南沙地區(qū)釘形水泥土攪拌樁荷載傳遞規(guī)律的試驗(yàn)研究

羅大生，肖超，張可能，何杰，陳星光

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083）

荷載傳遞規(guī)律的試驗(yàn)研究是分析樁體承載變形的一種重要手段。目前，人們對(duì)常規(guī)水泥土攪拌樁荷載傳遞規(guī)律的研究很多，取得了很多成果，如：段繼偉等[1]通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)攪拌樁中埋設(shè)應(yīng)變片，對(duì)水泥土攪拌樁荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究；朱奎等[2]通過(guò)在鉆孔灌注樁樁身埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)和在水泥攪拌樁樁身埋設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)，對(duì)剛?柔性樁復(fù)合地基中剛性樁和柔性樁的荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究；岳建偉等[3]通過(guò)對(duì)3根14.0 m長(zhǎng)樁的載荷試驗(yàn)和樁身應(yīng)變的測(cè)量，分析了樁身軸力的分布和樁周的側(cè)摩阻力分布及影響組合樁承載力因素；鄭剛等[4?5]通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和和軸對(duì)稱(chēng)有限元?無(wú)窮元耦合分析，對(duì)軟土層中水泥攪拌樁的荷載傳遞進(jìn)行研究；劉杰等[6?7]采用三折線荷載傳遞軟化和三折線全塑性荷載傳遞模型分別對(duì)樁側(cè)土和樁端土進(jìn)行了分析研究，導(dǎo)出了一套完整的確定層狀土中樁頂荷載?沉降關(guān)系的解析算式。然而，對(duì)釘形水泥土攪拌樁荷載傳遞規(guī)律的研究還處于初始階段。釘形水泥土攪拌樁[8?9]是一種變截面樁，通過(guò)對(duì)常規(guī)水泥土攪拌機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)，使其固有雙向旋噴、變徑和復(fù)攪等，而攪拌出的一種類(lèi)似于釘子性狀的樁型。易耀林等[10]對(duì)釘形樁單樁承載力及荷載傳遞特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬；向瑋等[11?12]在浙江省湖州地區(qū)，通過(guò)對(duì)釘形攪拌樁載荷試驗(yàn)和樁身應(yīng)力實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，研究了深長(zhǎng)變徑攪拌樁的承載特性和荷載傳遞機(jī)制。上述試驗(yàn)和研究都是針對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的釘形水泥土攪拌樁，而對(duì)珠江三角洲地區(qū)釘形水泥土攪拌樁的應(yīng)用和研究較少。為此，本文作者結(jié)合釘形水泥土攪拌樁樁體內(nèi)埋設(shè)應(yīng)力片和現(xiàn)場(chǎng)的單樁載荷試驗(yàn)，對(duì)在廣州番禺地區(qū)釘形攪拌樁樁身應(yīng)力、軸力和側(cè)摩阻力與深度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出珠江三角洲地區(qū)深厚軟土中釘形水泥土攪拌樁荷載的傳遞規(guī)律，以便為釘形水泥攪拌樁在廣州地區(qū)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概括

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層條件

珠江三角洲是由3次海退和3次海侵的3次旋回6個(gè)階段形成的，三角洲的軟土是由3次海侵形成的，是濱海相和三角洲相沉積的產(chǎn)物[13]。該區(qū)域的軟土厚度不一，其中南沙地區(qū)的軟土的厚度最大，最厚達(dá)55.0 m左右。廣州番禺區(qū)某城市干道位于珠江三角洲南部，地處珠江口，屬珠江三角洲沖積平原。試驗(yàn)段場(chǎng)地地層構(gòu)成如圖1所示。此地基土工程地質(zhì)特性較差，表現(xiàn)為含水量高，孔隙比大，壓縮性大，靈敏度高，抗剪強(qiáng)度低和承載力低。地層的物理特性見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層剖面圖Fig.1 Stratigraphic section in experimental site

表1 地基土的構(gòu)成及各層地基土的物理力學(xué)特性Table 1 Composition of shallow foundation soils and their indexes of physical and mechanical properties

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地地基處理方案

該路基采用釘形水泥土雙向攪拌樁進(jìn)行加固，樁長(zhǎng)度為15.0 m，擴(kuò)大頭直徑為1.0 m，長(zhǎng)為3.0 m；變截面下樁直徑為0.6 m，長(zhǎng)為12.0 m。采用正方形布置，長(zhǎng)×寬為2.2 m×2.2 m。

