張凡希， 祁 慧， 陳洪程， 王振華

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

勁性復(fù)合樁作為一種新型樁型，近年來(lái)已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)其承載力、復(fù)合地基彈性模量、抗彎剛度等參數(shù)進(jìn)行研究。陳邱云[1]通過(guò)對(duì)某臨江水泵閘下樁基靜載試驗(yàn)與計(jì)算，得出勁性復(fù)合樁相比剛性樁與半剛性樁對(duì)地基承載力有明顯提升的結(jié)論；張繼文[2]對(duì)水泥加固后的復(fù)合地基的工程特性進(jìn)行系統(tǒng)研究?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展粉噴水泥土樁單樁及復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，對(duì)粉噴水泥土樁復(fù)合地基承載特性、樁土應(yīng)力比及單樁承載特性進(jìn)行分析和研究；張儀萍等[3]采用復(fù)合地基單元模型，推導(dǎo)復(fù)合地基在彈性變形階段彈性模量和泊松比的計(jì)算公式，結(jié)果表明等效泊松比隨復(fù)合地基置換率變化相對(duì)明顯，復(fù)合單元體等效變形模量變化不大；錢(qián)于軍等[4]以某工程項(xiàng)目為背景，進(jìn)行大量試樁試驗(yàn)，將預(yù)制管樁與水泥土-預(yù)制管樁復(fù)合樁進(jìn)行承載力對(duì)比，并量測(cè)復(fù)合樁中樁身軸力，試驗(yàn)結(jié)果表明水泥土-預(yù)制管樁復(fù)合樁承載力相對(duì)于一般管樁有較大提高，復(fù)合樁對(duì)施工技術(shù)的要求相比于預(yù)制樁大大降低，同時(shí)工程造價(jià)大大降低，增加經(jīng)濟(jì)效益。以往研究都以?xún)?nèi)芯勁性樁為主，對(duì)外芯水泥土攪拌樁尤其是其施工工藝研究較少。

1 勁性復(fù)合樁成樁作用原理

勁性復(fù)合樁由混凝土樁和水泥土攪拌樁共同組成，其中水泥土攪拌樁主要依靠攪拌水泥與周邊土體并添加輔劑制成，混凝土樁主要起擠壓作用。

水泥與土一系列反應(yīng)主要分為3個(gè)部分，水泥與水反應(yīng)、土體中氧化物與水泥水解物反應(yīng)、碳酸化作用[5]。

1.1 水泥與水反應(yīng)

普通硅酸鹽水泥主要成分為CaO(氧化鈣)、SiO2(二氧化硅)、Al2O3(氧化鋁)、Fe2O3(氧化鐵)及SO3(三氧化硫)等化合物，這些氧化物分別與水發(fā)生反應(yīng)生成一系列產(chǎn)物。當(dāng)利用水泥加固土體時(shí)，水泥中主要物質(zhì)如CaO、SiO2等會(huì)與土體中的水繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成各種水解物。生成的水解物中一部分溶解于水，使得水泥中剩余成分能夠繼續(xù)與水發(fā)生反應(yīng)，如此往復(fù)使得水泥溶液達(dá)到飽和。此時(shí)新生成的化合物則以膠體析出。下列化學(xué)反應(yīng)式(1)～(4)為水泥與水反應(yīng)方程式，除反應(yīng)式(2)反應(yīng)較慢外，其余反應(yīng)均較快。

6CaO·2SiO2+7H2O→3CaO·SiO2·4H2O+3Ca(OH)2

(1)

4CaO·2SiO2+5H2O→3CaO·SiO2·4H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·Al2O3+3CaO·3SO3·6H2O→6CaO·Al2O3·3SO3·32H2O

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

(4)

1.2 土體與水泥水解物反應(yīng)

土體中SiO2與水反應(yīng)生成的膠體微粒，通過(guò)與Ca2+進(jìn)行吸附交換，形成大的土粒，提高土體強(qiáng)度。水泥水化生成的化合物通過(guò)自身極強(qiáng)的分子間引力，結(jié)合土體并填充孔隙，加強(qiáng)水泥土強(qiáng)度。在水泥處于堿性環(huán)境中時(shí)，水泥中的SiO2、Al2O3經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，形成結(jié)晶化合物，也提高水泥與土構(gòu)成的復(fù)合地基強(qiáng)度。

