旋噴樁復合地基承載特性的試驗研究

崔雙利，楊春普，史薇薇，王 斌，邢朝輝，劉瑞鉀

(1.遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，沈陽 110003；2.遼寧江河水利水電設計院有限公司，沈陽 110003)

1 概述

旋噴注漿作為地基處理的一種技術，在國內外的地基處理工程中得到了廣泛的應用。該技術在工藝流程、注漿材料以及機具設備等方面都有了很快的發展。旋噴樁樁身的特性與所在地層巖性，噴射成樁水泥用量及噴射參數密切相關。就旋噴樁單樁而言，砂土固結體的無側限抗壓強度最大可達10 MPa，粉質粘性土固結體無側限抗壓強度最大可達3 MPa，(均使用PO42.5級普通硅酸鹽水泥)。對于連體群樁防滲，砂礫石層中整體滲透系數為i×10-5～i×10-6cm/s(i為1～10區間值)，破壞比降為860～980。在粘土層中其滲透系數達i×10-7cm/s，破壞比降為150～210[1]。因此高壓噴射注漿處理地基完全可以滿足各種建筑物對地基的沉降變形和穩定要求[2]，以及防滲穩定要求。多年實踐證明，此技術最適合建筑物軟弱地基的加固及透水地基的防滲處理[3-5]。但旋噴樁作為復合地基的特性研究及工程應用較少，需要在試驗和工程實踐中不斷完善。

旋噴樁加固軟土地基，樁體與被加固的土體所組成的地基稱作旋噴樁復合地基。這種由兩種不同性質的材料所組成的復合體在荷載作用下，保持共同承擔荷載作用。為了深入了解這種復合地基的承載特性，我們以大量的工程實踐為基礎，采用模型試驗的方法，對旋噴樁單樁和其構成的復合地基進行了系統的載荷試驗，以探求在豎直荷載作用下，復合地基的承載特性及其加固原理。

2 模型樁材試驗

旋噴注漿法在地下形成的樁體，是由所灌注的水泥漿液與地層土相互摻混而組成。旋噴柱狀固結體有較高強度，外形凹凸不平，因此有較大的承載力[6]；形成的樁體不完整不均勻，在防滲和結構穩定性方面，有著獨特的穩定性[7]。因此，要了解旋噴樁復合地基特性，首先了解旋噴樁自身特性。本試驗對不同水泥摻量的旋噴固結體做了以下3組試驗：① 不同水泥摻量的單軸抗壓試驗；② 不同水泥摻量的單軸彈性模量試驗；③ 單一水泥摻量的高壓三軸試驗。

在數據處理中，將應力圓包絡圖簡化為公切線，計算公式為：

(1)

式中：

τ——剪切應力；

C——內聚力；

σ——有效應力；

σ1——大主應力；

σ3——小主應力；

φ——內摩擦角。

影響旋噴樁性能的有地層顆粒組成、工藝參數、注漿材料等各種因素，為簡化試驗，選擇漿材為變參量，其他影響參量不變的試驗模式，以便于分析旋噴樁的基本性質。試驗中的旋噴樁從不同水泥摻量進行高噴注漿試驗獲得，試驗地層均為砂質地層，顆粒組成見表1。高噴注漿水壓力為30 MPa，注漿管提升速度為12 cm/min，旋轉速度為8 rpm，采用水泥粘土漿材料，水泥標號PO42.5級，旋噴注漿深度為7.5 m。齡期60 d后進行表面開挖，樁徑為0.95～1.12 m。使用工程鉆機取樣。取樣點選取樁半徑1/2位置，代表樁體的平均性能。取樣深度為6 m，巖心管直徑108 mm，樣品編號后置入巖心箱內(如圖1所示)。送入實驗室后經過二次鉆取、切割、頂底面抹平及養護等制作過程后，形成直徑40 mm、高80 mm標準樣進行預先設計3組試驗。旋噴試驗中的漿液配合比及各組試驗獲得的旋噴樁性能指標見表2所示。

圖1 旋噴樁取樣巖心示意

表1 粗砂地層物理力學指標及顆粒組成級配

表2 模型樁材的性能指標

3 復合地基的模型試驗

3.1 試驗方案

為了使本試驗純化，應用了單因素試驗方法，分別進行了以下幾組試驗(其參數見表3)：① 不同尺寸承臺的天然模型地基載荷試驗；② 不同樁長的單樁載荷試驗；③ 不同承臺不同樁長的單樁復合地基載荷試驗；④ 群樁復合地基的載荷試驗。

