路堤荷載下粉噴樁復(fù)合地基臨界樁長(zhǎng)的試驗(yàn)研究

吳 東

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

對(duì)于水泥土樁復(fù)合地基的臨界樁長(zhǎng)已經(jīng)有一些研究,如段繼偉、龔曉南等通過(guò)單樁和單樁帶臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)足尺寸試驗(yàn)和有限元分析,研究了水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律,得出其變形等主要集中在臨界樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的結(jié)論[1]；秦建慶等以水泥土樁單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)為原型,采用三維有限元進(jìn)行分析,得出水泥土樁復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng)[2]；張忠坤、殷宗澤等通過(guò)有限元分析,研究了樁土模量比及荷載分布情況對(duì)柔性樁臨界樁長(zhǎng)的影響,得出在路堤荷載作用下的樁體表現(xiàn)出臨界樁長(zhǎng)的結(jié)論[3]；吳慧明從3×3樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)中得到柔性樁復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng)的結(jié)論[4]；王祥通過(guò)廣珠準(zhǔn)高速鐵路軟土路堤粉噴樁試驗(yàn),認(rèn)為路堤荷載下粉噴樁復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng)[5]；馬海龍等研究了有效樁長(zhǎng)對(duì)承載力和模量的定量影響[6]；這些研究認(rèn)為水泥土樁復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng)。但是,在實(shí)際的工程中,有的水泥土樁可以把荷載傳遞到樁身25 m以下[7],似乎與前面的研究結(jié)果相矛盾。那么,粉噴樁復(fù)合地基是否總存在臨界樁長(zhǎng),本文通過(guò)兩個(gè)鐵路軟土路堤粉噴樁復(fù)合地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù),從變形的角度對(duì)此進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)概況及工程地質(zhì)概況[8-10]

1.1 廣珠準(zhǔn)高速鐵路軟土路堤試驗(yàn)段概況

廣(州)珠(海)準(zhǔn)高速鐵路及珠海港支線穿越廣泛沉積第四系松軟地層的珠江三角洲平原地帶。試驗(yàn)路堤段地勢(shì)平坦,場(chǎng)地及周圍遍布漁塘、稻田。第四系海陸相沉積層自上而下為：①～②黏土—軟黏土,厚14 m；③淤泥厚約12 m；④淤泥,厚5.5～17 m,⑤細(xì)砂、中砂夾黏土,厚2～7 m。

斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。粉噴樁試驗(yàn)斷面位置為DK122+410～DK122+450,路基面寬12 m,路堤中心實(shí)際填高7.0 m,埋設(shè)元件斷面軟土厚33 m。粉噴樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16 m,樁徑0.5 m,樁間距1.2 m,正三角形布置,置換率15.7％,噴灰量不少于45 kg/m。

1.2 高速鐵路試驗(yàn)段概況

試驗(yàn)工點(diǎn)屬太湖湖積平原,地形平坦。線路為雙線,路基面寬14.2 m,線間距5.0 m。采用梯形斷面,路堤中心實(shí)際填高5.57 m,路堤邊坡坡率為1∶1.5。

粉噴樁處理段里程為0+155～0+276.51,樁長(zhǎng)12.5～16.5 m,水泥摻入比15％,樁徑0.5 m,路肩處間距1.2 m,邊坡處間距1.4 m,排距為1.2 m,測(cè)試斷面樁長(zhǎng)12.7 m。

地層巖性自上而下分述如下：①黏土,厚2.8～3.1 m；②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,厚10.1～12.4 m；③-1,粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂,厚0～4.1 m,具中等壓縮性；③-2,黏土,厚0～8.1 m,呈透鏡體分布；其下為粉砂。

地基土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析見表2。

表1 廣珠試驗(yàn)斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 高速鐵路試驗(yàn)斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2 測(cè)試結(jié)果分析

地基的深層沉降采用分層沉降儀、通過(guò)埋設(shè)沉降磁環(huán),對(duì)地基不同深度的變形進(jìn)行觀測(cè)。具體過(guò)程詳見文獻(xiàn)[5，8，9]。

2.1 地表沉降及深層沉降隨荷載時(shí)間變化規(guī)律[5，9]

從廣珠試驗(yàn)結(jié)果可知,在路堤填高較低時(shí),沉降較小；當(dāng)路堤從5 m左右快速填筑至設(shè)計(jì)高程時(shí),處理區(qū)與未處理區(qū)的沉降速率均大為增加,拐點(diǎn)明顯。

從高速鐵路試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著荷載的增加,各深度的沉降也增加,加荷較快時(shí),沉降發(fā)生的也較快；路堤本體荷載填筑完成后,各深度沉降逐漸得到收斂。

從文獻(xiàn)[5，8，9]可知,兩個(gè)試驗(yàn)的沉降及深層沉降的發(fā)展規(guī)律相同,不同的是沉降的大小,廣珠試驗(yàn)地基的粉噴樁為懸浮樁,軟土也比高速鐵路試驗(yàn)段的深厚和強(qiáng)度低。因此,不論是加固區(qū)還是下臥層,其沉降比高速鐵路試驗(yàn)粉噴樁復(fù)合地基的沉降大得多。

