郭增強(qiáng),趙有明,付兵先
(1.中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081;2.石家莊鐵道學(xué)院,石家莊 050043)
水泥攪拌樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析
郭增強(qiáng)1,2,趙有明1,付兵先1
(1.中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081;2.石家莊鐵道學(xué)院,石家莊 050043)
樁土應(yīng)力比是攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)、施工時(shí)的重要控制參數(shù)。根據(jù)公路路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析帶格柵褥墊層不同位置處攪拌樁樁頂及樁間土的應(yīng)力變化、樁頂和樁間土的沉降規(guī)律,總結(jié)了路堤施工過程荷載的傳遞規(guī)律,對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)和施工提出了具體建議。
水泥攪拌樁 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 樁土應(yīng)力比
目前在確定水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力時(shí),樁土應(yīng)力比取值的變化范圍比較大,而樁土應(yīng)力比的影響因素又很多,在具體工程中較難明確樁土應(yīng)力比的取值,在工程實(shí)踐中開展樁土應(yīng)力比針對(duì)性的試驗(yàn)研究是非常有必要的。
在路基中線位置埋設(shè)了兩層共6個(gè)靜土壓力盒(每層3個(gè))。下層在攪拌樁頂埋設(shè)2個(gè)土壓力盒,在與樁頂高程相同的樁間土處設(shè)置一個(gè)。鋪設(shè)一層30 cm細(xì)砂及一層CATT60鋼塑格柵后埋設(shè)上層靜土壓力盒,位置與下層靜土壓力盒在同一斷面,如圖2所示。樁的壓應(yīng)力用樁頂位置處土壓力盒的量測(cè)值表示。
圖2 靜土壓力盒埋設(shè)示意
隨著施工的進(jìn)展,路堤荷載逐漸增大,樁、樁間土壓應(yīng)力變化如圖3所示。
圖3 各測(cè)點(diǎn)樁、土壓力變化曲線
1)隨著路堤填筑高度的增加,不同位置處的靜土壓應(yīng)力均有較大幅度的增長,其中以格柵下A樁頂壓應(yīng)力的增幅為最大。
2)格柵上樁頂與樁間土的應(yīng)力增幅相關(guān)不大,由于加筋土工格柵墊層的張拉膜作用,格柵下樁頂應(yīng)力增幅遠(yuǎn)大于樁間土應(yīng)力增幅,而格柵下樁間土應(yīng)力增幅小于格柵上樁間土應(yīng)力增幅。
3)每次加載后,格柵下樁頂應(yīng)力與樁間土應(yīng)力都存在一個(gè)增長再衰減的過程,且樁頂應(yīng)力的變化比樁間土應(yīng)力的變化要大。應(yīng)力增長是荷載增大作用的結(jié)果,應(yīng)力衰減則原因復(fù)雜,一是顆粒性填料內(nèi)部的應(yīng)力變化有一個(gè)調(diào)整過程,另外由于樁間土沉降增大引起土工格柵的拉應(yīng)力增大,其加筋作用增強(qiáng),從而使上覆路基荷載的應(yīng)力向樁頂轉(zhuǎn)移。所以在沉降變形較小時(shí),鋼塑土工格柵就可以發(fā)揮較好的加筋作用。另外,樁身變形模量遠(yuǎn)大于樁間土變形模量,在外部荷載的影響下其應(yīng)力的變化要遠(yuǎn)大于樁間土的應(yīng)力變化。
4)相對(duì)于格柵下樁土應(yīng)力的變化來說,格柵上樁土應(yīng)力的變化較穩(wěn)定。
5)在等載階段,由于雨水的影響,不同位置處的靜土壓力均有較小的變化。由于樁間土排水固結(jié)作用,土體的強(qiáng)度不斷加強(qiáng),樁間土應(yīng)力也緩慢地上升,表現(xiàn)為應(yīng)變硬化??傮w上樁土應(yīng)力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