表3 載荷試驗參數 mm

3.2 試驗加載裝置

靜載荷試驗分垂直和水平靜載荷試驗兩種。垂直載荷試驗時，需在固結體的頂部0.50 m范圍內，澆筑0.2～0.3 m厚的鋼筋混凝土樁帽[9]。本試驗為垂直載荷試驗，主要為在模型地基中設置水泥土的旋噴樁模型，樁帽部分分別設置混凝土承臺和鋼板承臺，承臺是上部結構與樁或群樁之間相聯系的結構部分[10]，通過承臺利用油壓千斤頂加載，量測承臺沉降量、承臺下地基的接地反壓及樁側應變等。試驗裝置高度為1.5 m，縱向長度為1.4 m。其中鐵制土槽直徑為1.0 m，高度為0.65 m。按要求上體(荷重傳感器)抗壓、抗剪強度均大于試件抗壓、抗剪強度(試驗裝置原理見圖2)。

1—荷重傳感器；2—鋼制反力架；3—位移傳感器；4—千斤頂；5—承臺；6—模型地基；7—模型樁；8—鐵制土槽；9—土壓力盒；10—應變片圖2 試驗裝置原理示意(單位：mm)

3.3 加載及量測系統

試驗中采用油壓千斤頂加載，每級加載量由沉降量控制。利用荷載傳感器和位移傳感器來讀取荷載及沉降值。承臺下接地反壓由埋設在承臺下地基表面的土壓力盒測量，樁軸力的測定是利用貼在樁身的3組共12枚應變片，由靜態電阻應變儀讀取應變來實現。

3.4 模型的選取

模型樁采用直徑為5 cm的圓柱形旋噴樁，長度分別為30 cm、40 cm及50 cm。試驗中共選用了3種尺寸的各式承臺，即15 cm×15 cm×10 cm的混凝土承臺、20 cm×20 cm×1 cm的鋼板承臺及42 cm×42 cm×2 cm的鋼板承臺。

3.5 模型地基的特性

天然土的力學特性可受到種種因素的影響，這些因素通常促使應力與應變現象呈現明顯的非線性的、不可逆的以及隨時間變化的特征。同時，還促使土體顯示出各向異性及非均勻的材料性質。因此，試圖考慮所有這些材料特性來解決土與基礎相互作用的問題無疑是一項繁重的工作。為了獲得土與基礎相互作用實際問題的有意義且可靠的資料，考慮土性態的許多特殊方面以使其理想化實屬必須[11]。據此本試驗為簡化模型地基特性，選用單一土壤粘土作為模型地基土。粘土顆粒較細(多數粒徑小于2 μm)，含有高嶺土和蒙脫石等礦物質[12]，是當地(沈陽地區)普遍地基土壤。選用粘土土粒比重為2.45，液限為60%，塑限為21%，塑性指數為39。

分層夯實制成的模型地基基本特性為：容重為1.81 kg/cm3、變形模量為43、貫入阻力為0.65、液性指數為0.843、含水量為20.0%～35.5%。

粘性土地基中含水量的大小往往決定著試驗的成敗，本試驗中采用烘干法量測地基含水量，并通過挖孔量測模型地基的含水量與地基深度的關系(如圖3所示)。

圖3 含水量與模型地基深度的關系示意

4 試驗結果

本試驗共完成模型天然地基、單樁載荷、復合地基以及樁身應力、應變等20余組試驗。本文僅選幾組有代表性的載荷試驗曲線，以期說明問題。分別為不同尺寸模型天然地基載荷與沉降曲線(見圖4)；不同尺寸單樁復合地基載荷與沉降曲線(見圖5)；群樁復合地基載荷與沉降曲線(見圖6)；單樁(樁長L=30 cm)軸力(N)分布圖(見圖7)；單樁(樁長L=30 cm)摩阻力(f)分布圖(見圖8)。

圖4 TH1、TH2試驗P～S曲線示意

圖5 FX2、FD2試驗P～S曲線示意

圖6 群樁復合地基P～S曲線示意

圖7 FD1試驗的軸力分布示意(曲線上的數字為對應的試驗荷載值)

圖8 FD1試驗摩阻力分布(曲線上的數字為對應的試驗荷載值)

5 試驗結果分析

5.1 載荷試驗對比

本試驗可以互相對比的試驗有以下幾組。TH1、D1及FX1；TH1、D2及 FX2；TH2、D1及FD1；TH2、D2及FD2；TH3及QF。其中TH1、D1及FX1這組試驗曲線對比見圖9。

圖9 3種試驗的比較示意

從圖9可以看出，沉降量相同的情況下，復合地基的承能力遠比單樁的承載力高。隨著沉降量的增加，天然地基(TH1)和單樁(D1)的承載力發生不增加或增加緩慢的現象，而復合地基(FX1)的承載力則隨著沉降量增加而不斷增大，直至產生破壞為止，在破壞之前甚至比單樁承載力及天然地基的承載力之和還要高，該現象體現了旋噴樁復合地基獨特的承載特性。同時，承臺的增大有利于地基參與承載，但增加樁長來提高承載力卻效果不明顯。

