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)，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。

2 測(cè)試儀器布設(shè)結(jié)果分析

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

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1 樁、土壓應(yīng)力變化分析

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)。

3.2 樁土應(yīng)力比分析

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

3.3 樁土應(yīng)力比隨沉降變化關(guān)系

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

4 結(jié)論

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。

[1]馬時(shí)冬.水泥攪拌樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比測(cè)試研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2002(2):48-51.

[2]郭忠賢，楊志紅，王占雷.夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的研究[J].工程勘察，2006(6):10-13.

[3]朱奎，吳冬虎，邵少鋒，等.剛—柔性樁復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)探討[J].鐵道建筑，2006(5):67-70.

[4]方磊，謝永利.柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基樁土應(yīng)力比模型試驗(yàn)研究[J].華東公路，2004(5):64-66.

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)