格柵下樁土應(yīng)力比曲線如圖4所示。
1)格柵下A攪拌樁的樁土應(yīng)力比大于B攪拌樁的樁土應(yīng)力比,但兩條樁土應(yīng)力比曲線的變化趨勢(shì)一致。
圖4 格柵下樁土應(yīng)力比變化曲線
2)在路堤填筑高度較低時(shí),樁土應(yīng)力比較小。填筑1.6 m高后,樁土應(yīng)力比隨路基填高增加而迅速增大,在填筑高度2.48 m時(shí)達(dá)到一個(gè)小的峰值,此時(shí)樁土應(yīng)力比分別為19.4和9.3,隨后樁土應(yīng)力比以較快速率下降,一直到填筑高度4 m時(shí)樁土應(yīng)力比才逐漸增加,并于一段時(shí)間后達(dá)到另外一個(gè)峰值,此時(shí)樁土應(yīng)力比分別為23.4和12.0。樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律反映了在加載過程中樁土應(yīng)力傳遞的性狀。在加載初期,由于荷載較小,路基沉降量也較小,加筋墊層的作用尚未發(fā)揮出來,此時(shí)樁土應(yīng)力增幅基本相同,樁土應(yīng)力比較小。當(dāng)路基填筑到1.6 m高度時(shí),隨著路基沉降量的增加,加筋墊層的作用得到一定程度的發(fā)揮,樁身由于變形模量較大,其應(yīng)力增加很快,樁土應(yīng)力比迅速增大。在填筑高度達(dá)2.48 m時(shí),在荷載的作用下,樁體產(chǎn)生了變形及下沉,造成樁間土應(yīng)力增長的速率大于樁頂應(yīng)力增長,樁土應(yīng)力比相應(yīng)地有所降低。但隨著樁體的變形及下沉,樁側(cè)摩阻力不斷增大,樁的承載力也不斷增大,此時(shí),隨著路基沉降的增大,土工格柵的拉應(yīng)力增加,加筋墊層的作用進(jìn)一步發(fā)揮,樁頂應(yīng)力增長的速率加快,樁土應(yīng)力比表現(xiàn)為上升。在超載預(yù)壓一段時(shí)間后,由于樁間土應(yīng)變硬化的作用,樁土應(yīng)力比緩慢下降。
3)格柵下A樁和B樁的樁土應(yīng)力比相差較大,按照超載預(yù)壓后期A樁和B樁的平均樁土應(yīng)力比等于20.4計(jì)算,樁頂平均應(yīng)力為428.7 kPa,樁間土平均應(yīng)力為21.0 kPa,反算得到的填筑高度為6.26 m,與實(shí)際填筑高度4.16 m不符。按照B樁的樁土應(yīng)力比等于10.5計(jì)算,樁頂平均應(yīng)力為220.8 kPa,樁間土平均應(yīng)力為21.0 kPa,反算得到的填筑高度為3.7 m,考慮到格柵的應(yīng)力擴(kuò)散作用,反算得到的填筑高度是比較合理的結(jié)果,因此,格柵下樁土應(yīng)力比B樁為10.0左右是比較合理的。此時(shí),格柵下樁土荷載比為2.80,樁頂荷載為46.3 kN,與攪拌樁設(shè)計(jì)承載力100 kN相差甚遠(yuǎn)。土工格柵上側(cè)(相當(dāng)于無土工格柵時(shí))A樁和B樁平均樁土應(yīng)力比為1.1,樁土荷載比0.29,樁頂荷載為12.4 kN。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知,加筋墊層向每根樁轉(zhuǎn)移荷載33.1 kN,占樁頂荷載的71.5%??梢姡捎谕凉靶?yīng)及拉膜效應(yīng)的雙重作用,加筋墊層復(fù)合地基樁土受力的作用非常明顯。因此,為了減小墊層的厚度,同時(shí)又能起到協(xié)調(diào)變形的作用,必須在墊層中鋪設(shè)相應(yīng)剛度的土工格柵。
格柵上樁土應(yīng)力比曲線如圖5所示。樁土應(yīng)力比的變化過程比較簡單。在加載階段,格柵上樁土應(yīng)力比隨荷載的增加有較小幅度的增加,在一次性加載1.38 m填料時(shí),樁土應(yīng)力比并沒有明顯的上升,而是在經(jīng)過較小的增長后轉(zhuǎn)入緩慢下降階段。這是由于樁身強(qiáng)度比樁間土高,因此在加載期間樁土應(yīng)力比不斷上升,而在等載階段,隨著樁間土強(qiáng)度的不斷增加,樁土應(yīng)力比表現(xiàn)為緩慢下降。
