混凝土樁短時間內(nèi)有效控制了滑坡體變形速率。楊榕等[6]研究了新型包裹式散體材料樁復(fù)合地基的承載特性,對粉質(zhì)土包裹式散體材料樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)歸納,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

    砂石骨料是混凝土必不可少的原材料,對建筑物的質(zhì)量、進(jìn)度、成本有著舉足輕重的影響。由于全球各國都不斷加強(qiáng)對開采河流砂石資源的限制措施,最終導(dǎo)致天然砂石價(jià)格大幅上漲,與建筑業(yè)的砂石骨料供需形勢緊張[7]。因此,對于剛性樁當(dāng)中粗細(xì)骨料的選擇,應(yīng)當(dāng)在符合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)要求的情況下,盡可能做到就近取材,降低施工成本、節(jié)約資源的同時又能滿足工程質(zhì)量[8]。

    風(fēng)積沙[9]和卵石[10]在中國的西北地區(qū)分布廣泛,具有儲備量大和價(jià)格低廉等優(yōu)勢[11]。風(fēng)積沙顆粒較小,吸水性和固定性較差,含有較高的鹽堿量和可能對建筑材料產(chǎn)生不良反應(yīng)的其他化學(xué)成分。卵石表面光滑,多為圓形或橢圓形顆粒,與膠凝材料黏結(jié)性能較差[12]。然而根據(jù)相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn),風(fēng)積沙如果僅僅是替代部分的常規(guī)沙,澆筑的混凝土仍然能夠滿足常用的結(jié)構(gòu)工程使用要求[13-14],此外已有的大量研究[15-16]也證明了卵石作為混凝土粗骨料的可行性。但目前鮮有人將風(fēng)積沙和卵石共同作為原材料摻入水泥混凝土中開展研究,基于此,研究新型樁土復(fù)合地基承載性狀具有較高的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值,可以為處置軟弱地基提供參考和數(shù)據(jù)支持。本課題組前期借助正交試驗(yàn)確定了卵石混凝土的最優(yōu)配合比[17],本研究在最優(yōu)配比的基礎(chǔ)上摻加風(fēng)積沙替換部分普通河砂,根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)得到最優(yōu)的替換率。再利用室內(nèi)模型試驗(yàn)箱開展新型混凝土樁的承載試驗(yàn),研究不同的樁長、樁徑、樁心距對復(fù)合地基沉降變形和應(yīng)力的影響規(guī)律。

    1 材料與方法

    1. 1 原材料

    水泥選取海螺牌P·O32. 5R 的普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)組成見表1,穩(wěn)定性試驗(yàn)合格,3 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別是21. 0、4. 1 MPa,而28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別是41. 0、6. 2 MPa。其初凝時間是70 min,終凝時間是180 min。

    細(xì)骨料采用河砂和風(fēng)積沙,天然河砂選用顆粒級配良好的Ⅱ區(qū)中砂,風(fēng)積沙取自毛烏素沙漠南緣寧夏銀川市,如圖1(a)所示。天然河砂和風(fēng)積沙的物理性能指標(biāo)見表2。

    粗骨料采用寧夏地區(qū)的天然卵石,如圖1(b)所示。堆積密度和表觀密度分別為1 760、2 853 kg/m3,空隙率Ps=42%,含泥量1. 8%,級配良好。

    粉煤灰取自Ⅱ級粉煤灰,拌和水和養(yǎng)護(hù)水均為自來水,選用減水率為20%的FDN-C萘系減水劑。

    模型試驗(yàn)所用的樁周土是寧夏銀川青山750 kV變電站施工現(xiàn)場的粉質(zhì)軟弱黃土,遇水展現(xiàn)出較大的濕陷性,黏聚力約為18. 74 kPa,內(nèi)摩擦角約為10°。對黃土的顆粒級配進(jìn)行測定結(jié)果如圖2(a)所示,由圖2(a)可知,本次試驗(yàn)黃土粒徑小于0. 075 mm的顆粒含量占比超過90%。采用液塑聯(lián)合測定儀對試驗(yàn)取樣的濕陷性黃土的液限、塑限和塑性指數(shù)進(jìn)行測定得出黃土狀粉土的液限w1范圍值為22. 7%~29. 7%,平均值為25. 2%,塑限為16. 7~19,塑性指數(shù)為7. 9。對采樣的黃土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)得出該黃土的最大干密度為1. 87 g/cm3。土體天然含水率為6. 12%,最優(yōu)含水量ωop=12. 8%,如圖2(b)所示。