2.2 各部分壓縮比值隨時(shí)間及荷載的變化

圖1為粉噴樁復(fù)合地基各部分壓縮比值隨時(shí)間及荷載的變化曲線。

圖1 粉噴樁復(fù)合地基各部分壓縮比值隨時(shí)間及荷載的變化曲線

圖1中的比值1曲線變化迥異。圖1(a)中比值1在加荷過(guò)程中變化較大,經(jīng)歷了從大至小、到大又變小的過(guò)程,其變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別是：極限填高(指未加固地基的臨界填筑高度,約3.7 m)、至5 m左右快速填筑時(shí)、進(jìn)入預(yù)壓期后。這說(shuō)明隨著荷載的增加,復(fù)合地基下部的壓縮速率加快；至極限填高時(shí)樁上部土體壓縮加快,至快速填筑時(shí)這種情況加劇,上、下部變形比值高達(dá)4.8左右。從整個(gè)觀測(cè)期來(lái)看,復(fù)合地基上部壓縮均大于下部壓縮,尤其在高應(yīng)力水平下更是如此。這表明該復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng),樁體的變形、軸力和側(cè)摩阻力主要集中在臨界樁長(zhǎng)內(nèi)的復(fù)合地基上,在較高應(yīng)力水平下,臨界樁長(zhǎng)內(nèi)的變形尤其顯著。

圖1(b)中比值1隨著荷載的增加變化較小,進(jìn)入路堤放置期后,比值基本保持不變,說(shuō)明進(jìn)入路堤放置期后,復(fù)合地基加固區(qū)的應(yīng)力傳遞調(diào)整基本完成。

從整個(gè)觀測(cè)期來(lái)看,粉噴樁復(fù)合地基加固區(qū)下部壓縮均大于上部壓縮,這可能與上部有硬殼層,土體性質(zhì)較好有關(guān)。因此,對(duì)于樁體打穿軟土層至相對(duì)硬層、樁體整樁強(qiáng)度較高且比較均勻的粉噴樁復(fù)合地基,并未見臨界樁長(zhǎng)現(xiàn)象出現(xiàn)。

從圖1(a)中比值2可以看出,處理區(qū)與未處理區(qū)的壓縮比值在填筑初期逐漸下降,說(shuō)明這期間的壓縮主要發(fā)生在處理區(qū),應(yīng)力集中在樁上。進(jìn)入預(yù)壓期約1個(gè)月后,兩者的比值已小于1,這說(shuō)明后期的壓縮主要由下臥層的壓縮引起。

從圖1(b)中比值2可以看出,粉噴樁復(fù)合地基加固區(qū)與下臥層的壓縮比值在填筑初期基本上是逐漸下降的,說(shuō)明這期間的下臥層的壓縮增加的比加固區(qū)的快,應(yīng)力向下臥層傳遞。至進(jìn)入路堤放置期后,比值基本保持不變,比值為4左右,這說(shuō)明本試驗(yàn)段粉噴樁復(fù)合地基的壓縮主要由加固區(qū)的壓縮變形引起,即使進(jìn)入路堤放置期后較長(zhǎng)時(shí)間也如此。這也與廣珠軟土路堤試驗(yàn)粉噴樁復(fù)合地基壓縮變形規(guī)律不同。

2.3 深層沉降沿深度的變化規(guī)律

圖2為粉噴樁復(fù)合地基沉降沿深度的變化曲線。從圖2(a)可知,隨著時(shí)間荷載的增加,各測(cè)點(diǎn)的沉降增加。在荷載較小時(shí),各測(cè)點(diǎn)的沉降分布呈線性減小；隨著荷載的增加,在接近樁底以下的土層沉降減小幅度增大。總體來(lái)看,廣珠試驗(yàn)段粉噴樁復(fù)合地基下臥層的沉降較大,至地表下25 m仍然有較大的沉降發(fā)生。

從圖2(b)中可以看出,隨著時(shí)間荷載的增加,各測(cè)點(diǎn)的沉降增加。路堤本體施工完成后,即進(jìn)入放置期后,各測(cè)點(diǎn)的沉降增加的很緩慢,說(shuō)明停止加荷后,沉降得到了收斂。粉噴樁復(fù)合地基土體的沉降在15 m有一個(gè)突變拐點(diǎn),在15 m以下土體沉降比其上有較大的減小,這一方面與粉噴樁復(fù)合地基加固區(qū)的應(yīng)力擴(kuò)散有關(guān),另一方面也與15 m正是軟土與其下相對(duì)硬層的分界,其下為相對(duì)硬層,壓縮模量較大有關(guān)。

