尹中高速公路粉噴樁復合地基樁土應力比 現(xiàn)場試驗研究

1、第24卷第22期巖石力學與工程學報V ol.24 No.22 2005年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.,2005尹中高速公路粉噴樁復合地基樁土應力比現(xiàn)場試驗研究馮瑞玲1,2,謝永利2,楊曉華2(1. 交通部公路科學研究所,北京 100088;2. 長安大學公路學院,陜西西安 710064摘要:結合甘肅尹中高速公路粉噴樁處理飽和黃土地基的實體工程,選擇了2個典型斷面,其中一個斷面為懸浮式復合地基,另一個斷面為支承式復合地基,實測了樁頂及樁間土的壓力,計算出了相應的樁土應力比n及復合地基承載力發(fā)揮值。結果表明:(1

2、 在相同荷載水平下,支承式復合地基中樁體與樁間土體所承受的壓力均大于懸浮式復合地基中的相應值;(2 在加荷初期,n值增長較快,但隨著樁土變形的協(xié)調,n值趨于穩(wěn)定,且2個斷面在路堤主要受荷范圍內的n值大部分集中在38;(3 無論柔性基礎下粉噴樁復合地基的形式如何,按土體先破壞計算的復合地基承載力發(fā)揮值更接近于工程的實際荷載水平;(4 柔性基礎下復合地基的破壞模式應為樁間土體先破壞,繼而引起整個復合地基的破壞。關鍵詞:土力學;粉噴樁;復合地基;樁土應力比中圖分類號:TU 473.1 文獻標識碼:A 文章編號:10006915(200522419007FIELD TESTING STUDY ON S

3、TRESS RATIO OF PILE TO SOIL IN COMPOSITE GROUND OF DRY JET MIXING PILES ATYINJIAZHUANGZHONGCHUAN EXPRESSWAYFENG Rui-ling1,2,XIE Yong-li2,YANG Xiao-hua2(1. Research Institute of Highway,Ministry of Communications,Beijing100088,China;2. College of Highway,Changan University,Xian710064,ChinaAbstract:Co

4、mbined with the practical project by using dry jet mixing(DJM piles to treat the saturated loess under the YinjiazhuangZhongchuan expressway in Gansu Province,two typical sections were selected to test the stress of the pile and the soil with the pressure gauge in the composite ground. In the two se

5、ctions,one is the floating pile composite ground,the other is the end-bearing pile composite ground. On the basis of the test data,calculated the stress ratio of the pile to soil and the bearing capacity is calculated. The results show that:(1 the stress of the pile and the soil in the end-bearing p

6、ile composite ground is larger than that in the floating pile composite ground when the upper load is the same;(2 the stress ratio of the pile to the soil is focused on 38 in this case;(3 in the two kinds of composite ground,the calculated bearing capacity being brought into play is more closer to t

7、he real load if the soil is supposed to fail first;(4 the failure mode of the composite ground under flexible foundation is the initial soil failure,then the failure of the whole composite ground is induced.Key words:soil mechanics;dry jet mixing(DJM pile;composite ground;stress ratio of pile to soi

8、l收稿日期:20040601;修回日期:20041125作者簡介:馮瑞玲(1976,女,博士,1997年畢業(yè)于西安公路交通大學公路與城市道路工程專業(yè),現(xiàn)為交通部公路科學研究所與長安大學聯(lián)合招收第24卷 第22期 馮瑞玲等. 尹中高速公路粉噴樁復合地基樁土應力比現(xiàn)場試驗研究 4191 1 引 言隨著我國高速公路的迅猛發(fā)展,在公路修建過程中,遇到的軟弱地基越來越多,粉噴樁復合地基作為一種地基處理方式,也得到愈來愈多的應用。這樣就形成了路堤、堤壩等構筑物下的復合地基13,將其定義為柔性基礎下的復合地基4,5,這類復合地基在受力后的變形和強度性狀與剛性基礎下復合地基相比有較大的差異410。雖然通過室內

9、模型試驗5,6和計算機仿真分析研究7已經(jīng)知道這類復合地基與剛性基礎下復合地基相比還有潛力可挖,但由于缺少相關的現(xiàn)場試驗研究,故還不能直接應用于實際工程。而本試驗研究的目的正是想依托此項工程,通過現(xiàn)場測試分析,研究這類復合地基的受力與變形特性,評估其地基處理效果,最重要的是能修證設計理論和計算方法,獲取相應的參數(shù),有效地指導這類復合地基的工程應用。甘肅省尹中高速公路是甘肅省“九五”重點工程,全長22.05 km ,其中飽和黃土軟基路段約2 km ,共有10處。根據(jù)不同的地質情況,采用的地基處理方法有粉噴樁法、旋噴樁法和拋石回填等。本次粉噴樁試驗段選在K25+665和K25+706這2個斷面處,其

