麥秸稈石灰樁加固既有村鎮房屋地基基礎室內模型試驗研究

周 戟，郭 蓉，趙宣朝，竇遠明

（河北工業大學 土木工程學院，天津 300401）

0 引言

我國目前居住在農村的人口占總人口的67%，廣大農村地區的住宅多數為低矮房屋，這些房屋結構簡單，地質條件各式各樣，一般都未地質勘查和設計．并且由于安全和防災意識淡薄，存在大量建于山坡、河灘、回填土等軟弱不均的地基土上的建筑，還有大批建造于濕陷性黃土、膨脹土、凍土等特殊地基土上的建筑，這些村鎮建筑建筑多出現地基基礎不均勻沉降或沉降過大，給村鎮建筑帶來很大不良影響．

村鎮建筑拆建費用較高，以及對正常生活秩序的影響等問題，使人們更多的關注村鎮房屋的加固改造上來．但《既有建筑地基基礎加固技術規范》中的加固方法多是針對城鎮建筑，而在村鎮低矮房屋中盲目套用現有加固方法，造成設計不合理，施工復雜，費用較高，并不符合當前我國廣大農村的經濟條件．本文在總結已有加固方法和前人相關試驗[1-4]基礎上設置麥秸稈石灰樁[5]的加固方法．

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

模型試驗的總裝置如圖1所示，整個試驗在模型箱內進行，采用機械千斤頂加載通過條形鋼板模擬條形基礎施加條形荷載，反力梁提供反力，通過力傳感器讀取施加荷載大小；在土體設計位置埋設壓力盒，并通過靜態應變儀和計算機數據采集系統讀取壓力盒數據．

模型箱采用普通鋼板焊接加工而成，長、寬、高凈尺寸為190 cm、110 cm、150 cm，鋼板厚3 mm．試驗箱體正立面部分采用10mm厚的有機玻璃板制成，其主要目的是在試驗過程中可以通過透明的有機玻璃直觀的觀測到地基土體的變化．

試驗所用基礎模型為槽型鋼加工而成，為保證槽鋼有足夠的抗彎剛度，在凹槽內每隔20 cm焊接L50×5角鋼作為加勁肋．加工后的槽型鋼作為條形基礎模型，基礎的長、寬、高分別為100cm、20cm、6cm．加載時為方便在放置千斤頂，在槽鋼中央放置一個直徑35cm、厚2.5 cm的圓形鋼板．

圖1 模型試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of model test device

1.2 模型地基用土

根據對北京、天津、河北以及河南等地區村鎮調研資料，并結合村鎮房屋淺層地基密度，設定模型地基土密度為1.80g/cm3，含水量設定為16%．地基土料按容重法填入，每層鋪設厚度為100mm，用特制的搗實器按照某種次序夯實，以保證每層土的密實度基本相同．靜置1 d充分固結后，取土樣做土工試驗，得到其基本物理力學指標，見表1．

表1 試驗模擬地基土的基本物理性質指標Tab.1 Basic physics of foundation soil indicators

另外，在鋼化玻璃邊每100mm厚撒布不同顏色的粉末，鋪成薄層，在試驗時以觀察地基土的變形情況．

1.3 模型樁材料

樁體材料采用麥秸稈、石灰和土，比例為0.25%∶8%∶1．

麥秸稈：麥秸稈取自于邯鄲市復興區，人工收割，整根長50～70cm，每根4～5個莖節，直徑2～3mm之間，麥秸稈壁厚0.498～0.665 mm．選擇順直一致、粗細均勻、且無破裂折斷的麥秸稈，將其剪為試驗所需的長度．由于麥秸稈中層和內層的主要成分是木素和纖維素，且組織疏松，具有較強的吸水性能，在地基中很容易吸水分解，并受到腐蝕，所以麥秸稈耐久性處理很重要．可以將麥秸稈浸泡在清漆、瀝青和膠等憎水性溶劑中，本次試驗采用清漆防腐．

石灰：石灰采用天津雙口鎮灰粉廠生產的消石灰，有效氧化鈣、鎂含量為56.2%，符合三級石灰標準．

土：樁身所用土取自天津市寧河某建筑工地基坑內，通過輕型擊實試驗確定其最佳干密度為1.7 g/cm3，最優含水量為22%．

圖2 模型樁加固地基土平面布置圖Fig.2 Layout plan of model piles

2 試驗方案

根據模型試驗內容以及試驗裝置條件，本試驗共2個試驗：試驗一，素填土條形基礎加載試驗；試驗二，麥秸稈石灰樁條形基礎兩側加固的加載試驗．

2.1 樁布置

2.2 加載方案[6-7]

