混凝土芯砂石樁處理軟土地基承載特性試驗(yàn)研究

吳 興 政

(中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州　225002)

0　引言

近年來(lái)我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年我國(guó)道路運(yùn)輸業(yè)的投資額增長(zhǎng)24.7%，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域。但在東部沿海地區(qū)，道路建設(shè)經(jīng)常遇到深厚軟土地基，處理不當(dāng)容易導(dǎo)致公路路面不平整及開裂等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。道路工程中如何更好地控制深厚軟土地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是巖土工作者一直以來(lái)不斷追求的目標(biāo)。混凝土芯砂石樁復(fù)合地基處理軟土地基方法具有強(qiáng)度高、固結(jié)速度快、加固深度深、處理成本低、質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，在深厚軟土地區(qū)地基處理中得到廣泛應(yīng)用[1]。本文結(jié)合東部沿海地區(qū)某地高速公路工程混凝土芯砂石樁復(fù)合地基案例，對(duì)混凝土芯砂石樁復(fù)合地基開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析復(fù)合地基的承載特性及受力機(jī)理。

1　試驗(yàn)場(chǎng)地土層概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于江蘇省沿海地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)平坦，地貌單元屬河流漫灘。根據(jù)鉆孔取土測(cè)試、十字板剪切試驗(yàn)、靜力觸探、室內(nèi)土工試驗(yàn)等成果綜合分析，場(chǎng)地巖土層按類型、工程特性，自上而下劃分為6層：

①雜填土：灰褐色，表層為約50 cm厚人工回填碎石層，其下主要以粉質(zhì)粘土、粉土含少量碎石組成，軟塑～可塑，富含植物根莖，層厚1.90 m～3.60 m，本層成分不均勻，松散，具高壓縮性。

②粉質(zhì)粘土：灰黑色，流塑～軟塑，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，中等壓縮性，層頂埋深1.90 m～3.10 m，層厚1.70 m～2.50 m。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色，灰黑色，流塑局部軟塑，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部為淤泥質(zhì)粉土，具輕微臭味，中(高)壓縮性，層頂埋深1.90 m～5.10 m，層厚6.70 m～10.80 m。

④粉質(zhì)粘土夾粉土：灰黑色，粉質(zhì)粘土(局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)，流塑～軟塑，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等；粉土，稍密～中密，很濕，搖振反應(yīng)中等，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，中(高)壓縮性。層頂標(biāo)高-10.60 m～-8.80 m，層頂埋深11.40 m～14.80 m，層厚0.80 m～2.70 m。

⑤粉質(zhì)粘土：灰黑色，軟塑局部流塑，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部為粉土，中等壓縮性，層頂標(biāo)高-17.40 m～-11.70 m，層頂埋深16.20 m～20.10 m，層厚為9.50 m～10.40 m。

⑥角礫：黑色，中密～密實(shí)，夾粉質(zhì)粘土，礫徑2 cm～5 cm，棱角形、亞圓形為主，低壓縮性，層頂標(biāo)高-24.10 m～-22.20 m，層頂埋深25.4 m～26.50 m，未揭穿。

該地區(qū)軟土的含水量在21.6%～43.8%之間，平均約為34%，孔隙比在0.568～1.215之間，平均約為0.91，壓縮系數(shù)在0.16～0.85之間，平均約為0.41，塑性指數(shù)在7.9～21.4之間，平均約為11.5，液性指數(shù)在0.47～2.15之間，平均約為1.1，根據(jù)塑性指數(shù)、液性指數(shù)和壓縮系數(shù)綜合判斷，軟土為軟塑～流塑的中高壓縮性粉質(zhì)粘土；地表以下3 m～15 m之間軟土的固結(jié)系數(shù)在5.75×10-3cm2/s～23.6×10-3cm2/s之間，固結(jié)系數(shù)較大，滲透系數(shù)也較大；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層厚度為6.70 m～10.80 m，該土層地基承載力較小，是地基處理中重點(diǎn)處理的土層。

綜合分析軟土分層特點(diǎn)，由于軟土厚度較厚，若采用攪拌樁處理，較長(zhǎng)的深層攪拌樁可能導(dǎo)致深層的樁體質(zhì)量難以控制，后續(xù)的工后沉降風(fēng)險(xiǎn)較大，而濕噴樁則難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的強(qiáng)度要求[2]。本工程中由于軟土固結(jié)系數(shù)及滲透性較好，采用帶豎向排水通道的混凝土芯砂石樁復(fù)合地基處理方法可有效促進(jìn)軟土快速固結(jié)，有效消除地基沉降，提高樁間土強(qiáng)度與地基整體剛度和承載力，以更好的控制軟土地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能[3]。