10、中K25+665斷面為懸浮式復合地基,K25+706斷面為支承式復合地基。試驗測試項目主要有樁頂與樁間土的土壓力觀測,試驗測試元件均布置在右半幅路基下的粉噴樁樁頂和樁間土上。2 工程地質概況本試驗段出露地層以第四系全新統(tǒng)(plal 4Q +為主,主要分布在沿線山間盆地及沖溝、洼地,上部為新近堆積黃土,大孔隙發(fā)育,具有強烈濕陷性,屬級自重濕陷性黃土。由于地勢低洼,地下水位高,地形呈半封閉狀態(tài),排洪條件差,地下水位以下新近堆積黃土經(jīng)長期浸泡,已飽和軟化,多呈軟塑流塑狀,形成較厚的軟弱層,其承載力為7090 kPa 。測試斷面路堤填土高6.96 m ,路面寬24.5 m ,邊坡坡度11.5。復合地基

11、設計資料如下:采用梅花形布樁,樁間距1.2 m ,排距1.1 m ,置換率m = 樁長13 m ,K25+706斷面樁長則不等,具體如圖1所示。3 試驗方案測點布置在K25+665和K25+706這2個斷面的右半幅地基。布點時,粉噴樁施工已結束且有28 d 齡期。經(jīng)過清場,選擇道路橫斷面3排樁范圍,在樁頂和樁間土上布設壓力盒。2個斷面共布設40個壓力盒,測試元件布置如圖1所示。測試元件布完并經(jīng)過初值量測后即開始填土施工。量測工作從測試元件全部就位后開始,即從2001年5月16日開始,每天連續(xù)觀測,直到2001年10月30日為止,共計166 d 。在這次土壓力量測過程中,主要考慮了以下技術問題1

12、012:(1 土壓力盒和荷載傳遞介質之間的剛度匹配問題。為了避免由于應力集中引起的土壓力偏大和由于卸載拱引起的土壓力偏小的現(xiàn)象,在埋設之前,先在樁頂及樁間土上鑿出深度約為土壓力盒厚度3/4、直徑略大于土壓力盒直徑的圓孔。埋設時,先在孔底鋪一薄層極細砂,土壓力盒就位、找平、完成初讀數(shù)測試后,再在盒頂填一層細砂,最后回填路基正常填土。(2 土壓力盒的標定。土壓力盒到現(xiàn)場后,進行現(xiàn)場標定,以取得比較符合現(xiàn)場實際的率定系數(shù)。4 測試成果分析4.1 根據(jù)現(xiàn)場記錄,對施工過程進行分期(1 第1施工期,即第121 d(5月16日6月6日,實際填土從5月22日開始,均勻填土壓實,平均每天填土高度約為20 cm

13、 ,總填土高度為3 m 。(2 第1施工間息期,即第2228 d(6月7日13日,由于6月7日填土厚度過大(壓實后填土高度達到4 m,壓實度不能滿足要求,故在此期間未繼續(xù)填土而只進行壓實。(3 第2施工期,即第2932 d(6月14日17日,均勻填土、壓實,每天填土高度為25 cm ,總填土高度達到5 m 。(4 第2施工間息期,即第3337 d(6月18 4192 巖石力學與工程學報 2005年圖1 測試元件布置圖(單位:cmFig.1 Sketch of instrument distribution(unit:cm(5 第3施工期,即第3841 d(6月23日26日,均勻填土、壓實,每天

14、填土高度為25 cm,總填土高度達到6 m。(6 第3施工間息期,即第4247 d(6月27日 7月2日,停荷。(7 第4施工期,即第4851 d(7月3日6日,總填土高度達到6.3 m,路基施工結束。(8 第4施工間息期,即第5269 d(7月7日 25日,停荷。(9 第5施工期,即第7090 d(7月26日8月15日,施工路面結構層,總厚度為66 cm。(10 第5施工間息期,即第91166 d(8月16日10月30日,路基路面工程全部竣工。4.2 實測壓力分析實測樁頂土壓力、樁間土壓力如圖25所示4,圖中豎向虛線將整個測試過程的加荷與停荷期區(qū)分開來,并且從左向右依次為加荷停荷加荷停荷。L

