混凝土芯砂石樁處理軟土地基承載特性試驗研究

吳 興 政

(中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚州　225002)

0　引言

近年來我國交通基礎設施建設發展勢頭強勁，據統計2017年我國道路運輸業的投資額增長24.7%，交通基礎設施建設是我國經濟建設的重點領域。但在東部沿海地區，道路建設經常遇到深厚軟土地基，處理不當容易導致公路路面不平整及開裂等現象，造成嚴重的質量問題。道路工程中如何更好地控制深厚軟土地基的強度和穩定性是巖土工作者一直以來不斷追求的目標。混凝土芯砂石樁復合地基處理軟土地基方法具有強度高、固結速度快、加固深度深、處理成本低、質量可控等優點，在深厚軟土地區地基處理中得到廣泛應用[1]。本文結合東部沿海地區某地高速公路工程混凝土芯砂石樁復合地基案例，對混凝土芯砂石樁復合地基開展現場試驗研究，分析復合地基的承載特性及受力機理。

1　試驗場地土層概況

試驗場地位于江蘇省沿海地區，現場地勢平坦，地貌單元屬河流漫灘。根據鉆孔取土測試、十字板剪切試驗、靜力觸探、室內土工試驗等成果綜合分析，場地巖土層按類型、工程特性，自上而下劃分為6層：

①雜填土：灰褐色，表層為約50 cm厚人工回填碎石層，其下主要以粉質粘土、粉土含少量碎石組成，軟塑～可塑，富含植物根莖，層厚1.90 m～3.60 m，本層成分不均勻，松散，具高壓縮性。

②粉質粘土：灰黑色，流塑～軟塑，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，中等壓縮性，層頂埋深1.90 m～3.10 m，層厚1.70 m～2.50 m。

③淤泥質粉質粘土：灰色，灰黑色，流塑局部軟塑，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，局部為淤泥質粉土，具輕微臭味，中(高)壓縮性，層頂埋深1.90 m～5.10 m，層厚6.70 m～10.80 m。

④粉質粘土夾粉土：灰黑色，粉質粘土(局部為淤泥質粉質粘土)，流塑～軟塑，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等；粉土，稍密～中密，很濕，搖振反應中等，無光澤反應，干強度低，韌性低，中(高)壓縮性。層頂標高-10.60 m～-8.80 m，層頂埋深11.40 m～14.80 m，層厚0.80 m～2.70 m。

⑤粉質粘土：灰黑色，軟塑局部流塑，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，局部為粉土，中等壓縮性，層頂標高-17.40 m～-11.70 m，層頂埋深16.20 m～20.10 m，層厚為9.50 m～10.40 m。

⑥角礫：黑色，中密～密實，夾粉質粘土，礫徑2 cm～5 cm，棱角形、亞圓形為主，低壓縮性，層頂標高-24.10 m～-22.20 m，層頂埋深25.4 m～26.50 m，未揭穿。

該地區軟土的含水量在21.6%～43.8%之間，平均約為34%，孔隙比在0.568～1.215之間，平均約為0.91，壓縮系數在0.16～0.85之間，平均約為0.41，塑性指數在7.9～21.4之間，平均約為11.5，液性指數在0.47～2.15之間，平均約為1.1，根據塑性指數、液性指數和壓縮系數綜合判斷，軟土為軟塑～流塑的中高壓縮性粉質粘土；地表以下3 m～15 m之間軟土的固結系數在5.75×10-3cm2/s～23.6×10-3cm2/s之間，固結系數較大，滲透系數也較大；淤泥質粉質粘土層厚度為6.70 m～10.80 m，該土層地基承載力較小，是地基處理中重點處理的土層。

綜合分析軟土分層特點，由于軟土厚度較厚，若采用攪拌樁處理，較長的深層攪拌樁可能導致深層的樁體質量難以控制，后續的工后沉降風險較大，而濕噴樁則難以實現預期的強度要求[2]。本工程中由于軟土固結系數及滲透性較好，采用帶豎向排水通道的混凝土芯砂石樁復合地基處理方法可有效促進軟土快速固結，有效消除地基沉降，提高樁間土強度與地基整體剛度和承載力，以更好的控制軟土地基的強度和穩定性能[3]。

