水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力研究

1、.水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力研究第卷第3期1999年9月巖土力學(xué)R0d【ands0dMeelmaiNa.3S.1999,1U4-水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力研究鄭剛姜忻良一(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院30072)U|摘要根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn),對(duì)水泥攪拌樁復(fù)臺(tái)地基承載力的確定進(jìn)行了分析,證明從提高承載力角度來(lái)說(shuō),過(guò)分增加樁長(zhǎng)是無(wú)意義的,樁長(zhǎng)主要是用來(lái)控制變形.對(duì)水泥攪拌樁復(fù)舍地基承載力的確定和優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了建議.關(guān)鍵詞復(fù)合地基;承載力;水泥攪拌樁;模型試驗(yàn);荷載試驗(yàn)分類(lèi)號(hào)i:廣一1前言在確定水泥攪拌樁單樁承載力時(shí),是按剛性樁的原理來(lái)計(jì)算樁側(cè)摩阻力和端阻力,而計(jì)算復(fù)合地基沉降時(shí),其基本假定為樁與樁間

2、土變形是協(xié)調(diào)的,樁土之間不存在相對(duì)滑移,這其實(shí)是將水泥土類(lèi)半剛性樁視為柔性樁.兩者之間存在著力學(xué)概念上的不一致.為了提高單樁承載力,有時(shí)設(shè)計(jì)人員將樁長(zhǎng)增加至lOm以上,并按剛性樁方法來(lái)計(jì)算單樁承載力.復(fù)合地基承載力通常是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)來(lái)確定的,其確定方法是按變形控制,并規(guī)定取沉降S=o.004一o.01B(B為荷載板的寬度)時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載作為承載力基本值,或按規(guī)范"規(guī)定的復(fù)合地基承載力計(jì)算公式計(jì)算:,I=m+盧(1一m.?(1)式中m為置換率;為攪拌樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值;A為攪拌樁截面積;.為天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值;.為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值;為樁間土承載力折減系數(shù).對(duì)于值,當(dāng)樁端土為軟

3、土?xí)r,可取0.51.O;當(dāng)樁端土為硬土?xí)r,可取0.10.4:當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí),可取零.因此,無(wú)論采用載荷試驗(yàn)還是式(1)來(lái)確定復(fù)合地基承載力.對(duì)樁間土天然地基承載力的取用,與天然地基取沉降S=0.02B時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載作為承載力基本值,三者取用天然地基承載力的標(biāo)準(zhǔn)是不一致的.以樁間土天然地基載荷試驗(yàn)的荷載.沉降曲線(圖1)來(lái)說(shuō),三者取用的是不同沉降對(duì)應(yīng)的承載力,可以說(shuō),存在著概念的混亂.lIll尸umP圖1樁間土承載力的確定Detexmimtiafthehca曲詞2室內(nèi)模型試驗(yàn)為了研究水泥土類(lèi)半j性樁樁土接觸面與剛性樁樁土接觸面荷載傳遞特性的差異,作者設(shè)計(jì)了圖2所示的樁土接觸面荷載傳遞試

4、到稿日期:1998-07.23.鄭剛.男.32歲,副教授,從事巖土工程教學(xué)與研究第3期鄭剮等:水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力研究土體樁體圖2樁土接觸面荷載試驗(yàn)Fig.2Modeltest0fload廿:moftheinte,ffa0fpi1e-,Ariasoil驗(yàn).模型樁樁徑6or一,高度為150illin,樁體分別為C20素混凝土和水泥摻入比為18%的水泥土.試驗(yàn)箱由鋼板制作,試驗(yàn)箱平面尺寸為1(DOfm1X800fm1.內(nèi)填150illin厚的粉質(zhì)粘土.土樣在鋪填以前進(jìn)行了涼干粉碎,然后分層拋灑鋪填,覆蓋無(wú)紡布并壓上鋼板后,按35%含水量澆水并在2kPa荷載下固結(jié)15天,再鉆孔成樁.本試驗(yàn)的素混

