某水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)及載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

王 成 春

(南京蘇杰巖土勘察設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 南京 210008)

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某水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)及載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

王 成 春

(南京蘇杰巖土勘察設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 南京 210008)

以某工程項(xiàng)目為例，對水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理的復(fù)合地基方案進(jìn)行了研究，闡述了水泥土攪拌樁的基本設(shè)計(jì)方法，并對該復(fù)合地基進(jìn)行了兩種不同的靜力載荷試驗(yàn)，最后分析了兩種試驗(yàn)得出不同結(jié)果的原因。

水泥土攪拌樁,承載力計(jì)算,單樁靜載荷試驗(yàn)

1 工程概況

對于一個(gè)公司石化技術(shù)擴(kuò)建工程項(xiàng)目，包括2個(gè)容積200 m3～2 000 m3的罐區(qū)、1個(gè)液化氣改質(zhì)裝置、1個(gè)加熱爐及其他配套設(shè)施。主要針對兩個(gè)罐區(qū)進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)，2個(gè)罐區(qū)包括5種類型(容積200 m3～2 000 m3)共21個(gè)罐。擬建構(gòu)筑物上部隨各罐容積的不同而不同，詳見表1。

表1 擬建汽罐詳情

2 工程地質(zhì)條件及地基處理方案

依據(jù)勘探鉆孔野外現(xiàn)場編錄和土工試驗(yàn)成果，以及靜探曲線線形特征，在勘探深度內(nèi)將土體劃分為6個(gè)工程地質(zhì)層，10個(gè)工程地質(zhì)亞層。根據(jù)場區(qū)地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及原位測試成果，綜合確定場區(qū)各地層的地基承載力特征值fak和水泥攪拌樁樁周土側(cè)阻力特征值qs。此外，場地地貌類型屬?zèng)_海積平原，位于地震動(dòng)峰值加速度0.05g區(qū)內(nèi)。勘探深度內(nèi)均為Q4地層組成，場區(qū)地表平整。除局部地段分布有堆土、水塘和上部粉土層可能產(chǎn)生流砂現(xiàn)象外，無其他不良地質(zhì)作用存在。亦無影響工程的地質(zhì)災(zāi)害，工程場地穩(wěn)定性好。工程場地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，場地土類型屬于軟弱場地土，工程場地類別為Ⅳ類場地，該地段屬對建筑抗震不利地段。反應(yīng)譜特征周期為0.65 s，場地20 m以內(nèi)無液化土層分布。水泥土攪拌法是以水泥作為固化劑的主要材料，通過深層的攪拌機(jī)械，將固化劑(漿液或粉體)和地基土強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性的一種豎向增強(qiáng)的水泥加固土，從而提高地基土強(qiáng)度并增大變形模量。根據(jù)本場地地基土的條件及擬建工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，擬建構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)方案以采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理的復(fù)合地基為宜。

3 水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)確定

地基設(shè)計(jì)是在滿足強(qiáng)度基礎(chǔ)上以變形控制的，因此，水泥土攪拌樁的樁長應(yīng)通過變形計(jì)算來確定，水泥土樁從承載力角度，存在有效樁長，單樁承載力在一定程度上并不隨樁長的增加而增大。當(dāng)軟弱土層較厚，從減少地基的變形量方面考慮，樁長應(yīng)穿透軟弱土層到達(dá)承載力相對較高的土層。單樁豎向承載力特征值Ra根據(jù)JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范第7.3.3條確定。經(jīng)過初算與驗(yàn)算設(shè)定樁長、樁徑以及單樁豎向承載力特征值如表2所示。

表2 單樁豎向承載力特征值

根據(jù)Ra計(jì)算各類型罐的水泥摻入比αw、面積置換率m、樁數(shù)量n，結(jié)果見表3。

表3 各類型罐設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)GB 50007—2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范驗(yàn)算地基承載力，結(jié)果見表4。

表4 下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案滿足下臥層強(qiáng)度要求。

3.3 水泥土攪拌樁復(fù)合地基變形驗(yàn)算

水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降量S由兩部分組成：即樁的壓縮變形量S1和樁端以下土層變形量S2，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 沉降變形驗(yàn)算結(jié)果 mm

4 載荷試驗(yàn)

目前，水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力的檢測方法主要有兩種：一是按GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范或JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗(yàn)；另外一種是按JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范規(guī)定的復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。工程現(xiàn)場進(jìn)行了8組單樁靜載荷試驗(yàn)，8組單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，用來檢驗(yàn)水泥土攪拌樁單樁承載力與復(fù)合地基承載力之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果見表6，表7。

表6所得到的單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果為實(shí)測值，均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，平均僅為設(shè)計(jì)值的約88%；表7復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果中除2號樁低于設(shè)計(jì)值外，其余均大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。

表6 單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果

表7 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

從以上工程實(shí)例可以看出，針對水泥土攪拌樁復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)，不同的試驗(yàn)方法得出的結(jié)論并不相同。單樁靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果均小于設(shè)計(jì)值，而復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果均大于設(shè)計(jì)值。為了尋找這種情況產(chǎn)生的原因，下面分別從樁體破壞特征以及樁間土的強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行對比分析，以探討兩種試驗(yàn)方法的差異性。

