中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁靜載試驗研究

陳世雷，劉永河，楊有海

( 1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州　730070; 2．蘭州交通大學鐵道技術學院，甘肅蘭州　730000)

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中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁靜載試驗研究

陳世雷1，劉永河2，楊有海1

( 1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070; 2．蘭州交通大學鐵道技術學院，甘肅蘭州730000)

摘要:依托蘭州西至中川機場鐵路工程，對飽和黃土地基條件下水泥土攪拌樁進行單樁及單樁復合地基靜載荷試驗。結果表明:相比天然飽和黃土地基，二灰摻合比為12%～20%的水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值提高約48%～88% ;隨著二灰摻合比增大，水泥土攪拌樁單樁承載力及復合地基承載力均增大;隨著上部荷載的增加，樁頂與樁間土應力會不同幅度增大，樁土應力比先增大后逐漸減小。通過計算得出，中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁復合地基樁間土承載力發揮系數為1. 09。

關鍵詞:飽和黃土水泥土攪拌樁復合地基承載力二灰摻合比

中國黃土主要分布于北緯33°～47°，尤以34°～45°最為發育，總面積約為63. 5萬km2，占世界黃土面積的4. 9%左右。隨著西部大開發的推進，廣大黃土地區的高速鐵路密度顯著提高，黃土已成為黃土地區修建鐵路的主要材料。針對如何提高黃土地基的承載力和水穩定性，減小地基沉降，開展了長期的研究和實踐［1］。對于飽和黃土，由于飽和度較大，土體處于軟塑至流塑狀態，承載力很低，壓縮量較大，建在其上的線路、路基會發生較大的沉降和不均勻沉降［2］，因而需要研究適合不同等級鐵路要求的飽和黃土地基加固處理技術。

本文依托蘭州西至中川機場鐵路工程，對飽和黃土地基條件下水泥土攪拌樁及復合地基進行靜載荷試驗，研究其承載特性，探討二灰摻合比對水泥土攪拌樁及復合地基承載力的影響，為該地區飽和黃土地基處理積累經驗。

1單樁及復合地基承載力計算

單樁豎向承載力特征值計算公式為

式中: Ra為單樁承載力特征值，kN; up為樁的周長，m; n為樁長范圍內所劃分的土層數; qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa，可按地區經驗確定; li為樁長范圍內第i層土的厚度，m;αp為樁端端阻力發揮系數，應按地區經驗確定; qp為樁端端阻力特征值，kPa，可按地區經驗確定，對于水泥土攪拌樁、旋噴樁應取未經修正的樁端地基土承載力特征值; Ap為樁的截面積，m2。

復合地基承載力特征值計算公式為

式中: fspk為復合地基承載力特征值，kPa;λ為單樁承載力發揮系數，可按地區經驗取值; m為面積置換率;β為樁間土承載力發揮系數，可按地區經驗取值; fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，可按地區經驗確定［3］。

目前水泥土攪拌樁工程設計階段大多都是采用式( 2)計算水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值。從式( 2)中可以看出，復合地基承載力特征值計算的準確度主要取決于單樁和樁間土承載力特征值及樁間土承載力發揮系數β的合理取值［4］。

2　工程概況

蘭州西至中川機場鐵路全長60. 515 km。全線路基長35. 923 km，占線路總長的59. 3%，其中利用既有線10. 789 km，新建25. 134 km。該鐵路為Ⅰ級雙線鐵路，其中西固城至中川機場段設計速度為160 km/h。新建鐵路部分路段為飽和黃土地基。

選取的試驗段位于DK48 + 430—DK49 + 030，總長600 m。該地段地基主要為飽和黃土，試驗段淺層地基土的基本物理性質見表1。

該地段采用雙向水泥土攪拌樁加固，樁頂設0. 5 m厚的碎石墊層，墊層內鋪設一層抗拉強度為80 kN/m的雙向土工格柵。所采用的水泥土攪拌樁樁徑0. 5 m，樁間距1. 3 m(三角形布置)，樁土面積置換率13. 4%，樁長8～12 m;設計要求單樁承載力特征值Ra≥97 kN，加固后的復合地基承載力特征值fspk≥152 kPa。

表1淺層地基土的基本物理性質

為研究二灰摻合比對復合地基承載力的影響，將DK48 + 580—DK48 + 630，DK48 + 830—DK48 + 880共100 m，摻合比取20%，DK48 + 430—DK48 + 480內選取2段(每段3排水泥土攪拌樁)，摻合比取12%，其余均按設計要求摻合比取16%。根據試驗要求對不同摻合比的單樁及復合地基進行靜載荷試驗。

3　試驗結果與分析

共進行3次天然地基靜載荷試驗、6次單樁靜載荷試驗和6次復合地基靜載荷試驗，其中每種摻合比分別選取2根水泥土攪拌樁做單樁靜載荷試驗，再分別選取2根水泥土攪拌樁做復合地基靜載荷試驗。