    1. 2 試驗(yàn)設(shè)備

    本研究涉及的所有試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示,主要試驗(yàn)包含卵石混凝土單摻風(fēng)積沙力學(xué)性能試驗(yàn)和復(fù)合地基承載模型試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)加載的壓力機(jī)如圖3(a)所示。本課題組自主研發(fā)一套縮尺模型試驗(yàn)系統(tǒng)來模擬復(fù)合地基豎向的承載受力,研究涉及的測試參數(shù)為沉降位移量、樁身應(yīng)力和樁間土應(yīng)力等。模型箱的實(shí)體如圖3(b)所示,利用液壓千斤頂對最上層的加載板直接施加豎向荷載,后續(xù)荷載再傳遞給下部的樁土復(fù)合地基。模型試驗(yàn)主要采集是位移計(jì)、壓力盒和應(yīng)變片的數(shù)據(jù),采集儀為DH3818Y數(shù)采儀,試驗(yàn)開始后可以實(shí)現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù),如圖3(b)所示。

    1. 3 試驗(yàn)方案

    1. 3. 1 混凝土力學(xué)試驗(yàn)

    本課題組前期借助正交試驗(yàn)確定了卵石混凝土的最優(yōu)配合比[17],本研究以該配比為基準(zhǔn),以風(fēng)積沙置換率為變量進(jìn)行單因素力學(xué)試驗(yàn)。

    本研究的新型混凝土參考中國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)中測試要求,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,測試的參數(shù)分別為抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,如圖4所示。其中抗壓強(qiáng)度實(shí)測值乘上強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)0. 95。風(fēng)積沙替換砂率分別取0%~70% 的8 個等級,每級增加10%,混凝土按表3配合比配制,每組9個混凝土試塊,分別測試其7、14、28 d 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

    分析結(jié)果并得到力學(xué)性能較優(yōu)的風(fēng)積沙替換率,按照優(yōu)選后的配比制備混凝土并測試彈性模量。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50152—2012)[18],采用壓力試驗(yàn)機(jī),制定循環(huán)加載方案,通過微機(jī)記錄應(yīng)力-位移曲線,曲線峰值反映的是試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值,混凝土試塊進(jìn)行彈性模量壓力測試的過程如圖3(a)所示。

    彈性模量試驗(yàn),主要依托應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對預(yù)制樁樁身進(jìn)行摩擦處理,再用樹脂膠將應(yīng)變片粘貼,前后各貼一片,方向呈空間向量方向垂直放置,以便于測定其軸向及橫向應(yīng)變值。分兩級加載,先以加載速度是0. 5 MPa/s定向荷載控制,達(dá)到最大荷載的0. 8倍時換定向位移控制,加載速度是0. 003 mm/s。

    1. 3. 2 模型試驗(yàn)

    以水泥粉煤灰碎石樁(cement fIying-ash gravelpile,CFG)復(fù)合地基為參考對象制備卵石-風(fēng)積沙混凝土模型樁,混凝土模型樁具體的制備過程可以參考文獻(xiàn)[17,19]。模型試驗(yàn)的每個工況采用4根預(yù)制模型樁,填土至指定的深度后,埋入4根等長的樁體,后續(xù)再分層填筑剩余的土體。逐層填土,逐層夯實(shí),每層厚度為10 cm,確保復(fù)合地基的密實(shí)性和樁土之間的側(cè)向摩擦力。由圖5(a)可知,4根樁十字交叉成對角布置,樁頂控制齊平,不同分組樁間距根據(jù)實(shí)際工況布置。