5.1 樁體破壞特征

水泥土攪拌樁樁徑較小，樁的承載力往往以側(cè)摩阻力為主，單樁靜載荷試驗(yàn)的終止加載條件，主要由P—S曲線出現(xiàn)陡降段來控制。單樁靜載荷試驗(yàn)中，樁體應(yīng)力集中于樁頂部，樁側(cè)摩阻力隨深度增加而減小。樁頂沉降主要表現(xiàn)為壓縮變形，樁端土的影響相對最小，隨著深度的增加樁位移減小，破壞發(fā)生在表面的樁體，總體表現(xiàn)為樁體壓碎。在水泥土攪拌樁的豎向應(yīng)力的影響下，樁頂?shù)某两蛋渡韷嚎s變形和樁端土的壓縮變形。當(dāng)應(yīng)力相對較小時(shí)，作用在樁頂?shù)膽?yīng)力使樁身上段首先產(chǎn)生變形。樁與樁周土產(chǎn)生相對位移，并完全由二者間的側(cè)摩阻力承擔(dān)；隨著應(yīng)力增大，側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，樁身的軸力隨著深度的增加而遞減，樁身的變形也逐漸減小；當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限，樁端土開始受力，并產(chǎn)生變形，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，變形增大，最終樁端阻力也達(dá)到極限。

復(fù)合地基是由兩種不同模量的材料組成，與剛性基礎(chǔ)在豎向荷載作用下，符合變形等效原則。因此，復(fù)合地基的應(yīng)力分布，根據(jù)復(fù)合材料的彈性模量，大部分的負(fù)荷將由樁承擔(dān)，樁間土的應(yīng)力會相對減少。當(dāng)復(fù)合地基的荷載增加到一定程度時(shí)，樁達(dá)到單樁試驗(yàn)的極限承載力，但樁間土尚未進(jìn)入極限狀態(tài)。雖然樁的變形已進(jìn)入到單樁的終止加載條件狀態(tài)，由于試驗(yàn)沉降量加入了土的變形，P—S曲線并不會出現(xiàn)明顯的陡降段。最終樁、土相繼達(dá)到其單獨(dú)試驗(yàn)時(shí)的極限承載力。

對復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)，樁體應(yīng)力和截面深度損傷的位置是不一樣的。在復(fù)合地基試驗(yàn)中，由于基底土被壓實(shí)，土對樁體上部將產(chǎn)生一個(gè)徑向壓力，使樁頂水泥土處于三向受壓狀態(tài)，提高了它的強(qiáng)度和抗變形能力，使樁身材料的破壞截面向下部移動(dòng)，增加了擴(kuò)散面積和影響深度，從而提高了復(fù)合地基的承載能力，而單樁的破壞面常在樁頂部。由以上分析可知單樁靜載荷試驗(yàn)檢測的結(jié)果，較復(fù)合地基靜載試驗(yàn)檢測的結(jié)果而言是偏于安全的。

5.2 樁間土的強(qiáng)度

首先，由于水泥土攪拌樁的強(qiáng)度和剛度高于樁間土，使基礎(chǔ)底面以下的樁間土在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，土體破壞面受到樁的遮簾作用，而可能發(fā)展為滑動(dòng)面經(jīng)過樁體本身，也有可能是樁體并未達(dá)到破壞。而樁間土體克服樁的極限滑動(dòng)阻力，使得滑動(dòng)面繞過樁體。所以，樁間土能夠承受比天然地基土較高的豎向應(yīng)力。

其次，在采用水泥土攪拌樁處理過程中，樁間土受到擠壓，使土體的承載力得到提高。

最后是水泥與土的水化反應(yīng)使樁間土部分水分被吸收，使得樁間土的承載力有所提高。

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值不考慮樁土承載力的提高。而在復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)中，樁間土承載力的提高影響了復(fù)合地基承載力的最終結(jié)果。因此，通過復(fù)合地基試驗(yàn)得出的承載力大于單樁和天然地基試驗(yàn)確定的承載力。

6 結(jié)語

本文對擬建場地情況選擇水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，并對該復(fù)合地基進(jìn)行兩種不同的靜力載荷試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)水泥攪拌樁對軟基承載能力有較大的提高，能夠滿足對上部結(jié)構(gòu)地基強(qiáng)度要求。

2)水泥土攪拌樁可有效減少被加固土體的沉降量，復(fù)合地基的沉降量以樁端以下未處理土層的壓縮變形量為主。

3)兩種靜載試驗(yàn)中，單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果較復(fù)合地基試驗(yàn)結(jié)果要更偏于保守。

[1]JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范.

[2]龔曉南.地基處理手冊.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000:41-55.

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The design of cement-soil mixing pile and the analysis of the load test results

Wang Chengchun

(NanjingSujayGeotechnicalSurveyandDesignCo.,Ltd,Nanjing210008,China)

Based on an engineering project as an example, this paper researched the cement-soil mixing piles as foundation treatment scheme of composite foundation. It expounded the basic design method of soil-cement mixing pile, and performed the two different types of static load test for the composite foundation. Finally, it analysed the reasons of the two experiments on different results.

cement-soil mixing pile, checking of bearing capacity, single pile static load test

1009-6825(2015)01-0063-03

2014-10-25

王成春(1972- )，男，高級工程師，國家注冊土木(巖土)工程師

TU473.1

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