水泥土攪拌樁承載力及沉降現(xiàn)場試驗分析

姚偉偉 （山東勝利建設(shè)監(jiān)理股份有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

水泥土攪拌樁常應(yīng)用于軟土地基及復(fù)合地基的加固，為研究其加固效果及其力學(xué)及變形特性，近年來，許多專家學(xué)者針對水泥土攪拌樁的力學(xué)特性開展相關(guān)研究。

賈劍青等[1]以某高速鐵路為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與有限元模擬，分析水泥土攪拌樁對地基的加固效果，研究其變形及承載特性。周身平等[2]以某公路為研究對象，建立其有限元模型，計算其安全系數(shù)，分析水泥土攪拌樁對其地基的加固效果。鄭帥恒等[3]以水泥土攪拌樁為研究對象，建立三維有限元模型，分析不同因素對其樁深強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響。商慶坤等[4]以某復(fù)合地基為研究對象，開展室內(nèi)模型試驗，分析水泥土攪拌樁加固下，其地基的承載特性及變形規(guī)律。費(fèi)大偉等[5]開展室內(nèi)水泥土標(biāo)準(zhǔn)試驗，分析不同因素對水泥土攪拌樁強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，成樁工藝對其強(qiáng)度的影響較大。

本文以渤中19-6凝析氣田I期開發(fā)工程為研究背景，以該工程的水泥土攪拌樁為研究對象，分析水泥土攪拌樁的承載力及加固效果，采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁的承載力進(jìn)行預(yù)測。

1 工程概況

該項目位于山東省濱州市臨港高端石化產(chǎn)業(yè)園南部用地處，北海大街以北，疏港路以東，其東側(cè)為現(xiàn)有匯泰化工園，用地現(xiàn)狀為存量建設(shè)用地，場地東西總長600m，南北寬556m，合約33.33hm2。該項目樁基施工主要為水泥土攪拌樁施工，水泥土攪拌樁采用42.5 級抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，摻量12%～20%，樁徑500mm，長約14.5m。該地區(qū)的土層分布情況如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗方案

以該工程的水泥土攪拌樁為研究對象，為分析水泥土攪拌樁的承載力及加固效果，采用單樁靜載試驗分析水泥土攪拌樁的極限承載力，采用載荷試驗分析水泥攪拌樁對地基的加固效果。當(dāng)最大沉降大于40mm 或本級沉降大于上級沉降的5 倍時，即停止加荷，其試驗方案如表2所示，樁位布置圖如圖1所示。

圖1 樁位布置圖

表2 試驗方案

3 試驗結(jié)果及分析

為分析水泥土攪拌樁的承載特性及變形規(guī)律，開展單樁靜載試驗，其荷載（Q）-沉降（s）曲線如圖2 所示。由圖可知，不同試樁間的荷載-沉降曲線變化趨勢具有一致性，隨著樁體所受荷載的增大，其沉降逐漸增大，當(dāng)試樁所受荷載較小時，不同試樁的沉降量差異較小，隨著試樁所受荷載的增大，不同試樁間的沉降量差異逐漸增大。其中，CP3 試樁的沉降量最大，其最大沉降量為34.81 mm，試樁CP2 的沉降量最小，其最大沉降量為12.7mm。當(dāng)試樁所受荷載為336 kN 時，試樁的荷載-沉降曲線發(fā)生突變，此時加載結(jié)束，各試樁的最大沉降均小于35 mm，低于規(guī)范所規(guī)定的限值，說明該工程的水泥土攪拌樁強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