2　混凝土芯砂石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案

工程中采用混凝土芯砂石樁復(fù)合地基，砂石樁設(shè)計(jì)直徑為500 mm，混凝土芯設(shè)計(jì)直徑為200 mm，砂石樁間距為1.9 m和2.1 m。施工時(shí)根據(jù)勘察報(bào)告的地質(zhì)情況，純軟土無(wú)硬夾層時(shí)采用振動(dòng)沉管方式成孔，局部有硬夾層時(shí)采用長(zhǎng)螺旋方式成孔，孔徑為500 mm。成孔后在中間放置200 mm的混凝土芯樁，周邊灌入砂石形成混凝土芯砂石樁。樁頂處標(biāo)高低于地面500 mm，采用純碎石壓實(shí)，后上部鋪500 mm砂墊層并加入兩層土工格柵形成最終的混凝土芯砂石樁復(fù)合地基。

3　混凝土芯砂石樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)儀器

1)加載設(shè)備：試驗(yàn)采用油壓千斤頂QF140/200及油壓表，油壓表最大量程為150 MPa。2)反力設(shè)備：加載裝置為2 000 kN靜載試驗(yàn)反力架(采用混凝土柱做負(fù)重)。3)量測(cè)裝置：基準(zhǔn)梁采用兩根槽鋼，長(zhǎng)5.0 m，對(duì)稱安置在試點(diǎn)兩側(cè)，單樁試點(diǎn)端部對(duì)稱安置2個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，壓板端部對(duì)稱安置4個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)。用磁性表座將4個(gè)量程為50 mm百分表固定在基準(zhǔn)梁上。

3.2　試驗(yàn)原理及規(guī)程

靜載荷試驗(yàn)是通過測(cè)定樁頂在不同的受荷狀態(tài)(慢速加載)下的變形參數(shù)、特征，即樁受荷情況下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，采用一定的方法(規(guī)范、規(guī)程規(guī)定的)分析、評(píng)價(jià)地基的承載力水平，它是目前最可靠且應(yīng)用最廣泛的方法。

加載采用慢速維持荷載法，壓板靜載荷試驗(yàn)按JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中有關(guān)要求進(jìn)行，單樁靜載荷試驗(yàn)按照J(rèn)GJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范中有關(guān)要求進(jìn)行。

3.3　試驗(yàn)方法

1)反力裝置利用壓重平臺(tái)，采用油壓千斤頂加壓，單樁靜載試驗(yàn)采用2只100 mm量程百分表測(cè)讀沉降量，壓板靜載荷試驗(yàn)采用4只100 mm量程百分表測(cè)讀沉降量。

2)加載采用慢速維持荷載法，即逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，加下一級(jí)荷載，達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)后，跳級(jí)卸載至零。

表1　靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果匯總見表1，單樁豎向抗壓承載力特征值為300 kN，單樁復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa，單樁試驗(yàn)Q—S曲線和單樁復(fù)合地基試驗(yàn)的P—S曲線見圖1，圖2。

由載荷試驗(yàn)結(jié)果可知：

1)由圖1中可以看出，間距2.1 m工況與間距1.9 m工況的單樁承載力區(qū)別不大，說(shuō)明單樁的承載力主要與樁體本身特性及樁周樁底土體條件有關(guān)，樁間距對(duì)其影響較小。

2)由圖2中可以看出，單樁復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa，該路段設(shè)計(jì)填土厚度為6 m，設(shè)計(jì)荷載為150 kPa，基本滿足要求。由于混凝土芯砂石樁載荷試驗(yàn)是成樁后30 d進(jìn)行，樁間土的排水固結(jié)還未完成。樁周砂石樁滲透系數(shù)較大，固結(jié)效果隨著固結(jié)時(shí)間的增大而提高，軟土的固結(jié)可使樁間土體的強(qiáng)度有所提高，一方面能直接提高單樁復(fù)合地基的承載力，另一方面也能提高砂石樁與樁間土體的摩擦力從而提高砂石樁的承載力[4]。因此考慮后續(xù)固結(jié)影響，單樁復(fù)合地基承載力預(yù)計(jì)將有30%的提高，固結(jié)完成后強(qiáng)度能夠滿足工程的設(shè)計(jì)要求。

3)工程中樁間距為2 m左右，砂石樁直徑為500 mm，而混凝土芯的直徑僅為200 mm，復(fù)合地基承載力的提高一方面源于混凝土芯與砂石樁組合的高強(qiáng)度，另一方面通過砂石樁較強(qiáng)的固結(jié)排水效果，提高了樁周土體的力學(xué)性能，減少工后沉降[5]。混凝土芯砂石樁復(fù)合地基方法充分利用了原有地基的承載能力以減少外部材料的使用量，在保證滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，節(jié)約工程成本，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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