水泥攪拌樁的施工技術(shù)參數(shù)如下：水泥類(lèi)型為P.O42.5水泥，直徑為1.0 m的擴(kuò)大頭水泥摻量為220.0 kg/m，直徑為0.6 m的下部樁體水泥摻量為79.2 kg/m，鉆進(jìn)速度為 0.5～0.6 m/min，提升速度為 0.7～0.8 m/min，內(nèi)鉆桿速度≥50 r/min，外鉆桿速度≥70 r/min；鉆進(jìn)時(shí)噴漿壓力為 0.25～0.4 MPa，水灰漿密度為1.7 g/cm3，水灰比為0.58。

2 應(yīng)變片安裝及試驗(yàn)方法

2.1 應(yīng)變片安裝

在載荷作用下，為了研究樁身應(yīng)力的變化規(guī)律，將內(nèi)側(cè)貼有應(yīng)力片的PVC管埋設(shè)在釘形攪拌樁內(nèi)部，見(jiàn)圖 2。再采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司制造的無(wú)線靜態(tài)應(yīng)變采集器DH3819對(duì)樁體中應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。應(yīng)變片采用浙江黃巖測(cè)試儀器廠生產(chǎn)的BX120?1AA，電阻為（119.8±0.1）?·m，靈敏系數(shù)為（2.08±1.00）%，長(zhǎng)×寬為 1 mm×1 mm，貼在直徑為80 mm的PVC管內(nèi)。PVC管總長(zhǎng)為14 m，共設(shè)置30個(gè)應(yīng)變片，15組，每組2個(gè)。對(duì)齡期為60 d的試驗(yàn)樁，用鉆機(jī)在樁體中心進(jìn)行鉆孔，孔徑為110 mm。然后，將已貼好應(yīng)變片的 PVC管埋入樁體鉆孔中，再將淤泥?水泥漿液（水泥、淤泥、水質(zhì)量比為 1.0:0.3:1.0）注入孔壁與PVC管之間的空隙，使其充填密實(shí)。1月后對(duì)試驗(yàn)樁體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

按廣東省標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)規(guī)范（DBJ 15-60—2008）[14]，對(duì)試驗(yàn)段齡期為90 d的2根釘形攪拌樁進(jìn)行單樁載荷試驗(yàn)（試驗(yàn)樁參數(shù)見(jiàn)表2），樁頂上鋪設(shè)10.0 cm厚的砂墊層，載荷板為圓形（直徑D=1.0 m）。

表2 試驗(yàn)樁體相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of column body in field test

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行單樁載荷過(guò)程中，通過(guò)無(wú)線靜態(tài)應(yīng)變采集器DH3819采集的數(shù)據(jù)為應(yīng)變片的應(yīng)變，需對(duì)其進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)變成樁身應(yīng)力。對(duì)齡期為60 d的Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)試驗(yàn)樁，按廣東省標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)規(guī)范（DBJ 15-60—2008）[14]對(duì)樁體進(jìn)行鉆芯取樣，取樣深度分別為3.5，8.5和12.5 m，再按普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081—2002）對(duì)樁體水泥土芯樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，取得釘形水泥土攪拌樁在不同深度下樁身變形模量的平均值。假設(shè)PVC管與樁身水泥土協(xié)同變形，沒(méi)有相對(duì)位移，計(jì)算出水泥土攪拌樁樁身不同深度的應(yīng)力：

式中：E為抽芯試樣室內(nèi)單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的彈性模量；ε為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變片測(cè)得的樁身應(yīng)變。

表3 試驗(yàn)樁體不同深度下水泥土模量Table 3 Deformation modulus of cement-soils at different depths