3. 1天然地基靜載荷試驗

結合試驗段工程地質情況，采用淺層平板載荷試驗來測定試驗段天然飽和黃土地基的承載力。天然地基靜載荷試驗在試驗段選取3個具有代表性的點，編號依次為1#，2#，3#，采用尺寸為0. 96 m×0. 96 m的承壓板進行承載力試驗。試驗測得的天然地基的載荷—沉降( p－s)曲線見圖1。

圖1天然地基靜載荷試驗p－s曲線

從圖1可以看出，天然地基在載荷＜100 kPa時沉降較小，沉降變化速度也較小;當載荷＞100 kPa時，沉降迅速變大;載荷在200 kPa之內已經達到終止加載的條件。根據規范［5］取沉降與承壓板寬度之比s/b = 0. 012時的沉降所對應的載荷值作為天然地基承載力，則3組試驗測得天然地基的承載力特征值分別為130. 3，90. 4，91. 0 kPa，天然地基平均承載力特征值為103. 9 kPa。該平均值遠遠達不到路基設計中復合地基承載力特征值fspk≥152 kPa的要求，故需要對其進行加固處理。

3. 2單樁靜載荷試驗

在水泥土攪拌樁的齡期達到28 d后，對3種摻合比的水泥土攪拌樁進行單樁靜載荷試驗。將二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁編號為4#和5#，二灰摻合比為16%的水泥土攪拌樁編號為6#和7#，二灰摻合比為20%的水泥土攪拌樁編號為8#和9#。試驗測得的單樁靜載荷試驗p－s曲線見圖2。

圖2單樁靜載荷試驗p－s曲線

從圖2可以看出，二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁，當荷載達到約100 kN時沉降曲線發生陡降;二灰摻合比為16%的水泥土攪拌樁，當荷載達到約180 kN時沉降曲線發生陡降;二灰摻合比為20%的水泥土攪拌樁，當荷載達到約220 kN時沉降曲線發生陡降。4#，8#樁的p－s曲線為緩變型曲線，其余4根樁的p－s曲線均為陡降型曲線。

根據規范［5］中按照p－s曲線確定相應單樁承載力特征值的規定，4#樁取樁頂總沉降量40 mm所對應的荷載值為單樁豎向極限承載力，即181. 2 kN，其單樁承載力特征值為90. 6 kN; 5#，6#，7#，9#樁在某一荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，取前一級荷載值為單樁豎向極限承載力，分別為150. 0，197. 0，197. 0，254. 8 kN，其單樁承載力特征值分別為75. 0，98. 5，98. 5，127. 4 kN; 8#樁加載達不到極限荷載，已達到最大試驗荷載，樁頂沉降速率達到相對穩定標準，單樁豎向極限承載力取最大試驗荷載，即300. 0 kN，其單樁承載力特征值為150. 0 kN。試驗結果匯總見表2。

表2水泥土攪拌樁單樁承載力特征值

由表2可以看出，二灰摻合比越高，水泥土攪拌樁單樁承載力越大。二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁單樁承載力特征值不能滿足單樁承載力特征值Ra≥97 kN的設計要求。二灰摻合比從12%提高到16%時，水泥土攪拌樁的單樁承載力提升19. 0% ;而二灰摻合比從16%提高到20%時，水泥土攪拌樁的單樁承載力提升40. 8%。

3. 3單樁復合地基靜載荷試驗

單樁復合地基靜載荷試驗中使用的承壓板直徑為0. 9 m，承壓板下鋪設10 cm厚的碎石墊層，承壓板上布置百分表對單樁復合地基沉降進行量測。

1) p－s曲線分析

將二灰摻合比為12%的水泥土攪拌樁單樁復合地基編號為10#和11#，二灰摻合比為16%的水泥土攪拌樁單樁復合地基編號為12#和13#，二灰摻合比為20%的水泥土攪拌樁單樁復合地基編號為14#和15#。試驗測得3種二灰摻合比的單樁復合地基靜載荷試驗p－s曲線見圖3。

從圖3可以看出，13#單樁復合地基的p－s曲線呈陡降型，主要是由于施工過程中攪拌不均勻導致樁身存在軟弱段，其變形大于樁身其他位置。其它5個單樁復合地基的p－s曲線均呈緩變型，水泥土攪拌樁樁身隨荷載增加發生彈塑性變形，樁身與樁間土體的局部相對滑動量也隨之增加，當荷載增加到一定數值后，樁間土體發生剪切破壞，水泥土攪拌樁達到承載極限［6］。

圖3單樁復合地基靜載荷試驗p－s曲線

根據規范［3］中可按相對變形值確定單樁復合地基承載力特征值的規定，采用沉降與承壓板直徑之比s/b = 0. 006時所對應的壓力計算單樁復合地基承載力特征值，得出的單樁復合地基承載力特征值見表3。