2　混凝土芯砂石樁復合地基設計方案

工程中采用混凝土芯砂石樁復合地基，砂石樁設計直徑為500 mm，混凝土芯設計直徑為200 mm，砂石樁間距為1.9 m和2.1 m。施工時根據勘察報告的地質情況，純軟土無硬夾層時采用振動沉管方式成孔，局部有硬夾層時采用長螺旋方式成孔，孔徑為500 mm。成孔后在中間放置200 mm的混凝土芯樁，周邊灌入砂石形成混凝土芯砂石樁。樁頂處標高低于地面500 mm，采用純碎石壓實，后上部鋪500 mm砂墊層并加入兩層土工格柵形成最終的混凝土芯砂石樁復合地基。

3　混凝土芯砂石樁復合地基現場載荷試驗

3.1　試驗儀器

1)加載設備：試驗采用油壓千斤頂QF140/200及油壓表，油壓表最大量程為150 MPa。2)反力設備：加載裝置為2 000 kN靜載試驗反力架(采用混凝土柱做負重)。3)量測裝置：基準梁采用兩根槽鋼，長5.0 m，對稱安置在試點兩側，單樁試點端部對稱安置2個沉降測點，壓板端部對稱安置4個沉降測點。用磁性表座將4個量程為50 mm百分表固定在基準梁上。

3.2　試驗原理及規程

靜載荷試驗是通過測定樁頂在不同的受荷狀態(慢速加載)下的變形參數、特征，即樁受荷情況下的應力—應變曲線，采用一定的方法(規范、規程規定的)分析、評價地基的承載力水平，它是目前最可靠且應用最廣泛的方法。

加載采用慢速維持荷載法，壓板靜載荷試驗按JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范中有關要求進行，單樁靜載荷試驗按照JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規范中有關要求進行。

3.3　試驗方法

1)反力裝置利用壓重平臺，采用油壓千斤頂加壓，單樁靜載試驗采用2只100 mm量程百分表測讀沉降量，壓板靜載荷試驗采用4只100 mm量程百分表測讀沉降量。

2)加載采用慢速維持荷載法，即逐級加載，每級荷載達到相對穩定后，加下一級荷載，達到卸載標準后，跳級卸載至零。

表1　靜載試驗結果

3.4　試驗結果及分析

試驗結果匯總見表1，單樁豎向抗壓承載力特征值為300 kN，單樁復合地基承載力特征值為150 kPa，單樁試驗Q—S曲線和單樁復合地基試驗的P—S曲線見圖1，圖2。

由載荷試驗結果可知：

1)由圖1中可以看出，間距2.1 m工況與間距1.9 m工況的單樁承載力區別不大，說明單樁的承載力主要與樁體本身特性及樁周樁底土體條件有關，樁間距對其影響較小。

2)由圖2中可以看出，單樁復合地基承載力特征值為150 kPa，該路段設計填土厚度為6 m，設計荷載為150 kPa，基本滿足要求。由于混凝土芯砂石樁載荷試驗是成樁后30 d進行，樁間土的排水固結還未完成。樁周砂石樁滲透系數較大，固結效果隨著固結時間的增大而提高，軟土的固結可使樁間土體的強度有所提高，一方面能直接提高單樁復合地基的承載力，另一方面也能提高砂石樁與樁間土體的摩擦力從而提高砂石樁的承載力[4]。因此考慮后續固結影響，單樁復合地基承載力預計將有30%的提高，固結完成后強度能夠滿足工程的設計要求。

3)工程中樁間距為2 m左右，砂石樁直徑為500 mm，而混凝土芯的直徑僅為200 mm，復合地基承載力的提高一方面源于混凝土芯與砂石樁組合的高強度，另一方面通過砂石樁較強的固結排水效果，提高了樁周土體的力學性能，減少工后沉降[5]。混凝土芯砂石樁復合地基方法充分利用了原有地基的承載能力以減少外部材料的使用量，在保證滿足設計強度的前提下，節約工程成本，具有較高的工程應用價值。

參考文獻：

[1]葉觀寶,張晴雯,趙維炳.混凝土芯砂石樁載荷試驗及沉樁數值分析[J].長安大學學報(自然科學版)，2015(1)：33-34.

[2]陳永輝,齊昌廣,王新泉,等.塑料套管混凝土樁單樁承載特性研究[J].中國公路學報，2012，25(3)：51-58.

[3]鄭剛,龔曉南,謝永利,等.地基處理技術發展綜述[J].土木工程學報，2012，5(12)：77.

[4]王富永,唐彤芝,吳良冰,等.砼芯砂石樁復合地基排水固結的理論與試驗研究[J].巖土工程界，2009(4)：36-39.

[5]孫毅,趙斌,孫暉.混凝土芯砂石樁復合地基在深圳河治理中的運用[J].人民珠江,2009(11)：69.