攪拌樁復(fù)合地基加固軟土地基的工程應(yīng)用

尹禮文

[摘要]通過現(xiàn)場復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和樁土應(yīng)力比的測試,研究了水泥土復(fù)合地基樁距拉大以后的承載性狀和樁土應(yīng)力比。試驗(yàn)結(jié)果表明:復(fù)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(kuò)散應(yīng)力,使沉降變形減小;樁土應(yīng)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(jù)以上復(fù)合地基的承載變形機(jī)理提出了加固區(qū)沉降采用復(fù)合模量法和下臥層采用應(yīng)力擴(kuò)散法的組合計(jì)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(fù)合地基的樁距s≤2d(d為樁徑),此復(fù)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(shí)測資料和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)院、建設(shè)單位對此種方法的應(yīng)用也是比較慎重,為此有必要進(jìn)行地基處理效果的測試,以便能夠了解復(fù)合地基在荷載作用下其承載力、沉降變形、樁與土的應(yīng)力分布特征和樁土應(yīng)力比。根據(jù)工程實(shí)際情況,選取四處水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)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(gè)壓力盒。

本工程的地質(zhì)條件參數(shù)見表1。

表1江蘇省某小區(qū)地基土性能指標(biāo)

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(fù)合地基加固后的設(shè)計(jì)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(yàn)選擇了14個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了靜荷載測試,試驗(yàn)總數(shù)為17根樁,其中A棟樓做了2組單樁復(fù)合地基、2根單樁試驗(yàn),B1、C1、C樓做了單樁復(fù)合地基和雙樁復(fù)合地基各1組,B、D棟樓各試驗(yàn)了2組單樁復(fù)合地基,試驗(yàn)樁的位置和數(shù)量由建設(shè)、設(shè)計(jì)部門確定。在以上靜荷載試驗(yàn)樁中同時(shí)進(jìn)行2根單樁復(fù)合地基BC4、BB和2根雙樁復(fù)合地基BB2、BC2的樁土應(yīng)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(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場靜載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)整理如表2。

表2水泥攪拌樁復(fù)合地基與單樁荷載試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,復(fù)合地基在各級荷載作用下承載力能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求,這主要是由于樁距拉大以后,復(fù)合地基的樁間應(yīng)力互不干擾,樁側(cè)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(nèi),有利于樁側(cè)摩阻力較好地發(fā)揮。原來設(shè)計(jì)的樁徑取為600mm,修改后為700mm,樁的側(cè)面積由22.6m2增加到26.4m2,提高了側(cè)摩阻力,形成較堅(jiān)實(shí)的加筋復(fù)合墊層,故承載力能得到較好地發(fā)揮。

表3樁土應(yīng)力比及樁體與樁間土荷載平均值

表3為樁土應(yīng)力比及樁體與樁間土荷載平均值。由表3可以看出復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比在各級荷載時(shí)有較大的離散性。這主要是由于試驗(yàn)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(jīng)達(dá)到40d,而荷載板BB4下的樁才剛達(dá)到28d齡期,并且荷載板偏心受荷也會(huì)有影響。但是整個(gè)加荷期間的平均樁土應(yīng)力比n=8.76，整個(gè)卸荷期間的平均樁土應(yīng)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(zhì)量較好,卸荷回彈的彈性變形量較大,其樁土應(yīng)力比才更大,故在卸荷后水泥土樁體可以多分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。由此可以看出當(dāng)復(fù)合地基的樁距拉大以后,樁土應(yīng)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(yàn)沉降結(jié)果可以看出,當(dāng)攪拌樁復(fù)合地基的樁距拉大以后,復(fù)合地基的沉降要小很多。對于樁距拉大以后的復(fù)合地基,其設(shè)計(jì)時(shí)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(jù),此時(shí)樁體應(yīng)力相互影響疊加現(xiàn)象不明顯,樁側(cè)摩阻力能得到較好地發(fā)揮。使復(fù)合地基在加固區(qū)范圍內(nèi)形成一個(gè)較厚的“加筋墊層”,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)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(fù)合地基的沉降。

3復(fù)合地基的沉降計(jì)算

根據(jù)本工程對大樁距復(fù)合地基的實(shí)測資料分析可以知道，大樁距復(fù)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(jié)束以后，沉降僅為20mm，說明大樁距復(fù)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(yīng)力擴(kuò)散較大，才導(dǎo)致了沉降大大減小。

由其沉降特點(diǎn)將大樁距復(fù)合地基近似看作一個(gè)雙層地基，復(fù)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(dāng)上部荷載作用時(shí)，在復(fù)合地基的加固區(qū)范圍內(nèi)會(huì)形成一個(gè)上硬下軟的雙層地基，并將發(fā)生顯著的應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象，從而導(dǎo)致沉降大大減小。

因此，在計(jì)算大樁距復(fù)合地基沉降變形時(shí)可以采用類似雙層地基的計(jì)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(jì)算時(shí)采用兩部分沉降量的疊加，即s=s1+s2。

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

式中,－作用與大樁距復(fù)合地基表面的荷載，kPa；

－大樁距復(fù)合地基加固區(qū)與下臥層交界處的附加應(yīng)力，kPa；

－加固區(qū)樁體長度，m；

－大樁距復(fù)合地基加固區(qū)的復(fù)合模量，MPa。

對于大樁距復(fù)合地基下臥層的沉降計(jì)算則采用應(yīng)力擴(kuò)散法，當(dāng)按雙層地基理論計(jì)算出下臥層頂面上的附加應(yīng)力后，即按分層總和法公式進(jìn)行計(jì)算：

式中,－根據(jù)第分層的自重應(yīng)力平均值從土的壓縮曲線上得到的相應(yīng)的孔隙比；

、－分別為第分層土層底面處和頂面處的自重應(yīng)力；

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

、－分別為第分層土層底面和頂面處的附加應(yīng)力；

－第分層土的厚度；

－第分層土的壓縮系數(shù)；

－第分層土的壓縮模量。

以上計(jì)算方法中對復(fù)合地基加固區(qū)采用復(fù)合模量法計(jì)算；對下臥層沉降則采用應(yīng)力擴(kuò)散法。

本工程計(jì)算復(fù)合地基沉降變形時(shí)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(cè)摩阻力根據(jù)工程勘測報(bào)告取為qs=18kPa,復(fù)合地基沉降計(jì)算結(jié)果如表4。

表4復(fù)合地基沉降計(jì)算結(jié)果

計(jì)算沉降的方法 加固區(qū)復(fù)合模量法 下臥層應(yīng)力擴(kuò)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(fù)合地基上層加固區(qū)的變形使樁身和土體協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)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(fù)合模量法從理論上講是合理的的。

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

4結(jié)論

（1）通過復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)及土壓力測試結(jié)果表明當(dāng)復(fù)合地基中攪拌樁間距拉大后，復(fù)合地基形成了“加筋墊層”與剛性基礎(chǔ)形成的復(fù)合剛度體系可以有效的擴(kuò)散應(yīng)力,從而減少沉降。

（2）樁土應(yīng)力測試結(jié)果表明其樁土應(yīng)力比分布范圍是8～10之間。

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

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