15、L從圖2,3看出:在K25+665斷面,第1施工期內,樁頂土壓力pp和樁間土壓力sp快速連續(xù)上升,而在停止填土后的第1施工間息期內,實測樁間土壓力sp隨時間緩慢下降,但同期內樁頂土壓力pp則隨時間緩慢上升。同樣,在第24施工期和施工間息期內重復了這一現(xiàn)象。根據(jù)分析,施工間息期樁頂土壓力增加而樁間土壓力減小的主要原因是隨著土體固結的發(fā)生,土體和樁體因為剛度不同,土的下沉量大于樁的下沉量,則土會將加荷初期共同分擔的上部荷載通過變形協(xié)調逐步給樁轉移一部分。第5施工期及其間息期對樁頂土壓力pp和樁間土壓力sp的影響已經(jīng)很微弱,可以將其看成第4施工間息期的延續(xù),即在此期間內,樁頂土壓力pp繼續(xù)隨時間緩慢

16、上升,而樁間土壓力sp則隨時間緩慢下降。從圖4,5看出:在K25+706斷面,第1施工期內,樁頂土壓力pp和樁間土壓力sp快速連續(xù)上升,而在停止填土后的第1施工間息期內,部分測(aK25+706斷面地基及路基橫斷面圖(bK25+665斷面測試元件布置平面圖(cK25+706斷面測試元件布置平面圖第24卷 第22期 馮瑞玲等. 尹中高速公路粉噴樁復合地基樁土應力比現(xiàn)場試驗研究 4193 圖2 K25+665斷面樁頂土壓力時間關系曲線Fig.2 Relation between pile pressure and time at section K25+665圖3 K25+665斷面樁間土壓力時間

17、關系曲線Fig.3 Relation between soil pressure and time at section K25+665圖4 K25+706斷面樁頂土壓力時間關系曲線Fig.4 Relation between pile pressure and time at section K25+706樁頂土壓力p p /k P a樁間土壓力p s /k P a樁頂土壓力p p /k P a 4194 巖石力學與工程學報 2005年圖5 K25+706斷面樁間土壓力時間關系曲線Fig.5 Relation between soil pressure and time at section

18、 K25+706點的實測樁間土壓力s p 隨時間緩慢下降,而其他所測樁間土壓力均隨時間緩慢上升,同期內樁頂土壓力p p 隨時間緩慢上升。第2施工期內,樁頂土壓力p p 和樁間土壓力s p 快速連續(xù)上升,而在停止填土后的第2施工間息期內,樁頂土壓力p p 和樁間土壓力s p 均隨時間緩慢上升。第35施工期及其間息期內,樁頂土壓力p p 和樁間土壓力s p 的變化規(guī)律與K25+665斷面同期的變化規(guī)律相同。不同之處是,第4施工期以后,K25+706斷面樁頂土壓力p p 的增長量和樁間土壓力s p 的減少量均小于K25+665斷面的相應值。另外,從圖25還可以看出,支承式復合地基中樁體與樁間土體所受

19、的壓力均大于懸浮式復合地基中的相應值(圖2和4,圖3和5進行比較。這主要是由于K25+706斷面的粉噴樁穿透了軟弱土層,樁端支撐在較堅硬的泥巖上形成了支承式復合地基,在上部荷載的作用下,地基的沉降主要是由加固區(qū)樁體和樁間土體的壓縮變形引起。在第4施工期后(路基施工結束,地基的沉降已基本完成,因此相應的應力調整量也就較小;而在K25+665處,由于粉噴樁樁端下仍存在較厚的軟弱土層,形成的地基為懸浮式復合地基,在上部荷載作用下,地基的沉降除了包括加固區(qū)樁體和樁間土體的壓縮變形外,軟弱下臥層也會引起地基的沉降。因此,在路基竣工后,地基的沉降量仍較大,相應的應力調整量也較大。4.3 樁土應力比分析定義

20、=n p p /s p 為樁土應力比,則可將實測資料圖6 K25+665斷面樁土應力比時間關系曲線 Fig.6 Stress ratio of pile to soil at section K25+665圖7 K25+706斷面樁土應力比時間關系曲線 Fig.7 Stress ratio of pile to soil at section K25+706從圖6,7可以看出,加荷初期,樁體所分擔荷載的增長速率較大,但很快隨著樁土變形的協(xié)調,其n 值趨于穩(wěn)定,且2個斷面在路堤主要受荷范圍樁間土壓力p s /k P a樁土應力比樁土應力比第 24 卷 第 22 期 馮瑞玲等. 尹中高速公路粉噴樁

