攪拌樁復合地基加固軟土地基的工程應用

尹禮文

[摘要]通過現(xiàn)場復合地基靜載荷試驗和樁土應力比的測試,研究了水泥土復合地基樁距拉大以后的承載性狀和樁土應力比。試驗結果表明:復合地基在樁間距離拉大以后,其承載力可以滿足要求,并形成“加筋墊層”,有效擴散應力,使沉降變形減小;樁土應力分布合理,使樁和土體各部分的承載潛能均可以得到較好地發(fā)揮。根據以上復合地基的承載變形機理提出了加固區(qū)沉降采用復合模量法和下臥層采用應力擴散法的組合計算方法。

1工程概況

本工程背景是江蘇省某小區(qū)的軟土地基處理,上部為6棟多層商品房。采用深層攪拌樁加固軟土,水泥攪拌樁的樁徑為d=700mm,樁長為L=12000mm,水泥摻合比為18%,置換率為14·5%,樁距為1.8m和1.85m兩種,正方形布置。常規(guī)攪拌樁復合地基的樁距s≤2d(d為樁徑),此復合地基的樁距S=(2.57~2.64)d(d為樁徑),屬于樁距比較大的情況,而且在本地區(qū)采用此地基處理方法的工程很少,缺少足夠的實測資料和工程設計經驗,設計院、建設單位對此種方法的應用也是比較慎重,為此有必要進行地基處理效果的測試,以便能夠了解復合地基在荷載作用下其承載力、沉降變形、樁與土的應力分布特征和樁土應力比。根據工程實際情況,選取四處水泥攪拌樁復合地基進行基底壓力測試,其中兩處為雙樁荷載板BC2和BB2,兩處為單樁荷載板BC4和BB4,在四處荷載板底下均埋有17個壓力盒。

本工程的地質條件參數見表1。

表1江蘇省某小區(qū)地基土性能指標

注:該場地地下水屬地表潛水,其水位受雨水影響較大

圖1 雙樁BC2荷載板底壓力盒布置圖（mm）圖2 雙樁BB2荷載板底壓力盒布置圖（mm）

本工程復合地基加固后的設計承載力對A、B1、C1、C2棟樓為130kPa,D棟樓為110kPa;單樁承載力為250kPa。試驗選擇了14個試驗點進行了靜荷載測試,試驗總數為17根樁,其中A棟樓做了2組單樁復合地基、2根單樁試驗,B1、C1、C樓做了單樁復合地基和雙樁復合地基各1組,B、D棟樓各試驗了2組單樁復合地基,試驗樁的位置和數量由建設、設計部門確定。在以上靜荷載試驗樁中同時進行2根單樁復合地基BC4、BB和2根雙樁復合地基BB2、BC2的樁土應力測試。載荷板底土壓力盒布置如圖1、2、3所示。

圖3 雙樁BB4、BC4荷載板底壓力盒布置圖（mm）

2試驗結果

現(xiàn)場靜載試驗實測數據整理如表2。

表2水泥攪拌樁復合地基與單樁荷載試驗結果

由試驗結果可以看出,復合地基在各級荷載作用下承載力能夠滿足工程設計要求,這主要是由于樁距拉大以后,復合地基的樁間應力互不干擾,樁側摩阻力能夠得到充分的發(fā)揮;另外，樁長L=12m,在“臨界樁長”范圍內,有利于樁側摩阻力較好地發(fā)揮。原來設計的樁徑取為600mm,修改后為700mm,樁的側面積由22.6m2增加到26.4m2,提高了側摩阻力,形成較堅實的加筋復合墊層,故承載力能得到較好地發(fā)揮。

表3樁土應力比及樁體與樁間土荷載平均值

表3為樁土應力比及樁體與樁間土荷載平均值。由表3可以看出復合地基的樁土應力比在各級荷載時有較大的離散性。這主要是由于試驗的荷載板下的水泥土樁的齡期都不相同,荷載板BC2和BC4下的樁齡期僅有28d，荷載板BB2下樁的齡期已經達到40d,而荷載板BB4下的樁才剛達到28d齡期,并且荷載板偏心受荷也會有影響。但是整個加荷期間的平均樁土應力比n=8.76，整個卸荷期間的平均樁土應力比n=9.57，它們都是很好的分布值。說明水泥上攪拌樁體成樁質量較好,卸荷回彈的彈性變形量較大,其樁土應力比才更大,故在卸荷后水泥土樁體可以多分擔上部結構荷載。由此可以看出當復合地基的樁距拉大以后,樁土應力比的分布較為合理,使樁和土體各部分的承載潛能均可以得到較好地發(fā)揮。