    應(yīng)變片粘貼在模型樁的靠邊界側(cè),采集到多級荷載下的樁身應(yīng)變數(shù)值,進(jìn)而再根據(jù)混凝土彈性模量計(jì)算樁身應(yīng)力。應(yīng)變片上到下每隔100 mm設(shè)置一個,如圖5(b)所示,并對其進(jìn)行編號。此外,4個樁的樁頂都設(shè)置有土壓力盒,用于測試樁頂?shù)臉渡響?yīng)力。

    本研究采用土壓力盒測試4根混凝土樁之間的土體應(yīng)力,土壓力盒一排埋設(shè)在4根樁的樁頂、樁底及4根樁中心交叉線垂直方向,按照10 cm自上而下與應(yīng)變片對應(yīng)埋置。

    本試驗(yàn)還設(shè)置有3根沉降釬,通過與模型箱開口表面的相對高差來確定土體沉降量,本試驗(yàn)沉降釬由不銹鋼桿及其小薄片焊接而成,根據(jù)測量土體深度的不同,3根鋼桿的長度也不相同,鋼桿底部分別位于距離樁頂200、400、600 mm處土層,這3處沉降釬分別用于反映不同深度土層的土體沉降情況。除了3根鋼釬之外,加載板上也設(shè)置有2個位移計(jì),用于測試樁頂沉降。

    模型箱試驗(yàn)從上到下依次為工字鋼反力梁、滑移裝置、液壓千斤頂、拉壓傳感器、百分表、厚度為20 mm的鋼制加載板(300 mm×300 mm)、褥墊層、預(yù)制樁、土層,模型試驗(yàn)的設(shè)置豎向剖面如圖5(c)所示,模型設(shè)置的水平俯視如圖5(d)所示。

    綜合考慮試驗(yàn)現(xiàn)場的實(shí)際尺寸、試驗(yàn)條件與幾何相似比等因素開展模型試驗(yàn),模型箱上方采用高強(qiáng)度鋼梁與箱體兩邊進(jìn)行螺栓連接,此種連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于反力梁的高度可調(diào)節(jié)。在反力梁底部安裝滑移裝置固定拉壓傳感器,模型箱尺寸足夠大,可忽略邊界效應(yīng)的影響。模型試驗(yàn)中各部件尺寸參數(shù)取值,見表4。模型試驗(yàn)工況合計(jì)3組,基于樁長、樁徑、樁心距的不同分配了7種編號,見表5。需要特別說明的是,表5中3個不同的樁長形成編號分別為1-1、1-2、1-3不同的工況,后續(xù)在基于序號1-2工況的基礎(chǔ)上,只改變樁直徑或者只改變樁心距各自另外再加1個編號的工況,因此實(shí)際上序號1-2和2-1和3-1是同種條件的工況。

    在進(jìn)行卵石-風(fēng)積沙混凝土樁復(fù)合地基承載試驗(yàn)時采用的慢速維持加載法,預(yù)計(jì)采用八級加載,荷載值從小到大,每級加載50 kPa,直至加載至400 kPa。應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀選用了DH3818Y靜態(tài)應(yīng)變測試儀,設(shè)備的24 個通道由一臺計(jì)算機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)控。電源模塊負(fù)責(zé)控制采集模塊與連接樁身應(yīng)變計(jì)和壓力箱的導(dǎo)線之間的連接,構(gòu)成應(yīng)力應(yīng)變測量系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的智能導(dǎo)線識別功能,可以方便地預(yù)設(shè)模板,自動設(shè)置測點(diǎn)參數(shù),提高試驗(yàn)的效率和精度。通過采用控制變量法改變樁長、樁徑和樁間距3組工況下,研究復(fù)合地基承載性狀規(guī)律。

