水泥攪拌樁復合地基承載特性及沉降變形因素研究

楊麗君,趙葉江

(貴州有色地質工程勘察公司,貴陽 550002)

0 引言

隨著我國區域經濟的快速發展,陸地交通建設也在同步推進[1]。大量工程實例表明,不良地質區域分布著大量性質各異的軟土,這加大了地基處理難度,如果處理不當極易發生重大交通安全事故,帶來嚴重的經濟損失[2]。水泥攪拌樁具有施工簡便、效果顯著、工期短及對周圍環境影響小等優點,被廣泛應用于軟土地基加固中,因此針對水泥攪拌樁復合地基的承載特性及沉降變形因素進行研究非常必要。

國內已有大量學者從水泥攪拌樁的施工工法、承載特性、加固機理等角度開展研究。溫宇軒等[3]以實際工程為例,從水泥攪拌樁的成樁原理、適用范圍、施工工法等方面進行研究,給出了水泥攪拌樁的具體配合比。蔡曉峰[4]總結了水泥攪拌樁工程中的常見問題,給出了對應的改進方案。趙偉等[5]通過現場監測試驗,分別從水平、豎向兩個方向研究水泥攪拌樁施工過程中對臨近地層沉降變形的影響,結果表明,水泥攪拌樁的影響范圍大致為0～13 m,其中距離小于6 m時影響顯著。楊雪等[6]以實際工程為依托,基于ABAQUS有限元軟件研究了鐵路列車荷載對水泥攪拌樁復合地基沉降的影響。

本研究在已有研究基礎上,以某軟土路基工程為研究對象,通過現場單樁靜載試驗,對水泥攪拌樁的單樁承載特性進行分析,基于數值仿真進一步探討水泥攪拌樁樁長、樁間距及褥墊層厚度等因素對復合地基沉降的影響。

1 水泥攪拌樁承載特性

1.1 工程概況

本項目道路寬度32 m,長度792.258 m,道路等級為三級路兼具市政道路功能,設計速度為30 km/h。大部分路段地基處于軟土區域,因此需對區間地基進行加固處理。

1.2 加固方案比選

根據工程地質勘察資料,考慮到本區域存在深厚軟土分布,設計時主要提供了3種可選加固方案,分別為塑料排水板+堆載預壓加固、水泥攪拌樁加固及CFG樁加固。

2 水泥攪拌樁單樁豎向靜載試驗

2.1 單樁承載力計算方法

在實際工程中,水泥攪拌樁的破壞模式主要分為兩種,即樁體自身發生破壞和樁間土體發生剪切破壞。研究樁體自身破壞時,通常將其他因素忽略不計,將荷載簡化為豎向抗壓承載力,具體計算公式為：

Q1=ηAPfcu

(1)

式中,Q1表示水泥攪拌樁單樁極限抗壓承載力,單位,kN,η表示水泥攪拌樁抗壓強度的折減系數,根據規范建議取值區間為0.25～0.33。AP為水泥攪拌樁橫截面面積,單位,m2。fcu為水泥土豎向抗壓強度,單位,kPa。

水泥攪拌樁為摩擦型樁,在研究樁間土體的剪切破壞時,當樁間土提供的摩擦力無法承載外荷載時就會發生剪切破壞。剪切破壞計算時,主要通過樁間土的側摩阻力進行計算,將其他因素忽略不計,具體計算公式為：

(2)

式中,Q2表示樁間土體側摩阻力的最大值,單位,kN。UP表示水泥攪拌樁的周長,單位,m。τsDi表示第i層土體的側摩阻力,單位,kPa。li為第i層土體的厚度,單位,m。a為樁端阻力發揮系數,摩擦型樁的取值大致為0。QP為樁端土體抗壓強度,單位,kPa。

因此,水泥攪拌樁的單樁極限承載力Qmax取Q1和Q2中的最小值,即：

Qmax=min(Q1,Q2)

(3)

根據水泥攪拌樁的承載力理論,對水泥攪拌樁的承載力進行計算,由于參數存在一定的不確定性,最終計算出來的承載力也為估算值。由公式(1)可得：

信息化是內部控制的重要手段和落地方式，通過建立績效管理系統實現預算績效管理信息化覆蓋，加強采集預算績效信息的工作，定期監控與跟蹤預算績效信息，確保能夠及時反映預算績效管理情況。各預算單位要增強財務處理與信息處理能力，信息技術的應用也可以極大地減少人為干預，更有力地落實職責分離要求，為預算績效監督提供更加真實可靠的信息平臺，使監督反饋的結果更加準確和符合單位實情。

Q1=ηAPfcu=77.7 kN

(4)

水泥土豎向抗壓強度fcu參數是根據室內水泥土塊抗壓強度試驗獲得,取1.2×103kPa。由公式(2)可知：

(5)