表3水泥土攪拌樁單樁復合地基承載力特征值

從表3可以看出，二灰摻合比越高，水泥土攪拌樁單樁復合地基承載力越大。3種二灰摻合比的水泥土攪拌樁單樁復合地基承載力特征值均可以滿足復合地基承載力特征值fspk≥152 kPa的設計要求。相比天然飽和黃土地基承載力特征值，二灰摻合比為12%～20%的水泥土攪拌樁單樁復合地基承載力提高約48%～88%，加固效果顯著。

2)樁土應力分析

鋪設碎石墊層之前，在樁頂和樁間土上分別布置2只和4只土壓力盒用于試驗過程中樁頂應力和樁間土應力的量測。以11#單樁復合地基為例，試驗測得的樁頂、樁間土平均應力值及樁土應力比隨荷載變化曲線見圖4。

圖4單樁復合地基樁頂、樁間土平均應力及樁土應力比隨荷載變化曲線

從圖4( a)可以看出:隨著上部荷載的增加，樁頂與樁間土分擔的荷載都逐漸增大;樁頂分擔的荷載大于樁間土分擔的荷載，且前者增大速率大于后者。

從圖4( b)可以看出:開始加載時隨著上部荷載的增加樁體未發生屈服破壞，所施加的荷載主要由樁體承擔，樁土應力比隨之一直增大;當增加到一定荷載時，繼續增加上部荷載，樁體與樁間土共同承擔荷載，樁土應力比逐漸減小。因此，樁土應力比會出現先增大后逐漸減小的趨勢。

4　樁間土承載力發揮系數β分析

樁間土承載力發揮系數β是反映樁間土承載力發揮程度及樁土共同工作的一個重要參數。β的取值與樁端土層軟硬、樁土相對剛度、樁長、褥墊層的設置、樁土置換率、建筑物對沉降的要求及樁間土的受力歷史有關［7-8］。樁的沉降越大，樁周軟土承載力越能發揮。隨著單樁沉降量的增大(這時樁間土沉降量也增大)，樁間土承載力發揮系數β逐漸增大［9］。

利用公式( 2)可以推導出公式( 3)

依據蘭州西至中川機場鐵路飽和黃土地基條件下水泥土攪拌樁單樁及復合地基靜載荷試驗結果，利用公式( 3)計算得到該飽和黃土地基樁間土承載力發揮系數，見表4。

表4水泥土攪拌樁復合地基樁間土承載力發揮系數

從表4可以看出，中川鐵路飽和黃土地基條件下3種二灰摻合比( 12%，16%，20% )水泥土攪拌樁復合地基的樁間土承載力發揮系數β分別為1. 08，1. 09，1. 11。規范［3］給出了β的取值:對淤泥、淤泥質土和流塑狀軟土等處理土層可取0. 1～0. 4，對其他土層可取0. 4～0. 8;而計算所得的樁間土承載力發揮系數β值均大于規范中的β值，且＞1。主要是因為:水泥土攪拌樁呈三角形布置，對復合地基樁間土具有一定的側向約束作用;水泥具有一定的吸水作用，使樁間土部分水分被吸收，加速了樁間土的滲透固結;水泥與土發生一系列的物理化學反應，提高了樁間土的強度［10］。這些因素的影響使得樁間土承載力發揮系數β＞1。結合工程應用情況，得到中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁復合地基樁間土承載力發揮系數β為1. 09。

5　結論

1)水泥土攪拌樁能夠大大提高飽和黃土地基承載力，加固效果顯著。

2)二灰摻合比越高，水泥土攪拌樁單樁及單樁復合地基的承載力越大。

3)隨著上部荷載的增加，樁頂與樁間土平均應力會不同幅度增大，樁土應力比先增大后逐漸減小。

4)計算得出中川鐵路飽和黃土地基水泥土攪拌樁復合地基樁間土承載力發揮系數β為1. 09，可為該地區其他工程建設提供參考。

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(責任審編葛全紅)

Static load test study on cement-soil mixing piles in saturated loess foundation of Zhongchuan railway

CHEN Shilei1，LIU Yonghe2，YANG Youhai1

( 1．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China; 2．School of Railway Technology，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:Based on the railway engineering project from W estern Lanzhou to Zhongchuan airport，static load test on cement-soil mixing piles( on saturated loess foundation) as well as on integrated single-pile foundation were carried out．T he results indicate that in comparison with the foundation of natural saturated loess，the integrated foundation supported by cement-soil mixing piles with a 12%～20% additive ratio of cement and fly ash shows a 48%～88% increase in bearing capacity．And the growth of additive ratio brings up the bearing capacity of both the pile and the foundation at large．As the loading imposed to the upper structure goes up，the stresses at pile top and soil between piles grow by different amplitude，while the stress ratio of pile soil increases at first and falls at the later stage．It can be calculated that in this case the bearing efficiency β of soil between piles stands at 1. 09．

Key words:Saturated loess; Cement-soil mixing pile; Integrated foundation; Bearing capacity; Additive ratio of cement and fly ash

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0106-05

作者簡介:陳世雷( 1990—)，男，在讀碩士研究生。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題合同( 2013G009-N)

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

中圖分類號:TU473．1+1

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．26