    2 混凝土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

    2 混凝土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

    卵石混凝土的力學(xué)性能與風(fēng)積沙替換率之間的關(guān)系如圖6所示??箟簭?qiáng)度與風(fēng)積沙摻量相關(guān),隨摻量的增加呈先大后小趨勢。這是因?yàn)轱L(fēng)積沙中SiO2 含量高,水化產(chǎn)物生成快,并且風(fēng)積沙粒度小,在一定摻量范圍可以起到填充作用讓混凝土中的小孔增加,大孔減少,強(qiáng)度增加。大孔隙被風(fēng)積沙和水化產(chǎn)物填充和壓實(shí),提高混凝土密實(shí)度,從而使強(qiáng)度提高。但風(fēng)積沙顆粒的強(qiáng)度低于中砂強(qiáng)度,并且吸水性和黏附性較差,所以當(dāng)風(fēng)積沙替代率較大時,降低了細(xì)骨料的強(qiáng)度,導(dǎo)致風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

    隨著風(fēng)積沙替換率的增加,卵石-風(fēng)積沙混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨著替換率的增加先遞增后減小。當(dāng)風(fēng)積沙的替換率為20%時,抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值,卵石風(fēng)積沙混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度比普通卵石混凝土提高約15%。當(dāng)風(fēng)積沙摻量超過20%時,卵石風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度開始下降。因此,如果僅僅從抗壓強(qiáng)度角度考慮,推薦的風(fēng)積沙的替代率應(yīng)為0%~20%。由圖6(b)可知,隨著風(fēng)積沙摻量的增加,不同齡期風(fēng)積沙混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。此外抗劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度也高于基準(zhǔn)組。這說明適量風(fēng)積沙可以提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。考慮到風(fēng)積沙的成本低廉,本研究在后續(xù)配制風(fēng)積沙卵石混凝土模型樁時,風(fēng)積沙的替代率設(shè)定60%,此時抗壓強(qiáng)度為25. 6 MPa。

    本研究得到的新型混凝土單軸抗壓強(qiáng)度雖然未達(dá)到C30(混凝土強(qiáng)度等級)混凝土的要求,但是工程中鉆孔灌注樁混凝土相較于結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度要求會更低,《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)規(guī)定灌注樁樁身混凝土強(qiáng)度等級不得低于C15,水下灌注混凝土?xí)r不得低于C20。工程中水泥粉煤灰碎石樁(Cement Fly-ash Gravel,CFG)樁混凝土立方體試塊強(qiáng)度通常在10~25 MPa[19]。目前在地基工程中,混凝土樁強(qiáng)度損失率在10 d 以內(nèi)平均值為20%,本試驗(yàn)得到的卵石-風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到25. 6 MPa,損失20%的抗壓強(qiáng)度依然還可以維持在20 MPa左右,仍然滿足復(fù)合剛性樁處置地基的要求。因此卵石-風(fēng)積沙混凝土在配合比優(yōu)化之后力學(xué)性能仍然可以滿足工程實(shí)際需求。

    2. 2 彈性模量

    壓力機(jī)采集數(shù)據(jù)如圖7所示,4條曲線分別代表混凝土試塊橫豎向4個應(yīng)變片的荷載值,根據(jù)數(shù)據(jù)測試結(jié)果,前豎、前橫、后豎、后橫4個應(yīng)變片(應(yīng)變片1、應(yīng)變片2、應(yīng)變片3、應(yīng)變片4)得到的彈性模量分別為3. 81×104、3. 53×104、3. 31×104、3. 03×104 MPa,最終取均值得到樁彈性模量為3. 42×104 MPa,該數(shù)值可以用于后續(xù)樁身應(yīng)力計(jì)算。