計算時側摩阻力主要通過地勘資料獲取,土層厚度信息則通過現場靜力觸探獲取。

因此,根據公式(3)確定水泥攪拌樁的最大承載力為77.7 kN。

2.2 加載方案

為進一步研究水泥攪拌樁的單樁樁體承載力特征值,進行單樁豎向靜載試驗,具體試驗方法參考文獻[7]。

在試驗段分別每50 m隨機選取1根樁進行試驗。水泥攪拌樁的單樁承載力設計值為80 kN,根據我國相關設計規范,進行單樁承載力試驗時最大試驗壓力應為設計值的2～2.5倍。因此按最大壓力為160 kN進行逐級加載,荷載增量梯度為16 kN/級。初始1級載荷為32 kN,而后保持逐級加載。

2.3 試驗結果

圖1和圖2分別給出了水泥攪拌樁單樁靜荷載試驗Q-s曲線和s-lgt曲線。由圖1可知,Q-s曲線整體呈現線性變化,總沉降量為5.25 mm,曲線在112 kN處的斜率變化量最大,沉降加快。因此可判斷出其單樁承載力為上一級的96 kN。試驗結果顯示承載力滿足承載力的設計值。

圖1 水泥攪拌樁單樁靜荷載試驗Q-s曲線

圖2 水泥攪拌樁單樁靜荷載試驗s-lgt曲線

由圖2可知,根據s-lgt曲線,當荷載加載到112 kN時,曲線下降速率明顯加快,結合Q-s曲線和s-lgt曲線結果,基本可以判斷出水泥攪拌樁的單樁承載力特征值為96 kN。

3 水泥攪拌樁加固效果的影響因素

3.1 有限元模型的建立

為進一步研究水泥攪拌樁加固效果的影響因素,基于有限元軟件對水泥攪拌樁加固軟土地區的加固效果進行研究。根據軟土路堤橫斷面,該路堤結構為一個對稱結構,建模時取半結構進行分析,建立模型如圖3所示。

圖3 有限元模型效果

3.2 參數選擇

根據已有地勘資料獲取不同土層材料參數和水泥攪拌樁參數,如表1、表2所示。計算時,軟土地基部分采用摩爾-庫倫本構模型,上部填土采用線彈性模型,水泥攪拌樁采用結構單元中的pile進行模擬。

表1 土層材料參數

表2 水泥攪拌樁參數

3.3 影響因素、

研究水泥攪拌樁參數對加固效果的影響時,選取最為重要的樁長、樁間距、褥墊層等參數進行研究。在研究樁長對加固效果的影響時,設置了3組工況,樁長分別設置為12 m、15 m和18 m(15 m為原型工況)。研究樁間距對加固效果的影響時,設置了3組工況,樁間距分別為0.9 m、1.2 m和1.5 m(1.2 m為原型工況)。研究褥墊層對加固效果的影響時,設置了2組工況,從有褥墊層和無褥墊層角度進行討論。

不同樁長對加固效果的影響如圖4所示。由圖可知,不同樁長下的沉降量均隨著距離中心線距離的增加而減小。樁長越長,沉降量越小,表明加固效果越好。但樁長為15 m原型工況的沉降量最大為158.85 mm。當樁長為12 m時,其最大沉降量為235.07 m,比原型工況高1.48倍。使用18 m樁長時,最大沉降量為144.30 mm,沉降量的最大值僅降低了10%左右。這說明當樁長為12 m時,加固效果比原型工況差很多,效果不理想。而當樁長變為18 m時,與原型工況相比效果要理想一些,但經濟性不夠好。因此在選擇樁長時并非越長越好,應綜合安全性和經濟性兩方面考慮。

圖4 樁長對沉降變化的影響

不同樁間距對加固效果的影響如圖5所示。如圖可知,不同樁間距下的沉降量均隨著距離中心線距離的增加而減小。樁間距越大總沉降量越小,表明加固效果越好。而通常樁間距越大,加固效果越差。造成這種差異的原因可能是由于水泥攪拌樁復合地基的承載力主要是靠樁和樁間土共同承擔,當樁間距過小時,樁土的應力比越大,導致樁間土難以發揮作用,沉降量變大,加固效果變差。因此在進行樁間距設計時,應選取合適的樁間距進行施工。

圖5 樁間距對沉降變化的影響

水泥攪拌樁的褥墊層主要起到降低樁土應力比的作用,在上覆交通荷載作用下使樁土應力比達到最佳,提升加固效果。加褥墊層和不加褥墊層的加固效果如圖6所示。由圖可知,有褥墊層的加固效果明顯優于不加褥墊層的,且距離路基中心線距離越近,加固效果越好。當距離路基中心線距離越遠時,總沉降量差值越小。因此褥墊層能夠有效提升地基的承載能力,減小地基沉降,在水泥攪拌樁加固時應添加褥墊層。

圖6 褥墊層對沉降變化的影響

4 結論

根據現場靜載試驗可知,水泥攪拌樁的單樁承載力特征值為96 kN,滿足單樁承載力設計值,樁長越長加固效果越明顯,但長度超過一定范圍后加固效果的提升不明顯,在設計時應綜合考慮安全性和經濟性,具體問題具體分析。在一定范圍內,樁間距越大,加固效果越好。設計樁間距時,應保證樁土承擔比在合理范圍內,有效提升加固效果。添加褥墊層后,加固效果提升顯著,且越靠近中心線加固效果越好。