3.2 樁身應(yīng)力及軸力分析

對(duì)采集的應(yīng)變進(jìn)行處理得出Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)樁身應(yīng)力和軸力隨深度的變化曲線分別見(jiàn)圖3和圖4。分析圖3和圖4可知：由于攪拌樁在攪拌過(guò)程中存在不確定性，使得Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)樁樁身應(yīng)力與深度變化曲線存在一定差異，但樁身應(yīng)力分布的大致變化趨勢(shì)相同。樁身應(yīng)力曲線大致可分為2部分：第一部分位于樁體擴(kuò)大頭部分，樁體長(zhǎng)度在3.0 m以上，該部分的樁身應(yīng)力較大，占全部樁體應(yīng)力的58.79%。且隨著深度的增大，樁體應(yīng)力逐漸減小。第二部分為樁體變截面下部樁體，相對(duì)于第一部分的應(yīng)力，此區(qū)域的應(yīng)力較小，此段樁長(zhǎng)12.0 m，但樁身應(yīng)力只占全部應(yīng)力的41.21%。在變截面與樁身9.0 m之間，隨深度增大，樁身應(yīng)力逐漸減小；在樁身9.0 m以下，樁身應(yīng)力有逐漸增大的趨勢(shì)。綜合分析釘形水泥土攪拌樁樁身應(yīng)力與深度變化曲線可得：有墊層時(shí)釘形攪拌樁的樁身應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在樁頂，而不是像常規(guī)攪拌樁[1]出現(xiàn)在樁頂以下約2倍樁徑處。釘形攪拌樁擴(kuò)大頭是應(yīng)力集中的區(qū)域，且樁身變截面處存在應(yīng)力突變的現(xiàn)象。應(yīng)力在變截面處后停止減小后，迅速增大，并在3.2 m左右應(yīng)力達(dá)到最大，之后又逐漸減小，曲線呈凸型；由于 9.0 m處以下地層為含淤泥的中砂，比上部的土層條件好，表現(xiàn)出一定的端承性，因此，樁身應(yīng)力較上部有小量增大。

圖3 Ⅰ號(hào)樁身應(yīng)力?深度曲線Fig.3 Stress?depth curves of pile Ⅰ under different loads

圖4 Ⅱ號(hào)樁身應(yīng)力?深度曲線Fig.4 Stress?depth curves of pile Ⅱ under different loads

分析樁身軸力與深度的變化曲線（圖 5和圖 6）可知：由于攪拌樁在攪拌過(guò)程中存在不確定性，使得 I號(hào)和II號(hào)樁樁身軸力與深度變化曲線存在一定差異，但樁身軸力分布的變化趨勢(shì)大致相同；隨著深度的增加，樁身的軸力逐漸減小，其變化曲線大致可分為 2部分：

第1部分位于深度為3.0 m以上的樁體，隨著深度的增加，樁身軸力逐漸減小，該部分軸力力占全部軸力的78.82%；樁身軸力在變截面處有較大的衰減，說(shuō)明部分荷載由擴(kuò)大頭翼緣傳入土中，反映了擴(kuò)大頭翼緣下部土體的端承作用。

第2部分位于樁身3.0 m以下至樁底，這部分的樁身軸力較小，樁長(zhǎng)12.0 m，但樁身軸力只占全部軸力的21.17%。在9.0 m以下樁身軸力有增大趨勢(shì)。

綜合分析樁身軸力和深度曲線可知：在載荷作用下，樁頂下3.0 m以上的頭部分承受了大部分荷載；在樁身底部9.0 m以下，樁身軸力有增大的趨勢(shì)。該段與長(zhǎng)江三角洲地區(qū)釘形水泥土攪拌樁樁身軸力與深度曲線[10]存在一定的差異，長(zhǎng)三角洲地區(qū)釘形水泥土攪拌樁底部的樁身軸力幾乎為 0，這主要是廣州南沙地區(qū)與長(zhǎng)三角地區(qū)軟土的工程地質(zhì)條件的差異所致。在南沙地區(qū)該試驗(yàn)段9.0 m處以下地層為含淤泥的中砂，比上部的土層條件好，有很小的端承力，但不能忽略。因此，樁身軸力較上部有小量增加。相對(duì)于常規(guī)等截面攪拌樁，釘形攪拌樁的擴(kuò)大頭上的樁身軸力比較大，這增加了釘形攪拌樁的承載能力。

圖5 Ⅰ號(hào)樁身軸力?深度曲線Fig.5 Axial force?depth curves of pile Ⅰ under different loads

圖6 Ⅱ號(hào)樁身軸力?深度曲線Fig.6 Axial force?depth curves of pile Ⅱ under different loads

3.3 樁身側(cè)摩阻力分析

荷載傳遞法是目前應(yīng)用最為廣泛的簡(jiǎn)化方法。該方法的基本思想是把樁劃分為許多單元彈性體，每一單元與土體之間用非線性彈簧聯(lián)系，以模擬樁?土間的荷載傳遞關(guān)系（圖7）。在樁頂在豎向荷載作用下，利用下式計(jì)算等截面樁體周?chē)膫?cè)摩阻力τ（z）：

