探討CFG復合地基中的褥墊層技術

趙伯霖 曲志明

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即Cement Flying-ash Gravel pile)。如圖1所示,它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結強度樁,和樁間土、褥墊層一起形成復合地基。CFG樁復合地基技術已在全國廣泛應用,大幅度提高地基承載力,具有適用范圍廣,施工方便,造價低等特點。褥墊層技術是CFG樁復合地基的一個核心技術。本文研究其作用機理,討論其厚度大小對樁土產生的影響,結合實例,利用推倒公式來確定褥墊層厚度。

1 褥墊層的作用

1.1 使樁與土共同作用承擔荷載

CFG樁的工作原理是在受荷載的作用下,通過褥墊層調整樁土之間的分擔比例,使地基與樁共同受力,充分發揮樁間土與樁的承載能力,從而使地基提高承載力和減小地基基礎的沉降。

對于由摩擦樁構成的樁基,其基礎下面不設置褥墊層。當給定荷載時,承臺與樁基承受較多的荷載,隨著時間的增長,承臺與樁基不斷沉降,荷載逐漸轉向承臺下面的土體。承臺與樁基承受的荷載隨著時間的增加而減小,土體承擔的荷載隨著時間增加而增加,荷載逐漸向土體轉移。

對于CFG樁復合地基,其基礎下面設置褥墊層,樁可以向上刺入褥墊層,在這一變化過程中,墊層材料不斷調整補充到樁間土上,樁間土表面的變化不斷增加,但是樁和土的荷載不隨時間變化而變化。

1.2 調整樁土荷載分擔比

1)調整樁和樁間土的垂直荷載分擔比。復合地基樁、土的垂直荷載的分擔比可以用樁、土應力比 n表示:

其中,σp為CFG樁樁頂應力,kPa;σs為樁間土應力,kPa。

也可以用樁、樁間土荷載分擔比 δp,δs來表示:

其中,P為總的垂直荷載,kN;Pp為樁承擔的荷載,kN;Ps為樁間土承擔的荷載,kN。

用A表示基礎底面積,Ap表示樁的總橫截面積,As表示基底下樁間土總橫截面積,當面積置換率 m=Ap/A確定后,樁、土荷載分擔比和樁、土應力比可互換,其表達式如下:

當測定樁、土荷載分擔比 δp,δs以后,可以求得樁頂應力:

樁間土應力為:

則樁土應力比n:

式(6)為用樁、土荷載分擔比表示的樁土應力分擔比表達式,也可以用樁土應力比 n來表示樁土荷載分擔比δp,δs。

當褥墊層厚度 h=0時,樁土應力比很大,樁分擔荷載非常大。當褥墊層厚度很大時,樁土應力比接近于1。如表1所示,以樁長為 2.25 m,樁徑為 16 cm,荷載板為 1.05 m×1.05 m為例,得出在不同荷載和不同褥墊層厚度樁的荷載分擔比。可以看出,褥墊層厚度與樁間土應力成反比,荷載與樁間土應力成正比。由此可見,CFG樁復合地基中的褥墊層厚度與樁土荷載分擔比聯系十分緊密。

表1 不同荷載和不同褥墊層厚度樁的荷載分擔比 %

2)調整樁和樁間土水平荷載分擔比。CFG在承擔水平荷載時,褥墊層的厚度也影響著樁和樁間土荷載的分擔。當褥墊層厚度h=0時,基礎受垂直荷載P和水平荷載Q作用,在基礎無埋深的條件下,傳到樁上的水平荷載為 Qp,傳到樁間土上的水平力為Qs,并且下式成立:

其中,Ps為樁間土分擔的荷載,kN;μ為基礎和土之間的摩擦系數,其值在0.25～0.45之間。

1.3 減小基礎底面的應力集中

當褥墊層厚度h=0時,樁對地基底面的應力集中很明顯,需要考慮樁對基礎的沖切破壞。當褥墊層厚度h逐漸增大時,基礎底面產生的應力集中逐漸降低。

我們用β來表示樁頂對應的基礎底面測得的應力與樁間土對應的基礎底面測得的反力之比,β與褥墊層h的關系如圖2所示。當0 cm＜h＜10 cm時,樁對基礎底面的應力集中現象迅速減弱;當10 cm＜h＜30 cm時,應力集中現象緩和減弱;當 h=30 cm時,β值處于很小的狀態。

