牙四公路路基水泥攪拌樁承載力影響因素研究

張宏祥王捷

(東北林業大學 土木工程學院,哈爾濱150040)

0 引言

近年來,隨著經濟的高速增長及“一帶一路”帶來的發展機遇,中國的基礎設施建設規模有了顯著的提高。無論公路鐵路還是港區堆場,都不可避免地會遇到軟弱地基的處理加固問題。水泥土攪拌樁是一種利用特殊的深層攪拌機械將固化劑水泥和土體強制攪拌在一起,從而起到加固地基作用的樁體,其在施工時無震動、無噪聲、無污染且造價低,因此得到了廣泛的應用。由于施工時采用的配合比、養護時間以及地質條件的不同,水泥攪拌樁的承載特性也不盡相同。

在有關水泥攪拌樁承載力影響因素的研究方面,趙利平等[1]通過對鉆孔附近的靜載試驗數據進行分析,發現減小地基沉降需要進行設計變更時,需優先考慮改變樁間距,其次調整褥墊層厚度;馬時冬[2]研究得出樁土應力比n與荷載P的關系;馬克生等[3]通過對試樁做單樁和復合地基靜載力載荷試驗得出使用載荷下單樁復合地基的安全系數大于2;厲有軒[4]運用ANSYS有限元軟件計算出水泥土攪拌樁復合地基承載力值,再通過計算公式和修正公式,進一步驗證修正公式的精確性、合理性;鄭斌[5]通過有限元分析法驗證各土層的正應力和剪應力;李恩瀚[6]根據對加芯水泥攪拌樁的單樁破壞形式進行分析并得出了單樁破壞形式與單樁承載力關系,進而推算得出復合地基承載力的計算公式,但針對土樣、當量配合比和養護齡期的條件分析和研究較少且不夠全面。

筆者在前人研究的基礎上,通過載荷試驗與無側限抗壓試驗,并運用有限元建模分析,對土樣、配合比和齡期等影響水泥攪拌樁承載力的因素進行研究,該研究對試驗條件的控制和優化及對指導水泥攪拌樁的施工具有重要意義。

1 工程簡介

1.1 工程地質概況

本項目路段位于牙四公路新站至大安嫩江大橋段工程,距肇源縣新站鎮岔格岱村西側約3.14 km,長度為712 m。設計為填土路基,一般路段路基最小填土高度應不低于1.6 m,全段路堤最大填土高度為8.7 m,路基邊坡1∶1.5,路基頂面寬度為25.5 m,其中行車道4 m×3.75 m、硬路肩2 m×3 m、路緣帶2 m×0.5 m、中央分隔帶2.0 m、土路肩2 m×0.75 m。設計為填土路基,路段地貌單元為松嫩沖積平原,地表為防洪大壩內的魚塘,水量較大,施工期間地表經人工回填平整,地形平坦。路段為軟土路基,承載能力低,路基穩定性差,采用水泥攪拌樁復合地基為其加固。

1.2 工程概況及試驗

為滿足道路等基礎設施使用要求,本試驗樁徑采用0.5 m,樁間距為1.5 m,樁布置方式為梅花正三角形,地基設計承載力特征值為120 kPa,最大試驗荷載為500 kN。運用取芯法[7]和慢速維持荷載法[8]進行檢測,如圖1所示。

圖1 試驗鉆機及試樣Fig.1 Test rig and sample

取芯法是用鉆機鉆取芯樣以檢測樁長、樁身缺陷、樁身強度、均勻性和連續性,判定樁身質量的方法。水泥土攪拌樁成樁質量是評價施工后所形成的水泥土攪拌樁樁體強度、完整性和均勻性的指標。

2 試驗結果及分析

2.1 室內試驗結果及分析

現場試驗鉆機一共取了黑土、細砂、粉土和粉細砂4種土體,對每種土體分別做了當量配合比為55、60、65 kg的試塊,分別養護7 d和28 d,然后進行無側限抗壓試驗[9-11]。無側限抗壓試驗條件如圖2所示,試驗結果見表1—表3。

圖2 無側限抗壓試驗Fig.2 Unconfined compression test

表1 當量配合比為55 kg試塊試驗數據匯總表Tab.1 55 kg of equivalent mix ratio test block test data summary table

表2 當量配合比為60 kg試塊試驗數據匯總表Tab.2 60 kg of equivalent mix ratio test block test data summary table

由表1—表3可以得出,3種當量配合比試塊整體力峰值由大到小為:當量配合比為65 kg試塊、當量配合比為60 kg試塊、當量配合比為55 kg試塊;當處于同一當量配合比和齡期情況下,力峰值由高到低排序為粉細砂、黑土、粉土、細砂;在同一當量配合比和土類情況下,土的力峰值隨齡期的增長而增長。

