透水性混凝土樁在黃泛區粉性土地基中的加固機理及效果研究

張宏博，劉源，陳曉光，葛智，宋修廣

(1.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061; 2.山東省路基安全工程技術研究中心；3.山東省電力工程咨詢院有限公司)

黃河沖積平原廣泛分布于魯西和魯北，土質條件以粉質黏土、粉土為主，局部含淤泥夾層，土層深厚，地下水位較高，地表排水不暢。大量實測數據表明：該地區的地基強度低、固結速率慢，土質屬高壓縮性土。在其上直接修筑路基工程，地基承載力不足、工后沉降大，從而引起橋頭跳車、路基失穩等病害，嚴重影響道路交通安全，加速路面結構破壞。為解決該問題，該地區常用地基處理方案主要有強夯法、復合地基法、排水固結法(堆載預壓)等。強夯法經濟、快速，但處理深度有限且高地下水位應用效果不佳；復合地基法建設費用高，處理深度較深。復合地基法以漿(粉)噴樁，CFG樁居多，這兩類樁對控制加固區固結沉降效果較好，但同時由于增加了樁底下臥層的固結沉降，應用效果并不理想。排水固結法受建設工期限制，許多工程難以實施。因此，如何合理、有效地控制該區域路基工后沉降成為首要問題。

隨著透水性混凝土路面的提出，由于透水性混凝土強度較高(EC=10～20 MPa)，透水系數較大(0.1～0.5 cm/s)，該材料逐漸被作為樁體應用于復合地基中。其作用機理為：透水性混凝土樁體兼具散體樁與剛性樁的優點，一方面可以利用自身強度提高復合地基承載力；另一方面在土體中形成豎向排水通道，加快施工期地基土中超孔隙水壓力的消散，提高固結速率；同時，該樁體還具有明顯的減壓減震效應。

宋修廣等通過監測透水性混凝土樁在振動沉管施工過程中樁周超孔隙水壓力的變化規律，揭示了其透水效果。結果表明：對于高地下水位的粉性土地基，樁周土體的超孔隙水壓力在沉管結束時達到最大值，之后消散速率較快，完全消散時間較短，且距樁越近，超孔隙水壓力的上升與消散速率越快；超孔隙水壓力在徑向上與深度上大致呈現遞減趨勢，距樁越近，超孔隙水壓力越大。目前關于透水性混凝土樁加固黃泛區地基處治效果，尤其是關于孔壓累積與消散規律方面的研究缺乏相應的理論基礎。

該文通過室內模型試驗，研究不同空隙率透水性混凝土樁復合地基的承載特性，樁土應力比及樁周超孔隙水壓力沿徑向、縱向的分布規律。

1 模型試驗設計

1.1 模型試驗裝置

為研究樁體不同空隙率條件下透水性混凝土樁承載特性及孔隙水壓力累積與消散規律，設計模型試驗裝置如圖1所示，力學簡圖如圖2所示。包含模型箱、加載裝置、數據監測儀器、量測系統。

圖1 試驗裝置總體示意圖(單位：mm)

圖2 模型試驗力學簡圖

(1)模型箱：長2 m，寬1.2 m，高1.7 m，由2 cm厚鋼板制作而成。

(2)加載裝置：千斤頂、反力梁、加載板，加載板為邊長0.8 m、厚2 cm的鋼板。

(3)監測儀器：傳感器、百分表。

(4)量測系統：土壓力盒、滲壓計、動態應變測試儀。

(5)排水系統：模型箱兩側板距頂部0.06 m處沿模型箱長度方向間隔0.1 m開直徑φ=0.03 m的圓孔作為排水孔。

(6)樁體長1 m，直徑0.16 m。

1.2 模型箱內填料的選取

試驗填料取自山東省濟陽縣內。按照JTG E40-2007《公路土工試驗規程》要求測試填料相關的物理、力學指標，結果如圖3、表1所示。

圖3 土顆粒分配曲線

表1 試驗填料基本力學性能指標

1.3 透水性混凝土樁的配比及試驗工況

依據文獻[17]，空隙率與透水性混凝土強度成負相關，與透水性成正相關。該文對比分析3種不同空隙率的樁體，其中樁體采用的透水性混凝土的配合比如表2所示，集料的級配見圖4，具體每種工況對應的樁體空隙率及強度見表3，工況4為天然地基作為對比試驗。樁長設為1 m，樁徑為0.16 m，在標準條件下養護28 d。

表2 透水性混凝土配合比 kg/m3

圖4 透水性混凝土集料級配曲線

表3 試驗工況

1.4 監測方案設計

監測目的：① 透水樁徑向影響范圍；② 透水樁深度方向影響范圍；③ 透水樁承載能力；④ 樁土應力比。

為實現上述目的，在樁頂及樁體兩側如圖5、6所示方式埋設土壓力盒及滲壓計，在加載板對稱位置處安裝百分表監測沉降。監測元件名稱及屬性見表4。

圖5 樁頂土壓力盒布設圖

圖6 樁側土壓力盒及滲壓計布設圖(單位：mm)