    3 模型試驗(yàn)結(jié)果

    3. 1 沉降變化規(guī)律

    3. 1. 1 樁長的影響

    根據(jù)試驗(yàn)組1的荷載沉降規(guī)律變化,對比分析豎向荷載下(荷載區(qū)間0~400 kPa)。試驗(yàn)組1樁長為變量,其他條件一致(樁徑、樁距、彈性模量、同等加載),改變預(yù)制樁長度對地基沉降的影響。不同樁長工況的加載板沉降量隨荷載的變化曲線如圖8(a)所示,不同樁長工況的最大荷載時,工況1-1到1-3 樁頂沉降量分別為19. 92、11. 53、10. 37 mm。不同樁長工況的不同深度土體沉降量隨荷載的變化曲線如圖8(b)—圖8(d)所示,荷載加載到400kPa的情況下,樁長為800、600、400 mm的復(fù)合地基在土層深度為200 m 的壓縮變形量分別為9. 70、12. 03、15. 24 mm;地基不同深度區(qū)域的變形量均隨樁長的減小而增加,其主要原因在于樁土復(fù)合模量的減小,導(dǎo)致地基變形增大。綜合分析圖8各組數(shù)據(jù)可知越深的土層沉降量越小,試驗(yàn)說明增加樁長有利于控制復(fù)合地基的沉降變形。

    3. 1. 2 樁徑的影響

    根據(jù)試驗(yàn)組2荷載沉降規(guī)律變化研究改變樁徑的情況下,復(fù)合地基沉降變化如圖9所示。由圖9可知,當(dāng)荷載加載到400 kPa,樁徑(D)為40、60 mm的地基復(fù)合加固區(qū)在樁頂?shù)膲嚎s變形量最大,分別為19. 92、11. 53、10. 37 mm;在八級荷載下,樁徑較大的一組,荷載板沉降量越大,說明土體變形越大。樁長固定,樁徑增加,但長徑比減小,樁土置換率固定條件下,加固后的復(fù)合地基模量增高其系數(shù)降低,導(dǎo)致復(fù)合加固區(qū)的復(fù)合模量下降,地基壓縮變形量提高。

    值得注意的是,本次試驗(yàn)控制樁心距和樁徑的比例,2 組試驗(yàn)樁心距定為樁徑的3 倍,當(dāng)樁徑從40 mm變?yōu)?0 mm,樁心距會從120 mm變?yōu)?80 mm,樁心距對樁身及樁底加固區(qū)的土體復(fù)合模量構(gòu)成影響,使得復(fù)合模量降低,進(jìn)而區(qū)域土層抵抗變形的能力也會降低,故根據(jù)以上分析可知,樁徑較大的試驗(yàn)組的沉降更大。

    3. 1. 3 樁心距的影響

    根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,摩擦型樁的中心距不宜小于樁身直徑的3倍。為研究樁距變化對復(fù)合地基沉降影響,對試驗(yàn)組3的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,3D 和5D 樁距條件下,測得的有關(guān)沉降的數(shù)據(jù)如圖10所示。

    由圖10(a)可知,同級荷載下,樁距為3D 的試驗(yàn)組的總沉降值都小于樁距為5D 的試驗(yàn)組。最大總沉降量相差4. 8 mm。

    由圖10(b)—圖10(d)可知,隨著加載的荷載逐漸增大,在加載過程后半段,土體加固區(qū)沉降更嚴(yán)重,說明當(dāng)頂部加固區(qū)完成較大的壓縮沉降后,頂部荷載才會傳遞到樁中層以下的土層。荷載較小時,深部土體沉降情況受樁距的影響較小,而樁頂?shù)某两登闆r受樁距影響更明顯,說明減小樁距對復(fù)合地基的頂部土體的沉降情況有一定的改善。隨著樁距的增加,單根樁負(fù)責(zé)加固的土體區(qū)域變大,地基抵制沉降變形的能力被削弱。

