趙文政

摘 要：針對(duì)砼芯水泥土攪拌樁處理深厚軟土地基的工程實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果，研究了砼芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基的荷載傳遞規(guī)律、側(cè)摩阻力分布特點(diǎn)和樁土應(yīng)力比。測(cè)試結(jié)果表明：復(fù)合地基的上部荷載主要由砼芯承擔(dān)，隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→樁周土體擴(kuò)散；施工過(guò)程中砼芯擠入改良了攪拌樁與土體間的接觸性質(zhì)，使得攪拌樁外殼與土體間的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦的水泥攪拌樁側(cè)摩阻力計(jì)算值；砼芯與攪拌樁外殼之間接觸緊密，保證了荷載的向外地有效擴(kuò)散；復(fù)合地基中樁土共同受力，能夠同步發(fā)揮承載力。最后提出了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：砼芯水泥攪拌樁；復(fù)合地基；荷載傳遞；承載力

Analysis of Load Test of concrete-cored DCM pile composite ground

Zhao Wen-zheng

（Nanjing Quality Supervision Station of Transportation Engineering， Nanjing 210008， China）

Abstract： The load transfer mechanism， character of side friction distribution and pile-soil stress ratio of composite ground with concrete-cored DCM pile were researched by load test according to the engineering example for deep soft soil reinforced by concrete-cored DCM pile. The results indicate that the upper load is borne mainly by concrete-cored and transfer through concrete-cored→DCM pile→ soil with the load increasing. Not only the bearing capacity of surrounding soil but also the side friction are improved with the insertion of concrete-cored. The load transfer can be guaranteed by the high side friction between the concrete-cored and DCM pile. The bearing capacity of surrounding soil and concrete-cored DCM pile is played at the same time. Finally， the calculation formula of bearing capacity of composite ground with concrete-cored DCM pile is proposed.

Keywords： concrete-cored DCM pile ；composite ground ； load transfer ；bearing capacity

引言

隨著我國(guó)高等級(jí)公路、鐵路以及機(jī)場(chǎng)的大力建設(shè)，解決軟土承載力不足以及沉降過(guò)大的問(wèn)題十分緊迫。在各種地基處理技術(shù)中，復(fù)合地基以其工藝簡(jiǎn)單、施工方便、加固效果好等優(yōu)勢(shì)，在地基處理中得到了廣泛應(yīng)用[1]。在形成復(fù)合地基的各種樁型中：水泥土攪拌樁的樁身材料強(qiáng)度低，達(dá)到承載力極限時(shí)一般在樁身上部發(fā)生破壞，沉降量也可觀[2]；而現(xiàn)澆薄壁管樁[3]以及廣泛使用的灌注樁[4]，在達(dá)到極限荷載時(shí)樁周土體首先發(fā)生剪切破壞，而此時(shí)樁體強(qiáng)度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮，造成材料浪費(fèi)。

砼芯水泥攪拌樁采用高彈模的預(yù)制砼芯作為受力核心，大表面積的水泥土攪拌樁外殼提供側(cè)摩阻力，結(jié)合了剛性樁和柔性樁的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供較高的承載力并有效減少沉降[5]。董平[5-6]等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元模擬，分析了砼芯水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律，并將單樁破壞模式分為砼芯壓裂和樁周土體剪切破壞兩種，提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。陳穎輝等[7]根據(jù)靜載試驗(yàn)研究了含芯率和芯長(zhǎng)比對(duì)承載力的影響，將單樁破壞分為漸進(jìn)型和急進(jìn)型兩種類型，并提出了相應(yīng)的單樁承載力計(jì)算公式。丁永君等[8]通過(guò)單樁靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砼芯水泥攪拌樁的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)大于水泥攪拌樁和鉆孔灌注樁，有利于單樁承載力的提高。

現(xiàn)有的關(guān)于砼芯水泥攪拌樁的研究資料主要集中在單樁承載力方面，對(duì)于砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基承載性質(zhì)研究較少，對(duì)其承載力機(jī)理的認(rèn)識(shí)并不清楚。本文結(jié)合復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，進(jìn)行了砼芯荷載傳遞規(guī)律、側(cè)摩阻力分布特點(diǎn)以及樁土應(yīng)力比測(cè)試。最后給出了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式。