表4 監測元件屬性

1.5 試驗流程

(1)土體填筑

模型箱內土體共填筑1.6 m高，分多層填筑，每層填筑高度為0.2 m，用夯錘壓實，用環刀控制每層土體的壓實度為85%。

(2)樁體安裝方法

土體填筑到0.8 m高度并控制好壓實度后，在土體上表面中心處開挖一個深度為20 cm的坑槽。將樁體放置在坑槽處并回填土進行壓實，回填過程中嚴格保證樁體處于直立狀態。

(3)監測儀器埋設方法

土體填筑過程中，依據圖6所示在指定位置處埋設土壓力盒及滲壓計。

(4)土體飽和方法

土體每填筑40 cm后，根據試驗土體的空隙比，計算土體飽和所需水量。通過水管向模型箱內注入計算所需水量，靜置3 d后進行下一層土體的填筑與飽和。

(5)鋪設褥墊層

待土體填筑至與樁頂齊平，在樁頂中心如圖5所示布置好土壓力盒，而后鋪設細砂作為褥墊層，厚度為8 cm。

(6)加載方法

參照JGJ 106-2014《建筑樁基檢測技術規范》，加載采用快速荷載法分級進行加載，共分為10級，每級所加荷載為11 kPa。快速加載前，先進行預加載，使加載板與砂墊層之間緊密接觸。考慮到透水性混凝土樁體的排水性，若一級加載時間過長可能導致樁周孔隙水壓力消散為0，無法觀測到樁周孔隙水壓力的消散規律。因此此處加載時間間隔并沒有嚴格依據規范。該次試驗前后兩級加荷的時間間隔定為10 min，加載過程中每隔1 min測讀并記錄1次位移值，連續3次豎向位移讀數之差不大于0.01 mm作為該級荷載下的穩定沉降值。最后一級荷載持續加載3 h，每隔5 min測讀一次。

(7)排水方法

鋪設褥墊層時，加載板范圍以外的褥墊層與土體的接觸面處設置一定的傾角，作為排水通道。由樁體排出的水進入褥墊層后沿著坡面向模型箱四周流動并通過模型箱側板上部的排水孔向外排出。

2 透水性混凝土復合地基模型試驗結果分析

2.1 荷載位移特性

圖7為工況1～4的荷載-沉降曲線。由圖7可知：同一加載條件下，采用透水性混凝土樁進行處治的復合地基沉降量明顯低于天然地基；同時當P≤40 kPa時，復合地基與天然地基P-s曲線較為接近，但隨著荷載的增加，天然地基P-s曲線呈現明顯的拐點，達到了極限荷載，并可由此確定天然地基承載力為44 kPa；而復合地基仍呈現近線性的變化規律，其P-s曲線較為接近，總體表現為空隙率越小，承載力相對越高的特點。依據DGJ 08-37-2012《巖土工程勘察規范》，按s/b確定地基承載力特征值，b為承壓板的寬度0.8 m。規范同時提出，對于粉土，可取s/b=0.01，由此確定3種工況(不同空隙率)條件下復合地基承載力分別為79、85、90 kPa，比天然地基承載力提高幅度分別為79.5%、93.2%、105%。

圖7 工況1～3下P-s曲線

2.2 樁土應力比特性分析

圖8為工況1～3的樁土應力比曲線圖。

圖8 樁土應力比曲線

由圖8可知：當上覆荷載P≤55 kPa時，隨著荷載增加，樁土應力比逐漸增大；當P>55 kPa后，樁土應力比n逐漸趨于定值。同時，空隙率越大，樁體強度越低，樁土應力比相對越低，樁間土體承載力發揮越充分。3種不同空隙率條件下的樁土應力比穩定值分別為4.9、5.4、6.1。

2.3 樁周孔隙水壓力累計與沉降規律

(1)不同空隙率條件下孔壓變化對比分析

以位于樁頂側面的孔隙水壓力計PPT1為例，繪制3種不同空隙率透水性混凝土樁復合地基與天然地基(對照工況)孔壓累積與消散規律，如圖9、10所示。

圖9 工況1～3下PPT1記錄曲線

圖10 天然地基下PPT1記錄曲線

對比圖9、10可知：采用透水性混凝土樁后，孔壓累積峰值明顯減小，由天然地基的45 kPa減小為4.5～5.5 kPa，減小幅度約為90%。這表明在加載過程中，大部分孔壓增量Δu已通過透水性混凝土樁發生了快速消散，地基由未設置透水混凝土樁的不排水剪切變為排水剪切，加快了土體固結沉降速率，避免了因Δu增加而帶來的土體抗剪強度τ與壓縮模量E大幅降低的問題，提高了地基穩定性，減少了地基的壓縮沉降量。同時，對比3種不同空隙率條件下孔壓消散規律，可知空隙率越高，孔壓消散速度相對較快，但孔壓峰值與消散速率差別很小，這表明透水性混凝土樁體的空隙率大小對土體的固結沉降效果影響基本相同。