圖3為粉噴樁加固區(qū)沉降沿深度的變化曲線。從圖中可以看出,隨著時(shí)間荷載的增加,兩個(gè)試驗(yàn)粉噴樁加固區(qū)各測(cè)點(diǎn)的沉降增加。路堤施工完成后,即荷載穩(wěn)定后,各測(cè)點(diǎn)的沉降增加的很緩慢,說(shuō)明停止加荷后,各測(cè)點(diǎn)的沉降得到了收斂。

圖2 粉噴樁復(fù)合地基沉降沿深度的變化曲線

圖3 粉噴樁復(fù)合地基加固區(qū)沉降沿深度的變化曲線

從圖3可以明顯看出,廣珠軟土路堤試驗(yàn)段粉噴樁加固區(qū)的沉降分布與高速鐵路試驗(yàn)段的有較大的差異。廣珠軟土路堤試驗(yàn)粉噴樁加固區(qū)上半部(0～8 m)的沉降沿深度的分布衰減的很快,尤其是在荷載水平較高時(shí)；而下部(8～16 m)沉降量較小,且沿深度的衰減比上部緩慢。高速鐵路試驗(yàn)粉噴樁加固區(qū)的沉降沿深度的分布基本相同,按照相同的斜率衰減。

這表明,對(duì)于廣珠軟土路堤試驗(yàn)粉噴樁復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng),其變形主要集中在臨界樁長(zhǎng)的范圍內(nèi)；而高速鐵路試驗(yàn)粉噴樁復(fù)合地基不存在臨界樁長(zhǎng),在加固區(qū)內(nèi)并未見沉降的突變現(xiàn)象發(fā)生。

3 原因分析

從有關(guān)研究中的相關(guān)資料可知,結(jié)論得出“攪拌樁不存在臨界樁長(zhǎng)”的大多樁體打穿軟土，樁體的質(zhì)量(強(qiáng)度)較好且比較均勻；而結(jié)論得出“存在臨界樁長(zhǎng)”的大多為樁體未打穿軟土，樁體下部的強(qiáng)度相對(duì)較低。文獻(xiàn)[1]中,粉噴樁樁長(zhǎng)12.5～15 m,表層黏土加淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土加淤泥深度為21.47 m,樁身強(qiáng)度沿深度呈明顯的衰減趨勢(shì)；文獻(xiàn)[2]中,粉噴樁樁長(zhǎng)10 m,表層為素植土及粉質(zhì)黏土共4.3 m,其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾砂6.2 m,淤泥質(zhì)黏土11.5～13 m,因此樁底下為淤泥質(zhì)黏土；文獻(xiàn)[4]中,土層除了表層為根植土及黏土外,其下為淤泥質(zhì)黏土和淤泥,樁底下為深厚軟土；廣珠軟土路堤試驗(yàn)中樁底下同樣為深厚軟土；文獻(xiàn)[6]中,水泥土樁樁長(zhǎng)3～7 m,清除第(1)、(2)層后,(3-1)層4.7～10.45 m、(3-2)層3.75～11.15 m,樁體底下為軟土；文獻(xiàn)[11]樁長(zhǎng)為6 m,表層3 m為粉質(zhì)黏土,其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚約10.1 m,樁底下為軟土。而文獻(xiàn)[7]中,樁長(zhǎng)27 m,打穿了軟土層,且樁身下部水泥土強(qiáng)度也有保證。

另外,有些文獻(xiàn)采用載荷試驗(yàn)得出粉噴樁的有效樁長(zhǎng)[12],由于載荷試驗(yàn)的影響深度有限,結(jié)論可能并不具有說(shuō)服力。

4 結(jié)論

在論文試驗(yàn)的條件下,從變形角度,得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)兩個(gè)鐵路軟土路堤粉噴樁復(fù)合地基試驗(yàn)可知,對(duì)于樁體下部強(qiáng)度較低、樁體以下存在軟弱下臥層的粉噴樁復(fù)合地基存在臨界樁長(zhǎng),而對(duì)于樁體整體強(qiáng)度比較均勻,樁體打穿軟土層至相對(duì)硬層的粉噴樁復(fù)合地基,不存在臨界樁長(zhǎng)。

(2)臨界樁長(zhǎng)的確定對(duì)粉噴樁復(fù)合地基的應(yīng)用意義較大,在常規(guī)的水泥摻入比、樁徑等條件下,粉噴樁復(fù)合地基的臨界樁長(zhǎng)并非總是存在,其存在與否與地質(zhì)條件、粉噴樁樁身強(qiáng)度的分布、樁體是否打穿軟土層等因素有關(guān)。這就要求設(shè)計(jì)者在進(jìn)行粉噴樁設(shè)計(jì)時(shí),要考慮這些因素,根據(jù)具體的工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì),才能取得較為滿意的處理效果。

(3)臨界樁長(zhǎng)的影響因素較多,本文的結(jié)論是否具有普遍意義,有待進(jìn)一步的驗(yàn)證研究。

致謝：

試驗(yàn)工作由鐵四院、同濟(jì)大學(xué)、中鐵二十局集團(tuán)有限公司等共同完成,對(duì)參加試驗(yàn)的所有人員表示衷心感謝!

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