圖2 水泥土攪拌樁荷載-沉降曲線

各試樁及地基的抗壓靜載實驗結(jié)果如表3 所示。由表可知，試樁CP3 與地基CPF8 的沉降量最大，其值分別為34.81mm、39.60mm，但其回彈率較低，樁的彈性工作特征不明顯，分別為21.4%、22.3%；而試樁CP2 與試樁CP6的回彈率較高，其值分別為40.1%、44.1%。這是由于試樁CP2 與試樁CP6的樁端持力層為全風(fēng)化花崗巖，其強(qiáng)度小于水泥土攪拌樁，在試樁加載過程中，其樁端的巖層發(fā)生沉降，隨著試樁所受荷載的增大，樁端巖層的變形逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

表3 抗壓靜載實驗結(jié)果

為分析水泥土攪拌樁對地基的加固效果，開展載荷試驗，其荷載（Q）-沉降（s）曲線如圖3 所示。由圖可知，隨著地基體所受荷載的增大，其沉降逐漸增大，當(dāng)其所受荷載為1340kN 時，停止加載，此時地基沉降有最大值，CPF7、CPF 的最大沉降值分別為39.6mm、36.1mm。以上地基的極限承載力均為360kPa，故其地基承載力特征值為180kPa，大于規(guī)范所規(guī)定的限值，說明采用水泥土攪拌樁對地基進(jìn)行加固的強(qiáng)度符合設(shè)計要求。當(dāng)?shù)鼗芎奢d較小時，其沉降增大趨勢較為平緩，且兩地基間的差距差異較小，隨著地基所受荷載的增大，其沉降增長趨勢較為顯著，且兩地基間的沉降差值逐漸增大，說明當(dāng)?shù)鼗芎奢d大于1340 kN 時，其沉降仍會繼續(xù)增長。為分析持續(xù)加載后，水泥土攪拌樁的極限強(qiáng)度，需對其極限承載進(jìn)行預(yù)測。

圖3 地基荷載-沉降曲線

為分析持續(xù)增大荷載后水泥土攪拌樁及其地基的承載力變化規(guī)律，需對其單樁承載力進(jìn)行預(yù)測，分別選取試樁CP1、試樁CP4 及地基CPF7、地基CPF8進(jìn)行分析。前人常采用雙曲線模型對其承載力進(jìn)行預(yù)測，為優(yōu)化其預(yù)測準(zhǔn)確性，本文采用荷載-沉降模型對雙曲線模型進(jìn)行優(yōu)化，修正后雙曲線公式如式（1）所示。

式中：α為試樁加載量系數(shù)，kN；β為試樁沉降衰減系數(shù)；a為試樁的調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)變尺度優(yōu)化法即可得出公式（1）中相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)解，采用該模型對水泥土攪拌樁的承載力進(jìn)行預(yù)測，試樁CP1、試樁CP4 的沉降-荷載曲線如圖4所示。由圖可知，以上兩種試樁的沉降與其所受荷載間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著水泥土攪拌樁所受荷載的增大，其發(fā)生的沉降逐漸增大，且當(dāng)水泥土攪拌樁所受的荷載較小時，其沉降-荷載曲線變化趨勢較為平緩，隨著試樁所受荷載的增大，試樁發(fā)生的沉降增長趨勢較為顯著。不同試樁間的承載力具有一定的差異性，在同一荷載作用下，試樁CP4產(chǎn)生的位移較大，說明試樁CP1的穩(wěn)定性較好，承載力較高。

圖4 試樁CP1、試樁CP4的沉降-荷載曲線

地基CPF7、地基CPF8 的沉降-荷載曲線如圖5 所示。由圖可知，地基CPF7、地基CPF8 的曲線變化趨勢具有一致性，其沉降與其所受的荷載呈正相關(guān)關(guān)系，在同一荷載下，當(dāng)?shù)鼗芎奢d小于1338 kN 時，地基CPF7 的沉降較大，當(dāng)?shù)鼗芎奢d大于1338 kN 時，地基CPF8 的沉降較大。當(dāng)?shù)鼗芎奢d較小時，其沉降增長較小，隨著地基所受荷載的增大，其沉降-荷載曲線的增長趨勢顯著，其中，地基CPF8 的曲線增長趨勢尤為明顯，當(dāng)?shù)鼗芎奢d為1340 kN時，其沉降-荷載曲線呈陡降型，此時地基已接近破壞狀態(tài)。