21、復合地基樁土應力比現(xiàn)場試驗研究 4195 近路堤坡腳處的幾個異常值后， 經(jīng)過計算， K25+ 在 665 斷面，樁土應力比 n 的平均值約為 4.66；在 K25+706 斷面，樁土應力比 n 的平均值約為 5.11。 4.4 復合地基承載力發(fā)揮值分析 若定義 m = Ap /A 為置換率，其中 Ap 為樁體橫 截面面積，A 為復合地基面積。本試驗段粉噴樁按 照三角形布置，樁間距 1.2 m，排距 1.1 m，經(jīng)計算 的直線，而按樁體先破壞計算的承載力最終接近于 Pc = 100 kPa 的直線；按土體先破壞計算的承載力發(fā) 揮值大于按樁體先破壞計算的承載力發(fā)揮值，且更 接近于本工程的荷載水平。

22、 從圖 8，9 可以看出：2 個測試斷面加荷期間， 按土體先破壞計算的承載力發(fā)揮值均大于按樁體先 破壞計算的承載力發(fā)揮值；2 個測試斷面停荷期間， 按土體先破壞計算的承載力發(fā)揮值隨時間緩慢下 降，而按樁體先破壞計算的承載力發(fā)揮值隨時間緩 慢上升。由此也說明在柔性基礎復合地基中，在加 荷期間，荷載首先由樁間土體承擔；而在停荷期間， 隨著樁土變形的協(xié)調，樁間土體承擔的部分荷載會 m = 0.157。現(xiàn)已實測出 pp 和 ps 值并計算出 n 值， 則可按下式計算復合地基的承載力發(fā)揮值 Pc ： 4 Pc = 1 + m(n 1 ps 或 Pc = 1 + m(n 1 pp / n (1 (2 轉移

23、給樁體。因此，柔性基礎復合地基的破壞模式 應為樁間土體先破壞，繼而引起整個復合地基的破 壞。 其中，式 (1 為按土體先破壞估算的承載力發(fā) 揮值，式(2為按樁體先破壞估算的承載力發(fā)揮值。 試驗段的承載力發(fā)揮值歸一化曲線如圖 8，9 所示。 5 結 語 本文結合尹中高速公路軟基處理試驗段，通過 Pc /kPa 現(xiàn)場實測得出了路堤荷載作用下粉噴樁復合地基中 樁頂及樁間土壓力，實測結果表明： (1 在路堤荷載作用下，復合地基中的樁體和 土體因為剛度不同，土的下沉量大于樁的下沉量， 在停荷期間，土體會將加荷初期共同分擔的上部荷 載通過變形協(xié)調逐步向樁轉移一部分。 圖8 Fig.8 K25+665 斷面

24、承載力發(fā)揮值歸一化曲線 (2 根據(jù)實測結果計算出相應的樁土應力比 n 值，結果表明在加荷初期，樁體所分擔荷載的增長 速率較大，但很快隨著樁土變形的協(xié)調，其 n 值趨 于穩(wěn)定，且 2 個斷面在路堤主要受荷范圍內的 n 值 大部分集中在 38。 Bearing capacity being brought into play at section K25+665 Pc /kPa (3 在相同荷載水平下，支承式復合地基中樁 體與樁間土體所受的壓力均大于懸浮式復合地基中 的相應值。 (4 無論柔性基礎下粉噴樁復合地基的形式如 何，按土體先破壞計算的復合地基承載力發(fā)揮值均 大于按樁體先破壞計算的承載力發(fā)

25、揮值，且更接近 圖9 Fig.9 K25+706 斷面承載力發(fā)揮值歸一化曲線 于工程的實際荷載水平。 Bearing capacity being brought into play at section K25+706 (5 柔性基礎下復合地基的破壞模式應為樁間 土體先破壞，繼而引起整個復合地基的破壞，這也 是柔性基礎下復合地基與剛性基礎下復合地基的不 同之處。 從圖 8 可以看出：在 K25+665 斷面，按土體先 破壞計算的承載力發(fā)揮值最終趨近于 Pc = 120 kPa 4196 巖石力學與工程學報 2005 年 參考文獻(References： 1 Broms B B ， Wong

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