利用式（3）計(jì)算變截面樁體周?chē)膫?cè)摩阻力τ（z）：

式中：τ（z）為樁身長(zhǎng)度為z m處側(cè)摩阻力；P（z1）為樁身長(zhǎng)度為z1處樁體截面的軸力；P（z2）為樁身長(zhǎng)度為z2處樁體截面的軸力；P3為樁身長(zhǎng)度為3.0 m處樁體截面的軸力；Pb為樁身擴(kuò)大頭翼緣下土體的端承力；r為樁體半徑。

圖7 樁?土間的荷載傳遞關(guān)系示意圖Fig.7 Sketch of load transfer mechanism of pile and soil

通過(guò)式（2）和式（3）計(jì)算樁Ⅰ和樁Ⅱ的側(cè)摩阻力，如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可知：隨著荷載增大，樁土相對(duì)位移逐漸增大，樁身側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮充分；釘形水泥土攪拌樁與等截面的攪拌樁的樁身側(cè)摩阻力有明顯的區(qū)別，在變截面處，存在1個(gè)駝峰，說(shuō)明擴(kuò)大頭翼緣下的土體有很大的支撐作用；釘形攪拌樁身側(cè)摩阻力有明顯的分層性，荷載越大，分層越明顯，在樁頂下4.5 m區(qū)域內(nèi)，樁側(cè)側(cè)摩阻力很大，占全部側(cè)摩阻力的88.89%；該段的側(cè)摩阻力變化幅度很大，曲線呈S型，在樁長(zhǎng)2.5 m處側(cè)摩阻力最大，而在變截面處側(cè)摩阻力急劇減小，這主要是在樁身變截面處樁身面積與土體的面積急劇減小所致；在樁長(zhǎng) 3.0～4.0 m之間樁體的側(cè)摩阻力變化很小，這表明由于樁身變截面的翼部對(duì)下部土體有擠壓作用，阻止了側(cè)摩阻力的減小趨勢(shì)，使得變截面下部1.0 m左右的范圍的側(cè)摩阻力基本維持在1個(gè)穩(wěn)定值；而在樁身4.5 m下，10.5 m長(zhǎng)的樁體側(cè)摩阻力很小，只占全部的側(cè)摩阻力的11.11%。

圖8 Ⅰ號(hào)樁身側(cè)摩阻力?深度曲線Fig.8 Shaft resistance?depth curves of pile Ⅰ under different loads

圖9 Ⅱ號(hào)樁身側(cè)摩阻力?深度曲線Fig.9 Shaft resistance?depth curves of pile Ⅱ under different loads

4 結(jié)論

（1）在荷載作用下，釘形水泥土攪拌樁的樁身應(yīng)力主要集中在樁身3.0 m上的擴(kuò)大頭上，該部分樁體應(yīng)力占總應(yīng)力的 58.79%，而變截面下樁體的應(yīng)力較小，該部分樁長(zhǎng) 12.0 m，但樁體應(yīng)力只占總應(yīng)力的41.21%；與樁身應(yīng)力相比，樁身軸力的最大值也位于樁頂處，樁身軸力主要集中在釘形攪拌樁擴(kuò)大頭上，該部分樁體軸力占全部軸力的78.82%，而變截面下長(zhǎng)12.0 m的樁體軸力總和只占全部樁體的 21.17%。同時(shí)，在樁體變截面處樁身應(yīng)力和軸力都有較大衰減，表明部分荷載由擴(kuò)大頭翼緣傳入土中。

（2）釘形水泥土攪拌樁樁身側(cè)摩阻力有明顯的分段性，荷載越大，分段越明顯。樁體側(cè)摩阻力主要集中在距樁身4.5 m的范圍內(nèi)，該段側(cè)摩阻力占總側(cè)摩阻力的88.89%，側(cè)摩阻力與深度曲線呈S型，摩阻力的最大值位于樁長(zhǎng)2.5 m處；而在樁身4.5 m下，10.5 m長(zhǎng)的側(cè)摩阻力只占總側(cè)摩阻力的11.11%。在樁身變截面處樁土接觸面積急劇減小，也使得樁身側(cè)摩阻力急劇減小，但在變截面下部3.0～4.0 m，樁身側(cè)摩阻力基本緩慢減少，說(shuō)明該段土體受到變截面翼部的擠壓，阻止了側(cè)摩阻力的減小速度。

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