圖5 地基CPF7、地基CPF8的沉降-荷載曲線

根據(jù)上述修正雙曲線模型可對水泥土攪拌樁及其加固地基的承載力進(jìn)行預(yù)測，該曲線的擬合結(jié)果如表4 所示。由表可知，不同試樁及地基的擬合方程具有一定的差異性，采用該模型對水泥土攪拌樁及其加固地基的承載力預(yù)測準(zhǔn)確性較高，其相關(guān)系數(shù)均大于0.95。試樁CP1 的極限承載力較大，其值為443 kN，地基CPF8 的極限承載力較大，其值為1352 kN，對比前文的現(xiàn)場試驗可得，該模型的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果具有一致性，說明采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測的可行性較高。

表4 擬合結(jié)果

為分析修正雙曲線模型對實際工程的水泥土攪拌樁強(qiáng)度預(yù)測的準(zhǔn)確性，將其預(yù)測結(jié)果與工程現(xiàn)場的樁體強(qiáng)度進(jìn)行對比，水泥土攪拌樁加固地基的強(qiáng)度對比圖如圖6 所示。由圖可知，該地基的沉降-荷載曲線與前文變化趨勢一致，其工程現(xiàn)場的地基承載力與預(yù)測曲線間的差距較小，二者間的相關(guān)系數(shù)為0.99，根據(jù)該曲線計算地基極限承載力為316 kN，該工程的實際地基極限承載力為308 kN，二者間的差距較小，說明采用修正雙曲線模型對地基承載力預(yù)測的準(zhǔn)確性較高。

圖6 地基強(qiáng)度對比圖

水泥土攪拌樁的強(qiáng)度對比圖如圖7所示。由圖可知，兩種水泥土攪拌樁的強(qiáng)度具有一定的差異性，其中，在同一荷載作用下，變徑水泥土攪拌樁的沉降較小，說明變徑水泥土攪拌樁的強(qiáng)度較高。采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁預(yù)測的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，說明該模型對水泥土攪拌樁的強(qiáng)度預(yù)測準(zhǔn)確性較高，對比該模型對地基強(qiáng)度的預(yù)測誤差可得，采用該模型對地基預(yù)測的相關(guān)系數(shù)較高，說明修正雙曲線模型對地基強(qiáng)度預(yù)測的準(zhǔn)確性較高，但該模型對水泥土攪拌樁的預(yù)測誤差仍在允許范圍內(nèi)。

圖7 水泥土攪拌樁的強(qiáng)度對比圖

4 結(jié)論

隨著樁體所受荷載的增大，其沉降逐漸增大，當(dāng)試樁所受荷載較小時，不同試樁的沉降量差異較小，隨著試樁所受荷載的增大，不同試樁間的沉降量差異逐漸增大。其中CP3 試樁的沉降量最大，最大沉降量為34.81mm。

當(dāng)?shù)鼗芎奢d較小時，其沉降增大趨勢較為平緩，且兩地基間的差距差異較小，隨著地基所受荷載的增大，其沉降增長趨勢較為顯著，且兩地基間的沉降差值逐漸增大，說明當(dāng)?shù)鼗芎奢d大于1340kN時，其沉降仍會繼續(xù)增長。

采用修正雙曲線模型對水泥土攪拌樁預(yù)測的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，說明該模型對水泥土攪拌樁的強(qiáng)度預(yù)測準(zhǔn)確性較高，采用該模型對地基預(yù)測的相關(guān)系數(shù)較高，說明修正雙曲線模型對地基強(qiáng)度預(yù)測的準(zhǔn)確性較高，但該模型對水泥土攪拌樁的預(yù)測誤差仍在允許范圍內(nèi)。