水泥土樁復合地基研究現狀與展望

金世偉

水泥土攪拌法是用于加固軟弱土地基的新方法。水泥土樁復合地基是指用水泥(或石灰)等材料作為固化劑,通過特制的攪拌機械,在地基深處就地將軟弱土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌,形成抗壓強度比天然地基高得多,并具有整體性、水穩性的樁柱體,由若干根這類樁體和樁間土構成復合地基。水泥土攪拌法分為水泥漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種。水泥漿攪拌法是美國在第二次世界大戰后研制成功的。1953年日本引進該方法,1974年研制成水泥攪拌固化法,我國于1978年對這種方法進行研究,1980年在上海寶山鋼鐵總廠利用水泥土攪拌樁處理軟土地基取得了成功,并通過了技術鑒定。國外使用水泥土攪拌法加固的土質有新吹填的超軟土、泥灰土和淤泥土等飽和軟土,加固深度達到60 m。國內目前采用攪拌法加固的土質有淤泥、淤泥質土、地基承載力不大于120 kPa的黏性土和粉性土等地基。

1 水泥摻入比對水泥土性狀的影響

水泥土的工程性狀主要指的是水泥土的物理、力學特征及影響因素。加固后的水泥土重度比原地基土略有增加,并隨著水泥摻入比的增大呈微弱遞增。水泥土加固的含水量隨水泥摻入比的增大而減小。同濟大學葉觀寶試驗研究得出,不同齡期的水泥土無側限抗壓強度間大致成線性關系,并由此建立了上海地區淤泥質黏土水泥土強度的推算公式。浙江大學朱向榮研究得出,水泥土無側限抗壓強度隨摻入比增加而增大,同時脆性增大,存在一最佳水泥摻入比。邵蔚霞[2]試驗得出,水泥土的無側限抗壓強度隨土體含水量增加而降低,水泥摻入比增大時,水泥土壓縮系數變化不大,但壓縮變形減少。總之,對水泥加固軟黏土等研究比較多,而水泥加固其他特殊土如紅黏土等的研究則較少,由于特殊土性狀與軟黏土差異大,故仍需作詳盡的研究。

2 水泥土樁復合地基的工程性狀

一般認為水泥土樁屬柔性樁,由于柔性樁破壞是以碎裂破壞和刺入破壞為主要破壞形式,因而其樁柱體(或單樁)承載力應分別按樁材料強度和土對樁的支持力(摩擦力+端承力)計算,取其小值為計算值。水泥土單樁從承載力角度看存在一有效樁長,單樁承載力在一定程度上并不隨樁長的增加而增大。馬海龍分析了柔性樁單樁荷載傳遞規律,指出柔性樁的樁身應力和樁側摩阻力主要集中在有效樁長內,樁土應力比隨荷載增加而減小,接近極限荷載時趨于穩定。韓煊等[3]運用數值方法研究了復合地基中群樁相互作用機理,指出群樁的有效樁長要大于單樁,在加固區內群樁沉降大于單樁,考慮群樁、樁土共同作用更接近于工程實際。竇遠明等[4]通過水泥土樁復合地基的野外靜載試驗表明:水泥土樁對樁間土工作性狀的影響僅限于近地表的有限深度內,原因是水泥粉粒或漿液在高壓下充填樁間土的空隙,增強了樁間土的聯結;在外荷較小時,水泥土樁單樁的承載力主要由樁側摩阻力提供,荷載增加到一定數值時,樁端阻力才表現出來;水泥土樁復合地基加載時,樁土應力比不是一個常數,而是隨載荷的增加呈拋物線形變化,變形協調情況下,在容許承載力附近最大。同時,樁土應力比受樁間土的影響:樁間土較軟弱,樁土應力比大,反之,則小。劉和元等[5]研究了超長水泥土攪拌樁,認為:超長水泥土攪拌樁當其樁身質量較好、上部荷載及其作用面積都較大時,樁端處的樁身附加應力也會較大,有效樁長的理論應予以修正;復合地基中的樁土應力比在一定范圍內隨上部荷載的增大而增大,隨樁土模量比的增大而增大。