圖5 格柵上樁土應(yīng)力比變化曲線
樁土應(yīng)力比曲線與沉降曲線關(guān)系如圖6所示。樁土應(yīng)力比與沉降有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在加載期間,樁土應(yīng)力比基本隨沉降的增大而增加。在格柵下樁土應(yīng)力比達(dá)到第一個(gè)峰值并不斷下降期間,樁身和樁間土壓縮變形速率較大,也就是樁側(cè)摩阻力迅速增大的階段,正是樁土發(fā)生相對(duì)位移使樁的承載力提高,導(dǎo)致樁土應(yīng)力重新分配才出現(xiàn)了樁土應(yīng)力比的第一個(gè)峰值。在等載預(yù)壓的前期,沉降速率較大,樁土應(yīng)力比則表現(xiàn)為緩慢上升,隨著沉降的增加,樁間土在應(yīng)變硬化的作用下,承受的應(yīng)力越來越大,樁土應(yīng)力比也隨之逐漸減小。此外,樁頂沉降量與樁間土沉降量基本一致的現(xiàn)象反映出墊層的剛性較大,這是由于鋼塑土工格柵的加筋作用明顯,提高了墊層剛度的結(jié)果。
圖6 樁土應(yīng)力比曲線、沉降曲線
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得到以下結(jié)論:樁土應(yīng)力比隨填筑高度的增大而增大。預(yù)壓期,總體上樁土應(yīng)力比隨時(shí)間增加而增大;格柵下部的樁土應(yīng)力比大于格柵上部的樁土應(yīng)力比,說明了復(fù)合地基加筋墊層協(xié)調(diào)樁土荷載比的作用非常明顯;格柵上、下的樁土應(yīng)力比相差很大,復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用格柵下部的樁土應(yīng)力比;樁頂設(shè)置強(qiáng)度較高的土工格柵時(shí),建議攪拌樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比取值約為10,樁土荷載比約為3.46;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí),采用受壓面積較大的土壓力盒測(cè)試樁土應(yīng)力比效果較好。
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TU472.3+6
B
1003-1995(2010)05-0093-03
1 工程概況
廣東佛山環(huán)市高等級(jí)公路路基寬度120~150 m,路堤設(shè)計(jì)高度為2.0~4.5 m。沿線遍布軟土地基,試驗(yàn)段地層主要由第四系填土層和沖積層組成。軟土層(淤泥、淤泥質(zhì)土等)厚度約7.5~10.0 m,部分路段軟土層夾薄砂層較多或含砂量較大,軟土有機(jī)質(zhì)含量較少,約1.34% ~2.65%,軟土層下普遍下臥砂層,必須進(jìn)行軟基加固處理。試驗(yàn)段采用攪拌樁復(fù)合地基(如圖1所示),攪拌樁設(shè)計(jì)長度為10 m,以穿透軟土層進(jìn)入硬土層0.5 m為準(zhǔn),按梅花形布樁,間距為1.2 m,樁身直徑為 50 cm,采用P.O32.5水泥,用灰量 50 kg/m。攪拌樁采用噴漿法施工,四噴四攪成樁,下沉、提升速度不大于0.8 m/min,每根樁施工時(shí)間不小于40 min,水灰比根據(jù)工藝性試樁確定為0.63。樁頂填筑30 cm細(xì)砂后鋪設(shè)一層CATT60-60鋼塑土工格柵。路堤填筑采用細(xì)砂,采用薄層輪加法,每層壓實(shí)厚度不超過50 cm。
圖1 攪拌樁施工示意(單位:m)
2010-01-20;修回日期:2010-02-25 作者簡介:郭增強(qiáng)(1970— ),男,河北石家莊人,博士研究生。
(責(zé)任審編 王 紅)