表3 當量配合比為65 kg試塊試驗數據匯總表Tab.3 65 kg of equivalent mix ratio block test data summary table

2.2 載荷試驗結果及分析

現場進行單樁豎向靜載荷試驗,采用慢速維持荷載法,按《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)的有關規定進行。靜載荷試驗是評價單樁承載力最為直觀和可靠的方法,其除了考慮到地基土的支承能力,也計入了樁身材料強度對承載力的影響。現場橫斷面示意圖如圖3所示,平面示意圖如圖4所示。

圖3 橫斷面示意圖Fig.3 Cross-sectional diagram

圖4 平面示意圖(cm)Fig.4 Plane diagram(cm)

本文選取現場實驗的1-1、1-2和1-3樁進行單樁承載力分析,并對3個樁采取有限元建模和計算,承載力情況見表4。

3 模型的建立與驗證

本文采用國際大型通用有限元ABAQUS[12-16]軟件進行建模和計算,建模時對實際工程進行了簡化。三維有限元模型如圖5所示,Z軸為深度方向且豎直向下為負。模型網格劃分以八節點六面體單元(C3D8)為主,共劃分單元25 404個、節點37 790個。模型底部約束為全部自由度,側面約束為法向自由度。

表4 現場檢測成果匯總表Tab.4 Summary of on-site test results

圖5 水泥攪拌樁加固地基模型圖Fig.5 Model drawing of foundation reinforced by cement mixing pile

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型,其參數少,容易獲得,概念簡單又能反映土的摩擦性材料的特性,該本構模型揭示了土與金屬等材料的一個本質區別,抗剪強度與圍壓有關。樁體采用線彈性模型,參數取值見表5。

表5 模型參數Tab.5 Model parameters

因樁體與土體材料的剛度相差懸殊,因此在荷載作用下會表現出剪切脫離等不同于連續體的變形。本文依據庫侖摩擦定律來模擬二者接觸面之間的力學行為,法向設定為剛性接觸,切向設定為摩擦接觸,摩擦系數取值為tan(0.75φ)。

因模型存在接觸,因此地應力平衡時采用導入ODB法[17-18]。平衡結果如圖6所示。

根據現場試驗的實際加載情況,模型中對群樁中的單樁進行加壓,計算完畢后將樁頂端節點豎向應力的平均值作為樁頂端應力代表值,乘以樁橫截面面積之后繪制荷載沉降曲線,如圖7所示。

圖6 地應力平衡結果Fig.6 Results of ground stress balance

圖7 承載力曲線Fig.7 Bearing capacity curve

由圖7可以看出,模型模擬的結果與實際試驗結果較為吻合,表明本文模型是正確和適用的,限于篇幅,以下僅僅采用粉土對不同當量配合比和養護齡期進行模擬和對比,結果如圖8—圖9所示。

圖8 不同當量配合比承載力曲線Fig.8 Bearing capacity curve of different equivalent mix ratio

圖9 不同養護齡期承載力曲線Fig.9 Bearing capacity curve of different curing days

由圖8可以看出,在一定范圍內,當量配合比越大,水泥攪拌樁的承載力越高,并且在沉降初期承載力的差別不大,后期差異比較明顯;由圖9可以看出,養護時間越長,樁體的強度越大,最終樁體的承載力越高,并且養護7 d和15 d時的強度差異要大于養護15 d和28 d時的強度差異,表面水泥混凝土樁承載力隨著養護齡期的增長有加速增長的趨勢,因此在實際工程中要嚴格把控當量配合比和養護齡期。

4 結論

水泥攪拌樁廣泛應用于各種工程,對其設計、配合比和施工工藝的要求也越來越高。水泥攪拌樁的承載力受到諸多因素的影響,本文采用室內試驗和數值模擬的方法,對不同土體、養護的齡期和水泥摻入量3種條件下的承載力進行了分析研究,結論如下。

(1)其他條件一定時,粉細砂在無側限加載條件下的峰值略高于黑土,并且優于粉土和細砂。

(2)在當量配合比處于55 ～65 kg時承載力隨著配合比的增加而增加,并且增加的幅度大致一致。

(3)當養護齡期處于3～28 d時,承載力變化情況與養護齡期成正比,且其強度呈加速增長的狀態。

(4)數值分析結果和試驗結果較為吻合,并且能反映不同影響因素的變化規律,但是做了較多簡化,后續還需要更進一步的分析。