5、凝土樁模擬鉆孔癱注樁的施工過(guò)程:第一種,先在土中成孔,孔徑為60n,再用鉆孔癱注樁旅工現(xiàn)場(chǎng)收集的泥漿倒入孔中浸泡3O分鐘后將泥漿漏放干凈,緊接著澆癱素混凝土成樁.經(jīng)測(cè)試,孔壁泥皮厚度為12mm;第二種,成孔后直接灌入混凝土,模擬干法成孔灌注樁.本試驗(yàn)中的半剛性樁是水泥土攪拌樁.在土中成孔后填入現(xiàn)攪拌均勻的水泥土并適當(dāng)壓實(shí),以模擬水泥攪拌樁成樁過(guò)程中的輕微擠土作用.為便于加載,在樁體中埋入了鐵絲并引出樁體下端,保證鐵絲埋設(shè)位置正好處于樁中心.試驗(yàn)加載是在樁下端預(yù)留鐵絲上連接足夠大的容器,通過(guò)量杯加水來(lái)加載.為了保證樁體下端不與鋼板卡住,在成樁后立即將樁體下端鋼板以上10nn高度內(nèi)樁體半徑減小5i

6、llin.在樁頂安設(shè)百分表測(cè)量樁頂豎向位移.以在某一級(jí)荷載作用下樁體位移不能收斂為判斷樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限的標(biāo)準(zhǔn).試驗(yàn)過(guò)程中保持土體頂面2kPa固結(jié)荷載不變,加載試驗(yàn)在成樁28天后進(jìn)行.圖3為剛性樁和水泥土樁不同齡期的荷載傳遞曲線.圖中橫坐標(biāo)表示樁體下端旅加的荷載,縱坐標(biāo)表示樁體在荷載作用下的位移.從試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):(1)水泥土樁由于攪拌較為均勻,水泥摻入比又較高,28天齡期時(shí)的樁土接觸面荷載傳遞情況與干法成孔癱注樁情況較為接近;試驗(yàn)水泥土攪拌樁極限側(cè)摩阻力高于濕法成孔(有泥皮)灌注樁極限側(cè)摩阻力,略高于干法成孔癱注樁極限側(cè)摩阻力.鉆孔癱注樁干法成孔極限側(cè)摩阻力高于濕法成孔的極限側(cè)

7、摩阻力.PIkN圖3樁土接觸面荷載傳統(tǒng)試驗(yàn)曲線ng3Curveloadtrarleroftheintea:facepwithd(2)在試驗(yàn)條件下,由于土體固結(jié)壓力較小,土體壓縮模量較低,剛性樁和半剛性樁樁體模量相對(duì)于土體壓縮模量都較高,兩者的樁土接觸面荷載傳遞沒(méi)有大的差別,均表現(xiàn)出一定的樁土接觸面相對(duì)滑移現(xiàn)象.由此可以認(rèn)為.當(dāng)采用水泥土攪拌樁等半剛性樁加固軟土地基時(shí),在滿(mǎn)足一定的條件時(shí),可以將半剛性樁視同剛性樁樁體來(lái)計(jì)算樁側(cè)摩阻力.(3)28天齡期時(shí)水泥土半剛性樁極限側(cè)摩阻力高于癱注樁的極限側(cè)摩阻力.對(duì)濕法成孔灌注樁估計(jì)是癱注樁樁周軟弱泥皮的存在所致;干法成孔灌注樁因?yàn)槌煽讜r(shí)因樁周土巖土力學(xué)1

8、999芷體發(fā)生松弛,而且水泥硬化導(dǎo)致樁身收縮,也削弱了側(cè)摩阻力.實(shí)際工程中水泥土攪拌樁沒(méi)有表現(xiàn)出高于灌注樁的承載力主要是因?yàn)樗鄵搅康?通常為土天然重度的10%一20%),實(shí)際施工時(shí)水泥漿與土很難充分?jǐn)嚢杈鶆?因而決定了樁身強(qiáng)度低,水泥土彈性模量也相對(duì)較低,試樁時(shí)容易發(fā)生材料破壞或樁身壓縮量太而達(dá)到復(fù)合地基載荷試驗(yàn)終止加荷的標(biāo)準(zhǔn).3現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基承載力試驗(yàn)前面提到復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,涉及到復(fù)合地基的基本的概念.采用復(fù)合地基的目的:一是提高承載力,從滿(mǎn)足承載力的角度來(lái)說(shuō),當(dāng)樁長(zhǎng)大于某個(gè)長(zhǎng)度以后,存在無(wú)數(shù)不同的樁長(zhǎng)都能滿(mǎn)足預(yù)定的承載力要求;二是減小地基壓縮量,即減小基礎(chǔ)沉降,通過(guò)對(duì)主要壓縮層進(jìn)行