1.3 碳酸化作用

化學(xué)反應(yīng)式(1)與式(2)中生成的Ca(OH)2(氫氧化鈣)與參與反應(yīng)的土體和水泥漿液中的CO2(二氧化碳)反應(yīng)生成CaCO3(碳酸鈣)薄殼，起到與混凝土中粗骨料相似的作用。

水泥通過(guò)攪拌機(jī)械的攪拌與土體進(jìn)行充分接觸，使上述1個(gè)化學(xué)反應(yīng)式(1)～(4)能夠盡可能地充分進(jìn)行，同時(shí)攪拌機(jī)械通過(guò)攪拌水泥與土體使兩種之間的反應(yīng)充分進(jìn)行，增加土體強(qiáng)度，從而使得攪拌樁能夠成型并具有足夠的強(qiáng)度。

混凝土樁在凝結(jié)、硬化的過(guò)程中，樁身尺寸會(huì)進(jìn)一步增加。勁性復(fù)合樁中混凝土樁作為內(nèi)芯剛性樁，體積的增加迫使外芯水泥土柔性樁的樁徑也進(jìn)一步增大。水泥土攪拌樁樁徑的增大使得水泥被更加充分的擠入樁周?chē)馏w中，水泥與土的一系列反應(yīng)進(jìn)行的更加充分，同時(shí)更多的土體孔隙中被擠入水泥，進(jìn)一步增強(qiáng)樁周側(cè)摩阻力，最終提升勁性復(fù)合樁的豎向承載力。

2 勁性復(fù)合樁試驗(yàn)研究

2.1 樁基試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作

樁基試驗(yàn)選擇位于蘇南某水利樞紐中的立交地涵北部西側(cè)翼墻部分，總共布置25個(gè)勘探點(diǎn)，其中11個(gè)取土試樣孔，孔深25～40 m，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貫入孔，孔深35～40 m，11個(gè)雙橋靜力觸探孔，孔深30～35 m。根據(jù)勘探結(jié)果總共可分為19層，每層土具體性質(zhì)如表1所示。

表1 土層綜合成果

樁周土層主要為33、42、52、53等土層。樁基試驗(yàn)分為兩組，一組外芯為濕法工藝施工的水泥土攪拌樁，一組外芯為干法工藝施工的水泥土攪拌樁，每組各3根。勁性復(fù)合樁剖面圖及斷面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 樁基剖面示意圖

圖2 A-A截面示意圖

2.2 完整性檢測(cè)及結(jié)果分析

樁基完整性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中結(jié)果可知，樁身段波速基本穩(wěn)定在3 400 ～3 500 m/s左右，相差不大。說(shuō)明這6根樁都是樁身結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)及施工要求的樁，為Ⅰ類(lèi)樁。其中2-100、2-104、2-108這一組為濕噴工法制成樁，2-125、2-126、2-127這一組為干噴工法制成的樁，且前一組波速總體分布明顯比后一組更快。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[6]中相關(guān)規(guī)定，在其他條件相同情況下，檢測(cè)波速越大，速度波第一峰與樁底反射波峰間的時(shí)間差越小。同時(shí)結(jié)合水泥土攪拌樁成樁原理，表明在樁周土體含水率較低的情況下濕噴工法制成的樁完整性要優(yōu)于干噴工法制成的樁。

表2 勁性復(fù)合樁樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)結(jié)果

2.3 靜載試驗(yàn)及結(jié)果分析

承載力檢測(cè)目的是為研究提供依據(jù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行檢測(cè)。在樁頂施加荷載后，分別在5 min時(shí)、15 min時(shí)、30 min時(shí)、45 min時(shí)、60 min時(shí)記錄樁頂沉降值，此后每隔0.5 h進(jìn)行一次沉降值的記錄。每一級(jí)荷載加載時(shí)在每1 h內(nèi)的樁頂沉降值不得超過(guò)0.1 mm，同時(shí)連續(xù)兩次沉降值差值不超過(guò)0.1 mm后方可進(jìn)行下一級(jí)加載，在分級(jí)荷載施加后第30 min內(nèi)開(kāi)始，并在之后90 min內(nèi)每30 min記錄一次樁頂沉降并確認(rèn)是否滿足要求，確認(rèn)沉降滿足要求后開(kāi)始下一級(jí)加載。卸載時(shí)，每級(jí)荷載維持60 min，和加載時(shí)一樣，在相對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)記錄樁頂沉降值。待樁頂荷載減小至0后，記錄此時(shí)樁頂沉降值，整個(gè)卸載時(shí)間不小于3 h。