試驗加載依據《建筑地基基礎設計規范GB50007-2002》附錄C淺層平板載荷試驗要點執行．分級加載，每級加載10 kPa，即2 kN．

2.3 觀測方案[6-7]

在模型基礎中間安裝四個百分表，如圖3所示．

圖3 沉降觀測點布置圖Fig.3 Layout diagram of settlement observation points

圖4 試驗一地基土裂縫示意圖Fig.4 Schematic plot of thefoundation soil fissureof test 1

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象

1）試驗一：在第7級荷載（14.0kN）時基礎邊緣出現一條細微橫向裂縫，在第16級荷載（32.0kN）時，在基礎左側出現一條平行于基礎的裂縫，在第21級荷載（42.0kN）時，在基礎右側出現一條平行于基礎的裂縫，在第27級荷載（54.0kN）時，基礎左右靠近邊緣處又各出現兩條較短裂縫．各條裂縫隨著荷載的增加而不斷擴展，試驗加載完成后地基土表面的的裂縫情況如圖4所示，基礎兩側土體有輕微鼓起，邊緣土體破碎．

通過有機玻璃觀測白粉線的變化，可連續觀測到基礎下方地基土隨荷載增加的變形情況，如圖5所示．

2）試驗二：本次試驗加載過程中地基表層土并未出現平行于基礎的裂縫，只是出現了幾條垂直于基礎的細微裂紋．在試驗后期，模型箱出現鼓脹變形現象，為防止模型箱變形破壞以及考慮對試驗的影響，試驗在第38級荷載（76.0 kN）后終止，所以該組試驗未加載至地基土體破壞階段．本次試驗在前32級荷載時，基礎沉降量較小，透過有機玻璃板觀測鋪設的白粉線無明顯位移，在施加第33級荷載（66.0 kN）后，基礎單級荷載沉降量明顯增大，并且在基礎下方0.5范圍內出現兩條剪切破壞帶，一條與水平方向呈45°，另一條呈60°，加載完成后地基土變形觀測如圖6所示．

圖5 試驗一地基土變形觀測曲線Fig.5 Thedeformation observation curve of foundation soil test 1

圖6 試驗二地基土變形觀測曲線Fig.6 Thedeformation observation curve of foundation soil test 2

由圖中觀察可知，基礎壓縮變形幾乎全部集中于基礎板模型正下方，其兩側的白粉線沒有明顯變化，說明模型樁體將基礎板模型正下方土體的變形限制在其內部，并且地基土的豎向變形深度主要在基礎下方2范圍內，即上部荷載傳遞的壓力主要由該深度范圍的土體承受．土體沉降變形在基礎正下方同一深度上分布較均勻，隨深度的增加而減小．

試驗結束后，挖出基礎下方的土體，并把麥秸稈石灰樁樁體顯露出來（如圖7所示），觀察樁身情況可知，樁身堅硬，抗剪和抗壓強度大大高于地基土體；樁周土較普通地基土堅硬，形成一層堅硬致密的膠結層，不易挖出，并與樁體膠結在一起形成直徑大于麥秸稈石灰樁樁體本身的樁體結構（如圖8所示）；大部分麥秸稈石灰樁1范圍內有鼓脹，在1.25深度（約250mm）出現剪切變形（如圖9所示），在剪切變形部位，對稱的兩樁間距由原來的240 mm變為290 mm．

通過對試驗一和試驗二完成后試驗現象中的地基土裂縫、白粉線變形和基礎下方地基土剪切破壞帶的對比可知，在基礎兩側設置麥秸稈石灰樁加固后的地基，地基土的沉降變形主要集中在模型樁及樁體內側區域，且相同荷載作用下，相同位置白粉線的位移要明顯小于未加固的地基，說明樁體將地基土的壓縮變形約束在樁體內側，而且能夠有效的限制土體的側向變形；在地基土表層只出現細微的垂直于與基礎的裂縫，并且未出現與基礎平行的裂縫，說明樁體能夠使滑動面不能貫穿樁身，阻止其與地基土表層形成整體，使得地基推遲破壞，能夠麥秸稈石灰樁能夠起到加固作用．

3.2 荷載-沉降曲線

2組試驗所得荷載沉降曲線如圖10所示．

從圖10可以看出在荷載不大時，兩次試驗的沉降量接近，都處于基底地基土壓縮過程，p-s曲線都呈直線段．隨著荷載的增大，試驗二的沉降量明顯小于其未加固試驗的沉降量，并且在一定荷載時，沉降量增長緩慢，趨于平行于P軸的水平線．兩次試驗的承載力特征值和最終沉降量見表2.