9、加固,提高復(fù)合土體的平均壓縮模量,達(dá)到減小沉降的目的.由于基底下附加應(yīng)力隨深度的增加而減小,因此,對(duì)附加應(yīng)力較大的土層進(jìn)行加固和對(duì)附加應(yīng)力已較小的土層進(jìn)行加固其意義是不同的.而附加應(yīng)力的擴(kuò)散深度是與基礎(chǔ)底板寬度和附加應(yīng)力的太小有關(guān).鑒于研究人員對(duì)單樁的有效樁長(zhǎng)研究"多數(shù)是針對(duì)單樁,沒(méi)有考慮基礎(chǔ)板的影響,為了研究樁長(zhǎng)對(duì)實(shí)際基礎(chǔ)下復(fù)合地基承載力的影響,作者在天津華苑居住區(qū)二期工程五區(qū)設(shè)計(jì)了兩幢六層磚混住宅樓,采用筏板基礎(chǔ),同一幢樓下采用了兩種樁長(zhǎng),進(jìn)行了八組復(fù)合地基試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表l,表2及圖4和圖5表1華苑小區(qū)綺華里13樓復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)沉降量(rim)表Table1Theresult

10、htestof13h,ilai,l3樓與l6樓緊鄰,根據(jù)勘查報(bào)告,二者地質(zhì)條件基本相同.從試驗(yàn)結(jié)果看,當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)有效長(zhǎng)度以后,復(fù)合地基承載力并不隨樁長(zhǎng)增加而增加.根據(jù)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)來(lái)確定復(fù)合地基承載力時(shí),由于主要是采用變形控制來(lái)確定,當(dāng)載荷板尺寸為1mxlm時(shí),對(duì)應(yīng)于載荷板沉降為410nn(即5=0.0040.0l,為載荷板寬度)時(shí)的荷載即為復(fù)合地基承載力.以B34號(hào)樁為例,假定樁土應(yīng)力比為4,第3期剛等:水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力研究O,0100】50200250P,kr圖413樓復(fù)合地基荷載試驗(yàn)曲線Fig4Ctm,e0fcompositefodafionbearingt050】00I,02

11、002卯P,kII圖516樓復(fù)臺(tái)地基荷載試驗(yàn)曲線Fig.5Curve唧0tBfoundalonbeoJ'itest則在荷載為150kPa時(shí),樁頂荷載P為75kN,在假定樁端土反力為零,樁身彈性模量為100lVlPa,忽略樁周土的側(cè)向約束作用時(shí),則樁Dr身壓縮量為=3m已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)s'Im值.這說(shuō)明,類(lèi)似水泥土攪拌樁的半剛性樁,雖然可以按樁來(lái)計(jì)算單樁承載力,但由于樁身模量較剛性樁低很多,往往在單樁承載力極限值完全發(fā)揮以前,樁頂沉降就(包括樁身壓縮量)已超過(guò)s值.這說(shuō)明,靠增加樁長(zhǎng)來(lái)提高復(fù)合地基承載力(按荷載試驗(yàn)來(lái)確定)是有限的,而增加置換率則是提高承載力的有效途徑.從變形設(shè)計(jì)的角度

12、來(lái)說(shuō),樁長(zhǎng)往往由建筑物的允許沉降量來(lái)確定.必須指出,上述分析中并沒(méi)有考慮樁端沉降,在考慮到s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)揮端阻力所需要的較大的沉降,說(shuō)明端阻力的貢獻(xiàn)是不能發(fā)揮的,同樣,如果把長(zhǎng)樁視為兩段短樁,下面一段對(duì)上面一段提供的端阻力也是不能考慮的.這就是單樁有效樁長(zhǎng)的原理.作者在華苑設(shè)計(jì)的攪拌樁復(fù)合地基,根據(jù)上述理論,采用了短樁,以提高置換率來(lái)獲取承載力,長(zhǎng)樁則用來(lái)控制沉降,長(zhǎng)短結(jié)合,既節(jié)約造價(jià),又提高了樁的利用率.4復(fù)合地基樁間土承載力的確定前面提到了幾種樁間土承載力取用的標(biāo)準(zhǔn)存在不致,其一為:天然地基承載力確定與復(fù)合地基承載力確定采用的沉降標(biāo)準(zhǔn)不一致,其二為:公式(1)考慮了類(lèi)似剛性樁的群樁效應(yīng)和樁問(wèn)