5.2試驗荷載與承臺下地基反力

為定量分析承臺下地基承載問題，可從承臺下地基的反力PC探討。這里將PC定義為土壓力盒讀數乘以承臺下地基的面積。試驗中所得P～PC曲線見圖10及圖11。

圖10 FX系列單樁復合地基P～PC關系曲線示意

圖11 群樁復合地基P～PC關系曲線示意

從P～PC圖中得出：承臺的大小、樁的長短、樁的數量對承臺下的地基參與承載都有影響，最為顯著的影響因素是樁體的數量，在同等樁數的情況下PC與P的關系可以概括為：在加載初期，承臺下地基發揮承載的效應很少，即PC小，超過一定限度后，則PC/P值趨近一常數。

5.3 平均應力與樁土的應力分配

承臺下地基所承擔的總荷載PC，利用應變片推斷出作用于樁頂的荷載Pp，試驗時所施加的荷載P，它們之間的定量關系見圖12。

圖12 FD1試驗的P、PC、PP～S關系曲線示意

由圖12可知，當復合地基加載初期，荷載主要由樁體承擔，承臺下地基承載較少，隨著沉降值的加大，承臺下地基漸漸參與工作而分擔更多的荷載，直至樁、土所分擔的荷載達到一定的協調。

由于樁體與土體的變形模量不同，在分配荷載時，荷載必然會向樁體產生應力集中，其集中系數即所謂樁土應力分擔比：

n=σp/σc

(2)

式中：

σp——樁頂所受的平均應力；

σc——承臺下地基的平均反力。

試驗的應力分擔比n與沉降S的關系曲線見圖13。

圖13 各試驗的n～S關系曲線示意

圖13顯示出隨著沉降值S的增大，應力分擔比n值逐漸減小，最后趨近某一定值。在曲線的初期各組試驗的規律有所不同，可以理解為由于承臺的大小及試驗誤差所造成。

對于n值隨沉降的增加而趨近某一定值可以這樣解釋：從n趨于定值的那點的沉降值起，地基、樁及復合地基都開始相繼進入到塑性狀態，但它們并非同步，這點從圖11也可看出。樁率先進入塑性狀態(極限狀態)，然后是復合地基，再次是承臺下的天然地基。

5.4 樁身軸力及樁側摩阻力

從圖7及圖8可以看出，樁身軸力的分布比較均勻，隨荷載的增加其變化也比較均勻，各組試驗的最大樁身應力為2.1～2.3 MPa，本試驗所采用模型樁的抗壓強度為4～4.7 MPa。可見，復合地基中基本上發揮了樁身的強度。

樁側摩阻力的分布變化比較復雜，在加載初期，上部樁身的摩阻力首先發展，荷載增大后，樁體下部的摩阻力增長很快，并且超過樁體上部的摩阻力。這主要是由于承臺的參與工作限制了一定范圍內的樁土相對位移，因而其規律與單樁的一般情況相背，可見承臺對樁側摩阻力有“削弱作用”。

6 結語

1)經以上試驗及分析，完全可以肯定旋噴樁—土—承臺共同工作構成復合地基的模式，得出復合地基承載力與承臺及樁長定性關系如下：即大承臺比小承臺更易發揮承臺下地基參與工作，增大樁長可以提高復合地基的承載力，但超過一定樁長后，其效果并不顯著。

2)工程實踐表明，旋噴樁復合地基由多個不相連的旋噴樁組成。旋噴時其主體為有一定直徑和體形的旋噴樁，還有一部分連在旋噴樁外面的支體，支體是土的裂隙造成，其數量、粗細(厚薄)和長短與土的裂隙狀況及噴射技術參數有關。也就是說，旋噴復合地基，不但有旋噴樁，在樁之間的土中還有若干支體固結體，它們在一定程度上改善了樁間土的物理力學性能，從而加大了復合地基承載力并減小了地基的沉降量[13]。

3)雖然旋噴樁復合地基強度明顯高于原來地基土的強度。但實際應用中，旋噴樁作為復合地基應用卻較少，因為國內其他旋噴樁復合地基試驗表明，加固后的復合地基承載力存在著較大的差異，而造成這一差異的主要原因在于樁身加固體強度不均勻，離散程度較高，導致這種復合地基具有明顯的不均勻性[14]。此外在工程造價上，比國內應用的粉噴樁及振沖碎石樁要高，這方面旋噴樁復合地基不占優勢，不利于大面積加固地基使用。