從現(xiàn)場荷載試驗沉降結果可以看出,當攪拌樁復合地基的樁距拉大以后,復合地基的沉降要小很多。對于樁距拉大以后的復合地基,其設計時以攪拌樁的“有效樁長”作為控制加固區(qū)深度及樁長的主要依據,此時樁體應力相互影響疊加現(xiàn)象不明顯,樁側摩阻力能得到較好地發(fā)揮。使復合地基在加固區(qū)范圍內形成一個較厚的“加筋墊層”,導致上部結構荷載在地基中產生的附加應力隨深度衰減很快,形成了上硬下軟的雙層地基,從而可以有效減小復合地基的沉降。

3復合地基的沉降計算

根據本工程對大樁距復合地基的實測資料分析可以知道，大樁距復合地基在上部荷載的作用之下，沉降很小，待主體竣工和裝修結束以后，沉降僅為20mm，說明大樁距復合地基加固層自身的沉降得到減小，并使向下傳遞的附加應力擴散較大，才導致了沉降大大減小。

由其沉降特點將大樁距復合地基近似看作一個雙層地基，復合地基的加固區(qū)類似于地基下臥層頂面上的硬表層一“加筋墊層”。當上部荷載作用時，在復合地基的加固區(qū)范圍內會形成一個上硬下軟的雙層地基，并將發(fā)生顯著的應力擴散現(xiàn)象，從而導致沉降大大減小。

因此，在計算大樁距復合地基沉降變形時可以采用類似雙層地基的計算模式，其沉降變形分為二部分，上部加固區(qū)的沉降變形為s1，加固區(qū)下部的下臥層沉降變形為s2。沉降計算時采用兩部分沉降量的疊加，即s=s1+s2。

為了簡化計算，采用彈性變形理論利用復合模量法進行加固區(qū)的沉降計算。具體計算公式如下：

式中,－作用與大樁距復合地基表面的荷載，kPa；

－大樁距復合地基加固區(qū)與下臥層交界處的附加應力，kPa；

－加固區(qū)樁體長度，m；

－大樁距復合地基加固區(qū)的復合模量，MPa。

對于大樁距復合地基下臥層的沉降計算則采用應力擴散法，當按雙層地基理論計算出下臥層頂面上的附加應力后，即按分層總和法公式進行計算：

式中,－根據第分層的自重應力平均值從土的壓縮曲線上得到的相應的孔隙比；

、－分別為第分層土層底面處和頂面處的自重應力；

－根據第分層自重應力平均值與附加應力平均值 之和，從土的壓縮曲線上得到的相應的孔隙比；

、－分別為第分層土層底面和頂面處的附加應力；

－第分層土的厚度；

－第分層土的壓縮系數；

－第分層土的壓縮模量。

以上計算方法中對復合地基加固區(qū)采用復合模量法計算；對下臥層沉降則采用應力擴散法。

本工程計算復合地基沉降變形時對樁體泊松比統(tǒng)一采用,線彈性土體模型的壓縮模量取值為=3Mpa,土體泊松比為0.3,樁側摩阻力根據工程勘測報告取為qs=18kPa,復合地基沉降計算結果如表4。

表4復合地基沉降計算結果

計算沉降的方法 加固區(qū)復合模量法 下臥層應力擴散法 加固區(qū)與下臥層沉降之和

沉降(mm) 30.2 29.63 59.83

由于復合地基上層加固區(qū)的變形使樁身和土體協(xié)調變形，共同承擔上部荷載的，因此，其變形是樁與土體相互作用后的共同變形。對加固區(qū)采用復合模量法從理論上講是合理的的。

復合地基下臥層應力擴散法比較符合復合地基受力變形時的工作性狀，反映了復合地基中的應力擴散作用，因而，其計算結果較為合理。因此，對大樁距復合地基采用復合模量法計算加固區(qū)沉降和采用應力擴散法計算下臥層沉降是較為合理的，與實測結果誤差較小。

4結論

（1）通過復合地基靜荷載試驗及土壓力測試結果表明當復合地基中攪拌樁間距拉大后，復合地基形成了“加筋墊層”與剛性基礎形成的復合剛度體系可以有效的擴散應力,從而減少沉降。

（2）樁土應力測試結果表明其樁土應力比分布范圍是8～10之間。

（3）對復合地基的加固區(qū)采用復合模量法及下臥層采用應力擴散法計算其總沉降量比較符合復合地基受力變形時的工作性狀，反映了復合地基中的應力擴散作用，因而，其計算結果較為合理。

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