13、土分擔(dān)外荷載問(wèn)題.在工程實(shí)踐中,常常在基礎(chǔ)底板與攪拌樁樁頂之間設(shè)置2OO500的砂墊層,利用樁頂對(duì)墊層的向上刺人來(lái)強(qiáng)迫樁間土發(fā)揮承載力,這就使荷載由承臺(tái)(或荷載板)向樁土的傳遞發(fā)生了變化:無(wú)墊層時(shí),荷載首先主要由樁體承擔(dān),隨著沉降增大,樁問(wèn)土反力才逐漸增大;而設(shè)置墊層后,主要荷載由樁間土承擔(dān),當(dāng)樁頂墊層被充分?jǐn)D出和壓密后,樁體才更多地承擔(dān)增加的荷載.即使樁端處于硬土層時(shí),復(fù)合地基上建筑物沉降量通常大于40mtn,由于墊層的存在,足以使樁問(wèn)土發(fā)揮承載力.這個(gè)變化由作者在同一試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行的有無(wú)墊層的復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果得到證明.試驗(yàn)采用了2m×2m的荷載板,樁體采用420tm沉管灌注樁(

14、這是作者為驗(yàn)證墊層作用而進(jìn)行的試驗(yàn),詳細(xì)結(jié)果將另文討論),樁長(zhǎng)12m,樁頂與基礎(chǔ)板之間采用2OO一厚砂墊層.有無(wú)墊層時(shí)的荷載一沉降關(guān)系相差很大,其原因是墊層的有無(wú)改變了承臺(tái)(荷載板)荷載向樁土傳遞的規(guī)律.在采用靜載荷試驗(yàn)確定復(fù)合地基承載力時(shí),由于采用P.為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,由圖1可見(jiàn),樁問(wèn)土承載力實(shí)際上只利用了很小的一部分.樁問(wèn)土承載力的利用程n482一一一目日0"I巖土力學(xué)1999度對(duì)復(fù)合地基的造價(jià)影響巨大,因此,必須對(duì)設(shè)置墊層以后復(fù)合地基承載力的確定進(jìn)行深人的研究.5結(jié)論根據(jù)水泥土樁模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的分析,可以認(rèn)為:(1)對(duì)水泥土類(lèi)半剛性樁,其樁土接觸面荷載傳遞與剛性樁

15、荷載傳遞特點(diǎn)并無(wú)很太差別;單樁承載力可按類(lèi)似剛性樁的樁體側(cè)摩阻力計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì).但單樁承載力受有效樁長(zhǎng)的上限限制.(2)靠增加樁長(zhǎng)來(lái)提高承載力的作用是有限的,應(yīng)按建筑物的允許沉降來(lái)確定樁長(zhǎng),即加固深度.(3)單純從提高復(fù)合地基承載力的角度來(lái)說(shuō),提高樁身強(qiáng)度和置換率對(duì)提高承載力更為有效.(4)復(fù)合地基在確定樁間土承載力的取值時(shí),與天然地基承載力的確定標(biāo)準(zhǔn)不一致,對(duì)地基處理造價(jià)影響巨太.(5)設(shè)置褥墊層以后,基礎(chǔ)向樁土傳遞荷載的規(guī)律發(fā)生了變化,故復(fù)合地基承載力確定方法尚需深入研究.參考文獻(xiàn)1中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ7991).199241462段繼偉.龔曉南,曾國(guó)熙.水泥攪捧樁的荷載傳遞規(guī)律巖土工程.1994,16(4):】83王朝東,陣靜曦.關(guān)于水泥攪拌樁有效樁長(zhǎng)的探討巖土力學(xué),1996,17(3):43474貴勤發(fā)等,樁長(zhǎng)及水泥摻人量對(duì)柔性樁承載力的影響巖土力學(xué).1997,l8(1):5459ResearchontheBearingCapacityofCementTreatedCompositeFoundation略J/arg(c喀ecivil蛐.Univtity,3OOO72)AltraetThedetermination0fthecapacitycementtwatedc0mp皤foundafiisdledbyo0血1gmod