    3. 2 樁土應(yīng)力變化規(guī)律

    3. 2. 1 樁長的影響

    分析試驗(yàn)組1的數(shù)據(jù),探究樁長對樁土應(yīng)力的影響。圖11是樁長為400 mm,樁徑為60 mm,樁心距為3D,各級荷載下樁身和樁間土在不同深度范圍的應(yīng)力變化情況。由圖11可知,由于材料彈性模量和均質(zhì)性的差異,混凝土樁身的應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土的應(yīng)力值;同一位置處,無論是樁應(yīng)力還是樁間土應(yīng)力都跟隨著上部荷載的增大而增大,但是在不同深度處三者的應(yīng)力變化趨勢都有所差別,并且樁身和樁間土的應(yīng)力隨深度增加的變化情況也有差異。樁身應(yīng)力增長幅度最大的位置位于距離樁頂200 mm的深度處,曲線突增的主要原因在于樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響,出現(xiàn)應(yīng)力集中。

    600 mm樁長時各級荷載下復(fù)合地基應(yīng)力變化情況如圖 12 所示。對比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖 11 和圖12可知,樁長從400 mm提高到600 mm,對樁土應(yīng)力影響較小,600 mm工況樁身應(yīng)力最大值也在樁身1/3位置處(距離樁頂200 mm)。荷載逐級增大,樁間土應(yīng)力仍然表現(xiàn)為上部增加快、下部增加慢的特征,但樁間土應(yīng)力增加相對于樁長400 mm時緩慢,靠近載荷板處的樁間土應(yīng)力最大值為123 kPa,降低了19 kPa,其他位置處也有所降低。關(guān)于樁身應(yīng)力增幅,加載前期和后期較小,加載中期增幅較高。綜合上述規(guī)律,可以得出提高樁長,能夠改善樁土應(yīng)力分配。

    800 mm樁長時各級荷載下復(fù)合地基應(yīng)力變化情況如圖 13所示。800 mm樁長工況最顯著的特征是樁身在大于等于400 mm的位置,應(yīng)力值較其他工況最低,并且深度從200 mm提高到400 mm降幅最大,可以推測增加樁長可以改善樁體的應(yīng)力分布,減少底部的樁身應(yīng)力。對比圖11—圖13可知,隨著深度的增加土中應(yīng)力呈現(xiàn)逐步衰減的趨勢,樁身應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在距離樁頂200 mm的位置,但隨著樁長的增加,模型地基土中應(yīng)力水平卻有所降低。樁長從400 mm增加到800 mm,荷載最大時,最上層樁間土應(yīng)力由147. 44 kPa降低為115. 9 kPa。

    3. 2. 2 樁徑的影響

    樁長為600 mm,樁徑為40 mm,樁心距為3D,各級荷載下樁身和樁間土在不同深度范圍的應(yīng)力變化情況如圖14所示。將圖14與圖12進(jìn)行對比,將全部樁的直徑調(diào)整為40 mm后,2組測試的發(fā)展趨勢相同。樁頂?shù)臉渡響?yīng)力增大,400 kPa的荷載下,樁頂應(yīng)力由之前的1 709 kPa提高至1 895 kPa,上升10. 9%。由于在調(diào)整樁徑時仍要保證每根樁負(fù)責(zé)加固的地基土面積相同,前后2組試驗(yàn)雖然樁心距都保持在3D,實(shí)際上復(fù)合地基中的樁心距卻是減小的,從應(yīng)力數(shù)據(jù)層面可以看出樁徑減小后導(dǎo)致復(fù)合地基中的樁土“契合”程度提高,部分荷載更容易傳遞到樁身而是不容易傳遞到樁間土上,導(dǎo)致樁間土的應(yīng)力有所減小。