2 褥墊層的合理厚度分析

對于中高靈敏土,應適當加大褥墊層的厚度,防止褥墊層施工時造成橡皮土。1)對于承載力較高的硬土層,承載力較低的樁間土,褥墊層厚度適當減小,使樁承擔更多的荷載。承載力較高的樁間土應增大褥墊層厚度,以讓樁間土分擔荷載。2)置換率小,則單樁承擔荷載大,為發揮樁間土的承載作用褥墊層應適當加厚,反之降低。

從褥墊層的受力機理導出褥墊層厚度公式。取樁頂直徑與樁相等,高度為h的褥墊層土柱為隔離體對象。由于在褥墊層頂面處隔離體與周圍褥墊層沉降變形同步,隔離體側面所受的側摩阻力為零,而在褥墊層底面處隔離體與其周圍褥墊層差異沉降最大,則側摩阻力最大,極限值為(σ0+γ h)kphtanφ。隔離體側面所受的摩阻力方向向下,設摩阻力按線性分布,則隔離體所受的側摩阻力為其中,

當褥墊層頂面處荷載均勻分布時,褥墊層厚度計算公式為:

其中,h為褥墊層厚度;σ0為均布荷載;φ為內摩擦角;γ為重度;d為樁徑;m為置換率;n為樁頂面處樁土應力比。

實例分析,某工程剛性樁直徑 d=0.50 m,樁長為6.0 m,樁頂面處樁土應力比n=4,置換率 m=0.156,內摩擦角 φ=30°,樁間距為1.2 m梅花形布樁。根據褥墊層厚度公式h=25 cm。根據具體的施工地質條件一般選擇褥墊層厚度為28 cm。

3 褥墊層施工工藝及質量控制

在CFG樁復合地基中,為了使樁體充分刺入褥墊層,從而發揮褥墊層的作用,樁頭部分應具有和樁體一樣的剛度甚至超過樁體的剛度。但目前由于施工工藝的局限性,CFG樁樁頂1 m左右長度的樁體密實度較小,為了保證樁體完全刺入褥墊層,我們可以將此部分挖除,或者用碾壓和夯實的方法使之密實,然后再進行褥墊層的鋪設。當CFG樁施工完畢后,需等7 d自然養護,樁體才能達到一定的強度,這時才能進行樁頭處理。必要時樁頭需要進行澆水和加蓋草簾處理。樁頭和樁體養護完之后,進行褥墊層的鋪設,為了給上部荷載在褥墊層中作用的應力有足夠的空間,應使褥墊層寬度比樁外壁寬,同時為了充分發揮褥墊層減小集中應力的作用,應用平板振動器對褥墊層振動密實。

褥墊層施工質量控制對CFG樁復合地基的質量至關重要,不合理的施工工藝將造成重大的質量問題,甚至導致質量事故。在深入了解當地的地質情況下,才能選擇合理的施工工藝。

1)褥墊層材料宜采用砂石或碎石,不宜采用天然砂卵石。2)樁間土為中高靈敏度土時,宜進行靜壓密實,不得進行振動夯實。3)褥墊層鋪設保證樁體嵌入其30 mm～50 mm。4)在施工前,必須將樁間浮土清除干凈,褥墊層底面若深度不同,搭接處按先深后淺的順序進行夯壓密實。5)褥墊層分段施工時,接頭外做成斜坡,每層錯開0.5 m～1.0 m并夯壓密實。

4 結語

通過對CFG復合地基中的褥墊層作用的探討,表明褥墊層技術是CFG樁復合地基的重要技術。褥墊層可以調節樁土分擔比,減小應力集中,從而保證樁體與樁間土構成復合地基。合理的設置褥墊層厚度可以提高復合地基的承載力和減少沉降變形。褥墊層能否產生應有作用的關鍵:1)褥墊層厚度的確定;2)施工質量控制。在進行褥墊層施工時,根據復合地基的置換率及樁間土的性質進行具體設計確定。由于實際情況比較復雜,工程技術人員應權衡各個條件因素才能降低工程造價,從而更好的發揮褥墊層的效果。

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