郭增強，趙有明，付兵先

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.石家莊鐵道學院，石家莊 050043)

水泥攪拌樁復合地基樁土應力比的現(xiàn)場試驗分析

郭增強1，2，趙有明1，付兵先1

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.石家莊鐵道學院，石家莊 050043)

樁土應力比是攪拌樁復合地基設(shè)計、施工時的重要控制參數(shù)。根據(jù)公路路基現(xiàn)場試驗的實測數(shù)據(jù)，分析帶格柵褥墊層不同位置處攪拌樁樁頂及樁間土的應力變化、樁頂和樁間土的沉降規(guī)律，總結(jié)了路堤施工過程荷載的傳遞規(guī)律，對水泥攪拌樁復合地基的設(shè)計和施工提出了具體建議。

水泥攪拌樁 現(xiàn)場試驗 樁土應力比

目前在確定水泥攪拌樁復合地基承載力時，樁土應力比取值的變化范圍比較大，而樁土應力比的影響因素又很多，在具體工程中較難明確樁土應力比的取值，在工程實踐中開展樁土應力比針對性的試驗研究是非常有必要的。

2 測試儀器布設(shè)結(jié)果分析

在路基中線位置埋設(shè)了兩層共6個靜土壓力盒(每層3個)。下層在攪拌樁頂埋設(shè)2個土壓力盒，在與樁頂高程相同的樁間土處設(shè)置一個。鋪設(shè)一層30 cm細砂及一層CATT60鋼塑格柵后埋設(shè)上層靜土壓力盒，位置與下層靜土壓力盒在同一斷面，如圖2所示。樁的壓應力用樁頂位置處土壓力盒的量測值表示。

圖2 靜土壓力盒埋設(shè)示意

3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

3.1 樁、土壓應力變化分析

隨著施工的進展，路堤荷載逐漸增大，樁、樁間土壓應力變化如圖3所示。

圖3 各測點樁、土壓力變化曲線

1)隨著路堤填筑高度的增加，不同位置處的靜土壓應力均有較大幅度的增長，其中以格柵下A樁頂壓應力的增幅為最大。

2)格柵上樁頂與樁間土的應力增幅相關(guān)不大，由于加筋土工格柵墊層的張拉膜作用，格柵下樁頂應力增幅遠大于樁間土應力增幅，而格柵下樁間土應力增幅小于格柵上樁間土應力增幅。

3)每次加載后，格柵下樁頂應力與樁間土應力都存在一個增長再衰減的過程，且樁頂應力的變化比樁間土應力的變化要大。應力增長是荷載增大作用的結(jié)果，應力衰減則原因復雜，一是顆粒性填料內(nèi)部的應力變化有一個調(diào)整過程，另外由于樁間土沉降增大引起土工格柵的拉應力增大，其加筋作用增強，從而使上覆路基荷載的應力向樁頂轉(zhuǎn)移。所以在沉降變形較小時，鋼塑土工格柵就可以發(fā)揮較好的加筋作用。另外，樁身變形模量遠大于樁間土變形模量，在外部荷載的影響下其應力的變化要遠大于樁間土的應力變化。

4)相對于格柵下樁土應力的變化來說，格柵上樁土應力的變化較穩(wěn)定。

5)在等載階段，由于雨水的影響，不同位置處的靜土壓力均有較小的變化。由于樁間土排水固結(jié)作用，土體的強度不斷加強，樁間土應力也緩慢地上升，表現(xiàn)為應變硬化?？傮w上樁土應力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 樁土應力比分析

格柵下樁土應力比曲線如圖4所示。

1)格柵下A攪拌樁的樁土應力比大于B攪拌樁的樁土應力比，但兩條樁土應力比曲線的變化趨勢一致。

圖4 格柵下樁土應力比變化曲線

2)在路堤填筑高度較低時，樁土應力比較小。填筑1.6 m高后，樁土應力比隨路基填高增加而迅速增大，在填筑高度2.48 m時達到一個小的峰值，此時樁土應力比分別為19.4和9.3，隨后樁土應力比以較快速率下降，一直到填筑高度4 m時樁土應力比才逐漸增加，并于一段時間后達到另外一個峰值，此時樁土應力比分別為23.4和12.0。樁土應力比的變化規(guī)律反映了在加載過程中樁土應力傳遞的性狀。在加載初期，由于荷載較小，路基沉降量也較小，加筋墊層的作用尚未發(fā)揮出來，此時樁土應力增幅基本相同，樁土應力比較小。當路基填筑到1.6 m高度時，隨著路基沉降量的增加，加筋墊層的作用得到一定程度的發(fā)揮，樁身由于變形模量較大，其應力增加很快，樁土應力比迅速增大。在填筑高度達2.48 m時，在荷載的作用下，樁體產(chǎn)生了變形及下沉，造成樁間土應力增長的速率大于樁頂應力增長，樁土應力比相應地有所降低。但隨著樁體的變形及下沉，樁側(cè)摩阻力不斷增大，樁的承載力也不斷增大，此時，隨著路基沉降的增大，土工格柵的拉應力增加，加筋墊層的作用進一步發(fā)揮，樁頂應力增長的速率加快，樁土應力比表現(xiàn)為上升。在超載預壓一段時間后，由于樁間土應變硬化的作用，樁土應力比緩慢下降。