加載荷載時(shí)分級(jí)進(jìn)行，一般分為10級(jí)，每級(jí)加載相同。豎向荷載最大加載值為826 kN，總共分為9級(jí)，第一級(jí)為165 kN。減小樁頂荷載時(shí)應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)減少荷載量為每級(jí)增加荷載量的兩倍，即165 kN一級(jí)。加載和卸載時(shí)盡可能均勻、連續(xù)、無(wú)沖擊地使上部靜載傳遞到樁頂，同時(shí)每級(jí)加載或卸載的誤差不得超過(guò)±10%。

荷載值通過(guò)壓力傳感器測(cè)量傳輸給樁頂部?jī)x器自動(dòng)記錄；工程樁(試樁)沉降則通過(guò)對(duì)稱(chēng)正向布置于樁頂?shù)膬x器測(cè)量，傳輸給儀器自動(dòng)記錄，所有測(cè)量樁頂沉降的儀器均固定于樁頂部基準(zhǔn)梁上。

加載試驗(yàn)一般是在試驗(yàn)滿足以下條件之一時(shí)終止：

(1)所加最大荷載已達(dá)到設(shè)計(jì)荷載同時(shí)該級(jí)荷載作用下樁頂沉降穩(wěn)定；

(2)荷載—沉降曲線為緩變型時(shí)，樁頂荷載可增加至累計(jì)沉降值超過(guò)60 mm，若端阻力還未達(dá)到極限時(shí)樁頂荷載可增加至累計(jì)沉降值超過(guò)80 mm。

試驗(yàn)主要目的為測(cè)試試樁完整性并檢測(cè)是否能夠滿足研究所需極限荷載，根據(jù)上述要求故僅加載至研究最大荷載，即826 kN。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試樁共有6根，根據(jù)外芯攪拌樁施工方法不同各分3根，其中2-125、2-126、2-127外芯為干噴樁，其余外芯為濕噴樁。根據(jù)試樁靜載試驗(yàn)可繪制Q～S對(duì)比圖(圖3)。每根樁都施加到設(shè)計(jì)最大荷載，且荷載—沉降曲線趨勢(shì)一致。濕噴工法制成樁最終沉降為4～6 mm，干噴工法制成樁最終沉降為6～11 mm，結(jié)果總體顯示濕噴工法成樁最終沉降值小于干噴工法成樁最終沉降值。根據(jù)成樁原理、地質(zhì)資料與上述靜載試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，勁性復(fù)合樁周?chē)蟛糠滞馏w含水率小于35%時(shí)選用干噴會(huì)導(dǎo)致承載力的降低。原因?yàn)樗嗨磻?yīng)速率因周?chē)馏w含水率較低減慢，從而降低水泥土攪拌樁的強(qiáng)度，導(dǎo)致樁基承載力的降低。

圖3 試驗(yàn)樁基Q～S曲線對(duì)比圖

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)勁性復(fù)合樁具體施工工藝的選擇，采用現(xiàn)場(chǎng)完整性試驗(yàn)及靜載試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析實(shí)際工程中勁性復(fù)合樁施工工藝的選擇對(duì)勁性復(fù)合樁的影響，得出結(jié)論如下：

(1)對(duì)某水利樞紐地涵涵首翼墻段試樁進(jìn)行完整性檢測(cè)，結(jié)果顯示勁性復(fù)合樁具有良好的完整性。

(2)對(duì)某水利樞紐地涵涵首翼墻段試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果顯示樁周土體天然含水率較低的情況下濕噴工法制成的勁性復(fù)合樁在完整性與承載力方面要優(yōu)于干噴工法制成的勁性復(fù)合樁，勁性復(fù)合樁可適用于天然含水率較低的地基中。