(2)透水性混凝土樁徑向影響范圍研究

以工況1大空隙率透水性混凝土樁為例，圖11為工況1樁頂周圍超孔隙水壓力隨時間的變化曲線，其消散速率沿著遠離樁的方向大致為遞減趨勢。

圖11 樁頂滲壓計記錄超孔隙水壓力隨時間的變化曲線

從圖11可以看出：① 1號滲壓計受樁體調節作用影響附加應力增長最大，孔隙水壓力增長幅值最大，但由于距樁最近，因此孔隙水壓力消散也最快；② 4號滲壓計受初始加載時孔隙水壓力上升的幅值較1號小，但同時由于距樁的距離增加，孔隙水壓力消散的速率相對降低，因此多級加載后累積孔隙水壓力超過了1號滲壓計；③ 7號滲壓計距樁最遠，受樁體調節作用影響最小，同時消散速度也相對最慢;④ 最后一級加載持續3 h：持續加載過程中，徑向方向3個滲壓計的孔壓隨時間變化曲線基本平行。7號滲壓計距樁中心約為2.5倍樁徑，其消散速率與緊貼樁邊的1號滲壓計相比基本一致，由于模型箱的尺寸限制，7號滲壓計埋設處以外的孔壓消散規律無法監測到。

由以上結果分析，可得透水性混凝土樁的影響半徑在2.5倍樁徑以上，換算成樁間距即為5倍樁徑以上，范圍較大。現有實際工程中樁間距在4～6倍樁徑范圍內，由于透水性混凝土樁的造價較高，為了充分發揮其排水特性，可采用透水性混凝土樁與CFG樁聯合使用的方式，兩種樁型間隔布設。

(3)樁周孔隙水壓力沿深度變化規律

圖12為工況1樁側不同深度處超孔隙水壓力隨時間的變化曲線。從圖中可以看出樁長范圍內，沿深度方向超孔隙水壓力消散速率略有降低。

圖12 樁側滲壓計記錄超孔隙水壓力隨時間的變化曲線

2.4 透水性混凝土樁合理空隙率分析

根據樁土應力比分析，樁體空隙率越大，樁身強度越低，樁土荷載分擔比越小，樁間土體發揮作用越大，樁底附加應力越小，適用于壓縮層深厚且無合適持力層的土質條件；對于小空隙率樁體，適用于樁底具有明顯持力層的軟弱土層；介于兩者之間的土層則可選用中空隙率的樁型。

3 復合地基承載力驗算

依據復合地基承載力計算公式計算透水性混凝土樁復合地基承載力：

fspk=[1+m(n-1)]αβfsk

(1)

式中：n為樁土應力比；fspk為復合地基承載力特征值；fsk為天然地基承載力特征值，已通過試驗測得為44 kPa；m為面積置換率；β為樁間土承載力折減系數；α為樁間土強度提高系數。

(2)

式中：Ap為樁的截面積；Ae為單樁承擔的處理面積，取加載板的邊長0.8 m作為Ae的直徑。

由于試驗方法為先安裝樁體，后逐層填筑樁周土，故樁體不會對樁周土產生擾動作用，因此樁體對樁周土的擠密效果可以忽略，故β取1，代入其余參數，反算3種工況下樁間土強度提高系數α，其結果見表5。

表5 試驗結果與計算結果對比

由表5可知：3種空隙率大小的透水性混凝土樁體對于樁周土體的強度均有大幅度提高，其強度提高幅度為55%～70%。這表明在加載過程中，相較于普通剛體樁與地基形成復合增強體的作用機理，透水性混凝土樁還能通過自身的排水特性，使樁周土體中的空隙水沿樁體迅速排出，加速了樁周土體的固結，進而提高樁間土體的強度及壓縮模量。

4 結論

(1)無論采用哪種空隙率，透水性混凝土樁均顯著提高了地基承載力，其提高幅度至少在80%以上。該次試驗采用面積置換率較小，遠遠低于實際工程條件下的面積置換率。因此，實際工程中應用透水性混凝土樁處治地基，復合地基承載力將得到更大的提升。

(2)透水性混凝土樁體能有效加速樁周土體孔壓的消散，增加施工期固結沉降，從而減少工后沉降，且樁體空隙率大小對樁周土體的固結效果影響不大。

(3)受限于模型箱的尺寸，監測范圍在以樁中心為圓心，半徑為2.5倍樁徑的同心圓柱體內。此圓柱體區域內，徑向范圍孔壓消散速率基本一致，隨著深度的增加，消散速率略有減小。

(4)透水性混凝土樁的排水特性在加速土體的固結沉降的同時，顯著提高了樁周土體的強度，提高幅度約為60%。