水泥土樁復合地基沉降變形的計算,包括攪拌樁群體即復合地基加固區的壓縮變形和樁端下未加固土層(即下臥層)的壓縮變形之和,加固區土層壓縮量計算方法一般有三種:復合模量法(Ec法)、應力修正法(Es法)、樁身壓縮量法(Ep法)。樁端下未加固土層即下臥層土層的壓縮變形計算方法通常采用分層總和法計算,但作用在該層土體上荷載或土體中附加應力是難以精確計算的,目前在工程應用上,常用下述四種方法計算:應力擴散法、等效實體法、Mindilin-Geddes方法(改進 Geddes法,龔曉南,1992年)、當層法。劉和元等研究了超長水泥土攪拌樁復合地基的沉降變形,認為沉降變形主要來自墊層及加固區的下臥層,加固區的壓縮變形量占總沉降變形量的比例較小。

3 水泥土樁復合地基的設計及優化

軟土地區的建筑物,都是在滿足強度要求的條件下以沉降進行控制的,葉觀寶等[6]提出在水泥土樁復合地基設計中的控制指標:施工樁長以沉降控制;有效樁長以樁身強度控制。在優化設計方面,對于有效樁長研究較多,多是從單樁分析入手。因此需要進一步研究最優置換率、最優樁體剛度、有效樁長和樁土關系,以及三者之間的組合關系。連長江等[7]通過運用軟土雙層地基模型的線彈性有限元程序,對不同類型水泥土攪拌樁復合地基沉降的計算和分析,得出了水泥土攪拌樁復合地基優化設計的基本原則,他們認為,在軟土地基進行水泥土攪拌樁加固時,如果經濟投入相同,采用“短而密”的復合地基較“長而稀”的復合地基的加固效果好,采用“軟而密”的復合地基較“硬而稀”的復合地基的加固效果好,變徑樁復合地基較等徑樁復合地基的加固效果好,變摻量復合地基較等摻量復合地基的加固效果好。

4 水泥土樁復合地基研究展望

水泥土樁復合地基在理論研究方面落后于工程實踐,從發展趨勢看,應加強復合地基設計計算理論的研究,如:各類復合地基荷載傳遞機理、荷載作用下應力場、位移場的分布特性;各類復合地基承載力、沉降計算方法及計算系數的確定;復合地基的優化設計理論等。另外,鑒于巖土工程本身的特殊性和復雜性,應加強復合地基的數值計算分析。將宏觀力學和微觀力學相結合,充分考慮土結構的影響將是復合地基研究的一個方向。

[1]龔曉南.地基處理[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[2]邵蔚霞,陶有強,曹永瑯.水泥攪拌樁復合地基的工程特性探討[J].河海大學學報,2001,29(6):73-78.

[3]韓 煊,李 寧.復合地基中群樁相互作用機理的數值試驗研究[J].土木工程學報,1999,32(4):75-80.

[4]竇遠明,戴為民,劉曉立,等.柔性荷載作用下水泥土樁復合地基的承載力與沉降特性的研究[J].河北工業大學學報,2001,30(1):80-83.

[5]劉和元,劉松玉.超長水泥土攪拌樁復合地基性狀研究[J].東南大學學報,1999,29(2):63-69.

[6]葉觀寶,陳望春,徐 超,等.水泥土添加劑的室內試驗[J].中國公路學報,2006,19(5):12-17.

[7]連長江,周振國,張孝華.水泥土攪拌樁復合地基的優化設計[J].上海地質,1998(4):33-37.

[8]胡志東.水泥攪拌樁在建筑工程軟基處理中的應用[J].山西建筑,2007,33(13):123-124.