圖7 成樁情況Fig.7 Thepile-forming of pile

圖8 麥秸稈石灰樁樁體與樁周土膠結Fig.8 Pilecement with thesoil around pile

圖9 麥秸稈石灰樁剪切變形Fig.9 Theshear deformation of wheatstraw-limepile

表2 兩組試驗承載力特征值、最終沉降量對比Tab.2 Characteristic value of subgrade bearing capacityand thefinal settlement of two test

經麥秸稈石灰樁加固后的地基承載力提高31%，并且比例界限明顯提高；兩次試驗在施加了300 kPa荷載后，試驗一的沉降量為28.04 mm，試驗二的沉降量為11.35 mm，試驗二的沉降量約為試驗一的40%；同時試驗二的地基在施加了終止荷載380kPa后，沉降量為17.81mm也小于試驗一的最終沉降量，說明經過麥秸稈石灰樁加固后的地基沉降量明顯減小．同時，加固后地基還會經過一段比彈性變形階段小的樁身剪切變形階段（圖10），也使加固后的地基安全儲備更高一些．

3.3 麥秸稈石灰樁加固機理

通過綜合分析，總結麥秸稈石灰樁加固機理主要有以下兩方面．

1）約束作用

約束作用是麥秸稈石灰樁條形基礎兩側布置加固機理的主導因素．地基在受壓過程中會將一部分地基土向外側擠出，通過樁與地基土的摩擦可以限制樁身內側的土體向樁外側移動，就像把地基土限制在一個容器中，使地基變形主要變為了局部土體壓縮，只有在局部空間內土的剪力超過樁土摩擦阻力的時候，才能將土擠到樁外側區域，改變了地基土正常的破壞面形成發展，其約束作用主要取決于樁身的抗剪強度．通過在條形基礎兩側布置麥秸稈石灰樁限制了應力向樁外側擴散，使得一部分荷載傳遞到更深的土層，從而減小了地基沉降量，地基承載力也得到了提高．

2）阻隔作用

麥秸稈石灰樁相對于地基土具有較高的剛度以及抗剪強度，當樁穿過地基固有的滑動圓弧時就能夠阻止地基破壞弧面正常出現，阻斷破壞面的形成，改變地基的破壞形式，推遲地基破壞，從而提高地基的承載力．

圖10 2組試驗p-s曲線對比Fig.10 Load-settlement curveof thethreetests

4 結論與建議

1）麥秸稈石灰樁加固地基可以有效阻止裂縫擴展，改變地表裂縫發展形式；

2）經過麥秸稈石灰樁加固后的地基承載力特征值能提高31%，基礎沉降量明顯減小，并且加固后地基還會經過一段比彈性變形階段小的樁身剪切變形階段，也使加固后的地基安全儲備更高一些；

3）麥秸稈石灰樁在條形基礎兩側布置主要的作用是抗剪強度較高的樁體與樁周土共同作用對樁體內側地基土形成側向約束，限制土體的側向擠出位移；并且抗剪強度較高的樁體阻止滑動面穿過樁身，使得滑動面不能向樁外側發展，推遲地基破壞．

[1]張永鈞，葉書麟．既有建筑地基基礎加固工程實例應用手冊 [M]．北京：中國建筑工業出版社，2002．

[2]M Shimizu，Reinforceing of soil ground withthin vertical wall，earth Reinforcement Practice，Balkema，Rotterdam，1992，683-688．

[3]Salencon Jean．Theinfluenceof confinement onthebearingcapacity of strip footings[J]．Comptes Rendus Mécanique，2002，330（5）：319-326．

[4]高永濤，曲兆軍，王孝存．豎向加筋砂土地基承載力的模型試驗研究 [J]．北京科技大學學報，2008，30（4）：349-353．

[5]李敏，柴壽喜，魏麗．麥秸稈的力學性能及加筋濱海鹽漬土的抗壓強度研究 [J]．工程地質學報，2009，17（4）：545-549．

[6]GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范 [S]．北京：中國建筑工業出版社，2002．

[7]JGJ79-2002，建筑地基處理技術規范 [S]．北京：中國建筑工業出版社，2002．