3)格柵下A樁和B樁的樁土應力比相差較大，按照超載預壓后期A樁和B樁的平均樁土應力比等于20.4計算，樁頂平均應力為428.7 kPa，樁間土平均應力為21.0 kPa，反算得到的填筑高度為6.26 m，與實際填筑高度4.16 m不符。按照B樁的樁土應力比等于10.5計算，樁頂平均應力為220.8 kPa，樁間土平均應力為21.0 kPa，反算得到的填筑高度為3.7 m，考慮到格柵的應力擴散作用，反算得到的填筑高度是比較合理的結(jié)果，因此，格柵下樁土應力比B樁為10.0左右是比較合理的。此時，格柵下樁土荷載比為2.80，樁頂荷載為46.3 kN，與攪拌樁設(shè)計承載力100 kN相差甚遠。土工格柵上側(cè)(相當于無土工格柵時)A樁和B樁平均樁土應力比為1.1，樁土荷載比0.29，樁頂荷載為12.4 kN。根據(jù)以上計算結(jié)果可知，加筋墊層向每根樁轉(zhuǎn)移荷載33.1 kN，占樁頂荷載的71.5%?？梢姡捎谕凉靶袄ば碾p重作用，加筋墊層復合地基樁土受力的作用非常明顯。因此，為了減小墊層的厚度，同時又能起到協(xié)調(diào)變形的作用，必須在墊層中鋪設(shè)相應剛度的土工格柵。

格柵上樁土應力比曲線如圖5所示。樁土應力比的變化過程比較簡單。在加載階段，格柵上樁土應力比隨荷載的增加有較小幅度的增加，在一次性加載1.38 m填料時，樁土應力比并沒有明顯的上升，而是在經(jīng)過較小的增長后轉(zhuǎn)入緩慢下降階段。這是由于樁身強度比樁間土高，因此在加載期間樁土應力比不斷上升，而在等載階段，隨著樁間土強度的不斷增加，樁土應力比表現(xiàn)為緩慢下降。

圖5 格柵上樁土應力比變化曲線

3.3 樁土應力比隨沉降變化關(guān)系

樁土應力比曲線與沉降曲線關(guān)系如圖6所示。樁土應力比與沉降有很好的對應關(guān)系，在加載期間，樁土應力比基本隨沉降的增大而增加。在格柵下樁土應力比達到第一個峰值并不斷下降期間，樁身和樁間土壓縮變形速率較大，也就是樁側(cè)摩阻力迅速增大的階段，正是樁土發(fā)生相對位移使樁的承載力提高，導致樁土應力重新分配才出現(xiàn)了樁土應力比的第一個峰值。在等載預壓的前期，沉降速率較大，樁土應力比則表現(xiàn)為緩慢上升，隨著沉降的增加，樁間土在應變硬化的作用下，承受的應力越來越大，樁土應力比也隨之逐漸減小。此外，樁頂沉降量與樁間土沉降量基本一致的現(xiàn)象反映出墊層的剛性較大，這是由于鋼塑土工格柵的加筋作用明顯，提高了墊層剛度的結(jié)果。

圖6 樁土應力比曲線、沉降曲線

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析得到以下結(jié)論:樁土應力比隨填筑高度的增大而增大。預壓期，總體上樁土應力比隨時間增加而增大;格柵下部的樁土應力比大于格柵上部的樁土應力比，說明了復合地基加筋墊層協(xié)調(diào)樁土荷載比的作用非常明顯;格柵上、下的樁土應力比相差很大，復合地基設(shè)計時應采用格柵下部的樁土應力比;樁頂設(shè)置強度較高的土工格柵時，建議攪拌樁復合地基樁土應力比取值約為10，樁土荷載比約為3.46;現(xiàn)場測試時，采用受壓面積較大的土壓力盒測試樁土應力比效果較好。

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TU472.3+6

B

1003-1995(2010)05-0093-03

1 工程概況

廣東佛山環(huán)市高等級公路路基寬度120～150 m，路堤設(shè)計高度為2.0～4.5 m。沿線遍布軟土地基，試驗段地層主要由第四系填土層和沖積層組成。軟土層(淤泥、淤泥質(zhì)土等)厚度約7.5～10.0 m，部分路段軟土層夾薄砂層較多或含砂量較大，軟土有機質(zhì)含量較少，約1.34% ～2.65%，軟土層下普遍下臥砂層，必須進行軟基加固處理。試驗段采用攪拌樁復合地基(如圖1所示)，攪拌樁設(shè)計長度為10 m，以穿透軟土層進入硬土層0.5 m為準，按梅花形布樁，間距為1.2 m，樁身直徑為 50 cm，采用P.O32.5水泥，用灰量 50 kg/m。攪拌樁采用噴漿法施工，四噴四攪成樁，下沉、提升速度不大于0.8 m/min，每根樁施工時間不小于40 min，水灰比根據(jù)工藝性試樁確定為0.63。樁頂填筑30 cm細砂后鋪設(shè)一層CATT60-60鋼塑土工格柵。路堤填筑采用細砂，采用薄層輪加法，每層壓實厚度不超過50 cm。

圖1 攪拌樁施工示意(單位:m)

2010-01-20;修回日期:2010-02-25 作者簡介:郭增強(1970— )，男，河北石家莊人，博士研究生。

(責任審編 王 紅)