濕陷性黃土中 CFG樁的參數(shù) β取值的實驗分析

詹祥元,林柄泉

(蘭州交通大學,甘肅蘭州 730070)

CFG樁是由碎石、石屑、砂和粉煤灰加水拌和制成,其強度等級多在 C20～C25之間,因此 CFG樁具有適應性廣、承載力高、經(jīng)濟合理等特點。但日前其理論研究與實踐還存在一定的差距,特別是復合地基承載力和地基變形的計算方法仍有許多不完善的地方。由于影響因素眾多,完全靠理論分析很難得出準確的計算公式,所以現(xiàn)在工程上所采用的方法仍然是半理論半經(jīng)驗的公式,各種經(jīng)驗系數(shù)的取值往往對計算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此,合理確定符合地基承載力中各參數(shù)的值已成為 CFG復合地基設計中的重要問題。

1 CFG樁復合地基承載力計算方法

復合地基承載力特征值的確定,(JGJ79-2002)《建筑地基處理技術規(guī)范》建議通過現(xiàn)場復合地基載荷試驗確定。計算方法由專家組經(jīng)過大量的理論計算和試驗數(shù)據(jù)分析綜合考慮復合地基承載力的各個影響因素,得出 CFG樁復合地基承載力計算公式為:

式中:fspk為復合地基承載力特征值,kPa;m為面積置換率;Ap為樁的橫截面積;fsk為處理后的樁間土承載力特征值;Ra為單樁承載力特征值,β為樁間土承載力折減系數(shù)。

此公式由于概念清楚,參數(shù) m,Ap,fsk,Ra都可以有比較精確的取值,在工程上應用廣泛。唯一不足之處在于 β的取值存在一些不足。β是受樁間土性質(zhì),樁端土性質(zhì),樁長以及成樁工藝等因素的影響,有不同的經(jīng)驗值。其取值也是影響復合地基承載力特征值的一個重要因素。當通過實驗得到 fspk的值時,可通過式(2)反演得到 β的值。

2 參數(shù) β的影響因素分析

2.1 樁間土性質(zhì)的影響

原地基土的物理力學性質(zhì)直接決定樁間土承載力的大小,進而影響參數(shù)值的大小。對于具有剪縮性質(zhì)的土體,如松散粉土、砂土、正常固結(jié)土,在擠壓和振動作用下,可有效減少樁間土孔隙比,降低土的壓縮性,提高土體的密實度,進而提高土的承載力,因此β值可以取較大值。而對于具有剪脹性土體,如密實粉土砂土超固結(jié)軟土,如采用振動沉管法施工則會產(chǎn)生土體擠出現(xiàn)象,非但不會增加土體強度,還會使 CFG樁破壞,從而使復合地基承載力減小。另外,《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2002)中規(guī)定 CFG樁復合地基樁間土承載力的發(fā)揮程度還與天然地基承載力的大小有關,當天然地基承載力高時值取較大值,反之取小值。地基土的性質(zhì),直接影響施工工藝,因此在進行CFG樁復合地基設計時,應考慮樁間土的性質(zhì)選擇施工工藝進而結(jié)合前面討論的施工工藝選擇 β值。

2.2 置換率的影響

婁國充[2]等人用有限元分析方法對 CFG樁的研究表明:隨著復合地基中樁土置換率增大,復合地基中樁的面積增加,相應的樁頂?shù)慕佑|應力會降低,樁頂處的沉降變形隨之也減小。雖然整個復合地基承載力隨置換率的提高而提高,但荷載分配傾向于向樁體轉(zhuǎn)移,因而樁體承擔的荷載比例也隨之提高,樁間土的承載力發(fā)揮減小,此時樁間土承載力折減系數(shù) β也應取較小值。但置換率與樁間土承載力折減系數(shù)β值并不是線性變化的,具體的定量關系有待進一步研究。