1.工程概況

某繞城公路沿線穿越深厚軟土分布段，在里程樁號(hào)K9+260～K9+310段路基中心處打設(shè)三根試驗(yàn)樁。其主要地層分述如下：① 0～1.6m：粘土，灰黃色，濕，可塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及其浸染，雜藍(lán)灰色條紋。②1.6～3.1m：粉質(zhì)粘土，灰色，濕，可塑。③3.1～5.9m：粉質(zhì)粘土，灰色，濕，流塑，混粉土，含云母碎片。④5.9～12.7m：淤泥質(zhì)粘土，灰色，濕，流塑，含腐殖質(zhì)和泥質(zhì)結(jié)核，粒徑2-3cm。⑤12.7～19.9m：粘土，灰色，濕，軟塑，含腐殖質(zhì)。⑥19.9～23.6m：粉質(zhì)粘土，灰色，濕，可塑，土質(zhì)均勻。

試驗(yàn)區(qū)域土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）確定砼芯水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基的豎向抗壓極限承載力，研究承載力形成機(jī)理。endprint

（2）確定不同荷載水平下地表土體、攪拌樁外殼與芯樁的荷載分布規(guī)，研究砼芯水泥土攪拌樁的沉降控制機(jī)理。

（3）研究砼芯水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基豎向荷載傳遞規(guī)律。

2.2 試驗(yàn)區(qū)域布置

試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)1.4m的正方形混凝土荷載板，水泥攪拌樁直徑500mm，樁長(zhǎng)20m，水泥摻量為15%。砼芯為樁徑200mm的預(yù)制方樁，樁長(zhǎng)9m，采用4Φ14配筋和C30水泥。

共設(shè)置3組試驗(yàn)樁，各試樁區(qū)的儀器埋設(shè)方法和數(shù)量相同。以A試樁為例，如圖1所示：

（1）攪拌樁和樁周土表面各對(duì)稱埋設(shè)兩個(gè)土壓力盒AT1～AT4，進(jìn)行土壓力和攪拌樁應(yīng)力測(cè)試。

（2）砼芯內(nèi)采用串聯(lián)式預(yù)埋鋼筋計(jì)AE1～AE18，埋設(shè)深度為0m、1.6m、3.1m、5.9m、7m以及9m，圖2所示，進(jìn)行砼芯應(yīng)力測(cè)試。在0m、7m以及9m，每個(gè)深度對(duì)稱埋設(shè)兩個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，取其平均值作為最終讀數(shù)。而1.5m、3.1m和5.9m屬于土層交界面，為防止數(shù)據(jù)突變，界面上下共埋設(shè)四個(gè)鋼筋計(jì)，同樣取其平均值作為此深度處的軸力值。

2.3 試驗(yàn)方法

單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)步驟按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）附錄A《復(fù)合地基載荷試驗(yàn)要點(diǎn)》進(jìn)行。復(fù)合地基靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法。加載等級(jí)可分為8-12級(jí)。每加一級(jí)荷載前后均應(yīng)各讀記承壓板沉降量一次，以后每半小時(shí)讀記一次，當(dāng)一小時(shí)內(nèi)沉降量小于0.1mm時(shí)，即可加下一級(jí)荷載。

3.試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1荷載-沉降分布特征

圖3為三組含試樁復(fù)合地基的Q-S曲線，在整個(gè)加載過(guò)程中，復(fù)合地基沉降隨荷載增大而發(fā)展平穩(wěn)，對(duì)沉降控制效果明顯。

由表2可以看出，達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，沉降僅為4mm左右，小于樁直徑的1%，說(shuō)明高彈模砼芯的插入對(duì)沉降控制效果十分明顯。

3.2荷載傳遞規(guī)律

圖4為試樁A的砼芯軸力在不同加荷等級(jí)下隨深度的變化圖。如圖所示，隨著深度增加，軸力呈直線狀遞減。這表明在剛性基礎(chǔ)下，復(fù)合地基的上部荷載仍然主要由砼芯承擔(dān)，并隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→土體進(jìn)行擴(kuò)散，這與單樁靜載試驗(yàn)的砼芯荷載傳遞規(guī)律是相同的[5-8]。

將相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間作為一個(gè)樁段計(jì)算側(cè)摩阻力，以每個(gè)計(jì)算樁段的平均側(cè)摩阻力作為該樁段中點(diǎn)的側(cè)摩阻力值，將相鄰樁段中點(diǎn)的側(cè)摩阻力順次連接[9]，換算得出砼芯與水泥土攪拌樁外殼之間的側(cè)摩阻力如圖5所示。側(cè)摩阻力分布規(guī)律比較復(fù)雜，這與地基處理后各地層的水泥土強(qiáng)度不同有關(guān)。砼芯頂端側(cè)摩阻力發(fā)揮最快，說(shuō)明頂端樁體首先達(dá)到塑性，隨著荷載的增加，塑性區(qū)擴(kuò)展從而導(dǎo)致復(fù)合地基破壞。

由圖5還可看出，水泥土攪拌樁外殼對(duì)砼芯的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于原狀軟土的極限側(cè)摩阻力，這有效保證了砼芯應(yīng)力向外地有效擴(kuò)散，使得砼芯和水泥土外殼之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)刺入而破壞。