    3. 2. 3 樁心距的影響

    試驗(yàn)序號3-2的工況樁心距由3D 調(diào)整為5D,其他條件保持不變,各級荷載下的樁身和樁間土的應(yīng)力值關(guān)系曲線如圖15所示。將圖15與圖12進(jìn)行對比,5D 樁間距復(fù)合地基土體應(yīng)力相較于3D 地基土體提升17%;擴(kuò)大樁距后,在400 kPa的荷載下,最頂層土體的應(yīng)力由128 kPa增加到了134 kPa,增長了10%;下部土體應(yīng)力由28. 9 kPa增加至42. 1 kPa,增長40%。增加樁距,每根樁負(fù)責(zé)“加固”的土體范圍更大,上部荷載在傳遞到單根樁與其負(fù)責(zé)處理的局部土體時,土體承擔(dān)的荷載相對變多,因此表現(xiàn)出更大的土體應(yīng)力。樁間土應(yīng)力的發(fā)展趨勢也是地基內(nèi)部受力情況的真實(shí)反映,增大樁心距,最直接的作用就是荷載向土體轉(zhuǎn)移,剛度較大的卵石-風(fēng)積沙混凝土樁未得到很好地發(fā)揮承載力的作用。

    3. 3 樁土應(yīng)力比變化規(guī)律

    樁土應(yīng)力比越大證明剛性樁承擔(dān)了更多的荷載,不同的樁長對復(fù)合地基樁土應(yīng)力比影響如圖16所示。加載到400 kPa時,應(yīng)力比曲線達(dá)到最大值,3組模型地基的應(yīng)力比都在這一荷載下達(dá)到最大值分別為5. 58、6. 20、6. 97 kPa。第1級加載到第8級加載增長幅度分別196%、201%、195%,卵石-風(fēng)積沙混凝土樁復(fù)合地基在承受上部荷載時,樁應(yīng)力比都隨著荷載的增大而增大。樁長增加,有助于調(diào)節(jié)復(fù)合地基中樁間土和樁身的應(yīng)力分配。在加載后期樁土應(yīng)力比更大,但是結(jié)合前述沉降部分的研究內(nèi)容,在此情況下地基的沉降值卻相對更大,樁土應(yīng)力比越大并不能說明該復(fù)合地基的承載能力就越好。

    4 結(jié)論

    本研究探索卵石-風(fēng)積沙混凝土樁復(fù)合地基承載性能,主要試驗(yàn)包含卵石混凝土單摻風(fēng)積沙力學(xué)性能試驗(yàn)和復(fù)合地基承載模型試驗(yàn),主要結(jié)論如下。

    1)卵石-風(fēng)積沙混凝土樁復(fù)合地基適用于軟土地基處理,并且具備價(jià)格低廉、低碳環(huán)保等優(yōu)勢。當(dāng)風(fēng)積沙替代率為20%時,混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最高,考慮到成本因素推薦60%為風(fēng)積沙最優(yōu)替代率,此時彈性模量可達(dá)到3. 42×104 MPa,其強(qiáng)度約為25. 6 MPa,仍然符合剛性樁強(qiáng)度要求。優(yōu)選后的配合比結(jié)果為水泥∶粉煤灰∶水∶卵石∶河砂∶風(fēng)積沙=3. 55∶0. 394∶1. 38∶12. 20∶2. 4∶3. 6。卵石-風(fēng)積沙混凝土樁埋入黃土中,可以起到良好的加固作用。適合CFG樁復(fù)合地基應(yīng)用的區(qū)域,也可以適用卵石-風(fēng)積沙混凝土樁。

    2)增加樁長,減小樁徑和樁間距有助于減小地基的沉降量;在400 kPa加載作用下,樁長長度提升至一倍,地基總沉降量減小89%,在樁徑和樁間距減小的工況對比可知,沉降量分別減小24% 和36. 4%。

    3)對于樁身應(yīng)力,提高樁徑,減小樁距,應(yīng)力均表現(xiàn)出變大的趨勢;對于樁土應(yīng)力,提高樁長,樁徑,減小樁距,地基土均表現(xiàn)出應(yīng)力水平有所降低;對于樁土應(yīng)力比,樁長越長樁土應(yīng)力比越大。不同樁身長度工況下應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在距離樁底1/3樁身位置處,樁長長度的增加,能夠提高承載力,減少樁身底部的應(yīng)力。

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