2.3 墊層的影響

褥墊層是復合地基重要的組成,褥墊層的設置能夠保證樁土共同承擔荷載,協(xié)調(diào)樁土變形。調(diào)整樁土荷載分擔,減小基礎底面的應力集中。褥墊層的厚度也影響其作用的發(fā)揮。當褥墊層過薄時,樁頂應力較大,樁的作用發(fā)揮明顯,但樁間土作用發(fā)揮不足。相應的 β值應取較小值。反之,則使土的承載力得到充分發(fā)揮,相應的 β值應取較大值,但樁的承載力得不到充分發(fā)揮,沉降不能得到很好控制。因此合理選擇褥墊層的厚度,有利于充分發(fā)揮樁和樁間土的承載力。

2.4 樁端持力層土性質(zhì)的影響

《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2002)中規(guī)定,CFG樁應選擇承載力相對較高的土層作為樁端持力層。進行CFG樁設計一般選擇使樁端抵達硬土層的樁長。但對于有些軟弱土層厚度很大的軟弱地基,并不能保證使樁端到達硬土層,而是在承載力稍高的可塑或者軟塑土層。此時 β的取值就受到樁端持力層的影響,若樁端土層是硬土層,則端阻效應較大,荷載很大部分直接通過 CFG樁傳遞至硬土層。樁間土承載力發(fā)揮很少,β取值按理應小一點。反之,當樁端土層為軟土層時,端阻效應發(fā)揮不明顯,樁間土承擔較大的荷載,β取值應較大。

3 工程背景及試驗方案

3.1 項目背景

本實驗是以蘭州原油末站,包括有 150000m3浮頂油罐2座、100000m3浮頂油罐 17座。目前試驗檢測了其中的部分油罐基礎 CFG樁。包括其中 2個 150000方油罐和 8個100000方油罐的 CFP樁,共計 460余根。

3.2 地質(zhì)狀況

罐區(qū)場地為黃河第二階沖積灘地。表層為耕植土,厚度約 0.3～0.5m,上部為飽和黃土,層厚 1.20～4.60m,場地普遍分布。承載力特征值 100kPa,其下為卵石層,表面微風化,顆粒呈亞圓狀;一般粒徑在 30～80mm之間,最大粒徑可達 400mm,骨架物含量約占 70%;充填物為砂礫石;級配良好。層厚 2.4～5.9m之間,場地普遍分布,承載力特征值400kPa。

3.3 試驗情況

由于 β是受樁間土性質(zhì),樁端土性質(zhì),樁長以及成樁工藝等因素的影響,在試驗過程中選擇了一些實驗條件相近的樁基進行試驗。低應變反射波檢測儀器為中科院武漢巖土力學所研制的 RSM-SY5型浮點工程動測儀,來選取一些樁身完成,樁長、樁徑相近的樁基進行試驗。先確定其單樁承載力值。

試驗采用慢速維持荷載法進行,單樁復合地基靜載荷試驗承壓板 1.2m×1.2m,板底鋪設 50mm級配碎石,置換率0.096。采用電動油壓千斤頂加載、工字鋼搭設堆載平臺、混凝土塊堆載提供反力,最大堆載重量 1500kN。

3.4 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實驗所測得的地基承載力值(表1),可由式(2)反演得到 β的值,得到的 β值在 0.99～1.2之間。計算過程中,處理后的樁間土承載力特征值按規(guī)范中提供的方法。取 1.2倍的天然地基土的承載力,單樁承載力特征值取三根試驗單樁承載力特征值的平均值。在此由于不能保證所取的樁的長度完全相同,但從實驗所得到的數(shù)據(jù)看,仍然可以得到一些有用的結(jié)果。

4 結(jié)束語

CFG樁的樁間土承載力折減系數(shù) β值所受影響因素較多,但其主要影響因素為樁間土的性質(zhì),樁端持力土層的性質(zhì),墊層厚度以及置換率。目前的取值主要依靠一些地方經(jīng)驗。在黃土地基中,從實驗數(shù)據(jù)看,對于規(guī)范中的取值,即使在計算樁間土承載力特征值時采用了比較保守的系數(shù),所采用的墊層厚度也比較大,所得到的 β值任然比規(guī)范中的值大。所以,在設計CFG樁復合地基時,在不同的工況下可適當結(jié)合經(jīng)濟和安全因素考慮,取合理的值。

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