根據(jù)砼芯與水泥土攪拌樁的側(cè)摩阻力，忽略水泥土的軸向力[8]，可以換算出水泥土攪拌樁與樁周土間的側(cè)摩阻力：

（3）

式中：qs為砼芯與攪拌樁外殼間的側(cè)摩阻力；q為攪拌樁外殼與土體間的側(cè)摩阻力；U砼芯和U攪拌樁分別為砼芯和攪拌樁外殼的周長(zhǎng)。

圖6為三根試樁達(dá)到表2所統(tǒng)計(jì)的復(fù)合地基承載力特征值時(shí)樁土之間的側(cè)摩阻力沿深度分布圖。如圖所示，由于砼芯的插入，改良了攪拌樁外殼與樁周土的接觸性質(zhì)，樁土界面的側(cè)

摩阻力大于規(guī)范推薦的普通水泥土攪拌樁的側(cè)摩阻力特征值[10]。在進(jìn)行砼芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算時(shí)，砼芯插入范圍內(nèi)樁土間的側(cè)摩阻力特征值可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果取以下建議值：粘性土25～30kPa，粉性土20～25kPa，淤泥質(zhì)土15～20kPa，淤泥土10～15 kPa。

3.3 荷載分布規(guī)律

砼芯水泥土攪拌樁樁體由砼芯和水泥土攪拌樁兩部分組成，將砼芯水泥土攪拌樁的整體平均應(yīng)力與樁周土應(yīng)力的比值定義為樁土應(yīng)力比：

（4）

式中：σ砼，σ攪拌樁以及σ樁周土分別為砼芯，水泥土攪拌樁外殼以及樁周土的豎向應(yīng)力。S砼和S攪拌樁分別為砼芯和水泥土攪拌樁的截面積。如圖7所示，在加荷水平初期，樁土應(yīng)力比隨著荷載水平的增加而增加，峰值能達(dá)到75～105，樁體是主要承載體。當(dāng)超過(guò)峰值以后，隨著荷載水平的增加，樁土應(yīng)力比逐漸減小，最后穩(wěn)定在20左右，樁體和樁周土協(xié)調(diào)受力，有效發(fā)揮了復(fù)合地基各部分的承載力。

天然地基承載力為120kPa，復(fù)合地基施工完成后對(duì)樁周土進(jìn)行了三組靜力觸探試驗(yàn)，得到土體平均承載力為143kPa，樁周土體承載力提高系數(shù)α為1.19。當(dāng)達(dá)到復(fù)合地基承載力特征值時(shí)，三根試樁樁周土體的豎向應(yīng)力分別為50kPa，36kPa和39kPa，相對(duì)于處理后的天然地基承載力，承載力發(fā)揮系數(shù)β分別為0.35，0.25和0.27。

圖8為三組砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)的地表荷載分擔(dān)比隨加載量的變化規(guī)律。如圖所示，隨著加載量的增加，砼芯所承擔(dān)荷載比例逐漸減小，樁周土體承擔(dān)荷載比例逐漸增大，說(shuō)明隨著加載量的增加，樁土共同發(fā)揮承載作用，越來(lái)越顯現(xiàn)出復(fù)合地基的特性。但整個(gè)加載過(guò)程中，砼芯所承擔(dān)的荷載依然是最大的，砼芯是主要的承載受力部分。攪拌樁外殼在整個(gè)加載過(guò)程的荷載分擔(dān)比例基本沒(méi)有變化，攪拌樁在整個(gè)樁土體系中并不是承擔(dān)豎向荷載的主要部分，而是通過(guò)大表面積提供足夠的豎向摩擦力。

5.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工期監(jiān)測(cè)以及單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，研究了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載特性以及承載力機(jī)理，并提出了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力計(jì)算方法，主要結(jié)論如下：

（1）砼芯水泥土攪拌樁能有效控制沉降，在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)沉降不到樁徑的1%。在剛性基礎(chǔ)下，復(fù)合地基的上部荷載仍然主要由砼芯承擔(dān)，并隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→土體進(jìn)行擴(kuò)散。endprint

（2）承載力機(jī)理為：施工過(guò)程中砼芯擠入提高了樁周土體的天然承載力，改良了攪拌樁與土體間的接觸性質(zhì)，使得攪拌樁外殼與土體間的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦的水泥攪拌樁側(cè)摩阻力計(jì)算值；砼芯與攪拌樁外殼之間接觸緊密，保證了荷載的向外地有效擴(kuò)散；復(fù)合地基中樁土共同受力，能夠同步發(fā)揮各自的承載力。

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