剛性樁水泥土攪拌樁在軟土地基中的應(yīng)用

1、剛性樁-水泥土攪拌樁在軟土地基中的應(yīng)用簡(jiǎn)介： 由剛性樁、水泥土攪拌樁及樁間土組成的復(fù)合地基，其承載力是由樁和樁間土共同分擔(dān)的，通過剛性樁和水泥土攪拌樁的施工，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁間土的擠密加固，可充分發(fā)揮和利用地基土的承載潛力，有效地解決軟土地基承載力不足的問題。關(guān)鍵字：剛性樁 水泥土攪拌樁 復(fù)合地基 合模量 承載力 相關(guān)站中站： 加固螺栓錨固 1 概述近年來，地基處理技術(shù)得到快速發(fā)展，地基處理技術(shù)的發(fā)展不僅反映在機(jī)械、材料、設(shè)計(jì)理論、施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及地基處理新方法的不斷更新和進(jìn)步等方面，而且反映在多種地基處理方法的綜合應(yīng)用方面。鑒于豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基中樁的承載能力和變形特性不同，地基處理的技術(shù)

2、效果和適用范圍均不相同，剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基結(jié)合柔性樁復(fù)合地基和剛性復(fù)合地基的特點(diǎn)，以充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，大幅度提高地基承載力，減少地基沉降，從而取得良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)思想2.1 設(shè)計(jì)的基本思路采用由剛性樁、水泥土攪拌樁和樁間土組成的復(fù)合地基，主要從以下幾個(gè)方面1考慮：當(dāng)豎向荷載施加于樁頂時(shí)，樁身的上部受到壓縮發(fā)生相對(duì)于土的向下位移，樁周土在樁側(cè)界面上形成向上的摩阻力；荷載沿樁身向下傳遞過程中不斷克服摩阻力并通過它向土中擴(kuò)散，因而樁身的軸力沿著深度逐漸減小，在樁端處與樁底反力相平衡；與此同時(shí)，樁端持力層在樁端壓力作用下產(chǎn)生壓縮，使樁身下沉，樁與樁間土的相對(duì)位移又

3、使摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮。隨著樁頂荷載的逐漸增加，上述過程周而復(fù)始地進(jìn)行，直到變形穩(wěn)定為止。由于樁身壓縮量的累積，上部樁身位移總是大于下部，因此上部摩阻力總是先于下部發(fā)揮，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限后就保持不變，繼續(xù)增加的荷載就完全由樁端持力層承受，當(dāng)樁底荷載達(dá)到樁端持力層的極限承載力時(shí)，樁便發(fā)生急劇的、不停滯的下沉而破壞。因此，增強(qiáng)樁身上部樁側(cè)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)提高樁的承載力、改善樁的變形特性具有現(xiàn)實(shí)意義。水泥土攪拌樁加固軟土地基改善軟土的固結(jié)特性。通常水泥土的壓縮曲線表現(xiàn)出明顯的超固結(jié)特性，可近似地認(rèn)為水泥土樁體不存在固結(jié)現(xiàn)象，而只有彈性的樁身壓縮。水泥土攪拌樁加固深厚軟土地基一般不會(huì)貫穿整個(gè)軟土層，由此

4、形成的加固層和下臥層軟土的固結(jié)特性仍可用雙層地基一維固結(jié)理論來分析。從固結(jié)機(jī)理來看，加固層滲透性極低的水泥土攪拌樁（比原狀土低3到4個(gè)數(shù)量級(jí)2）設(shè)置減小下臥層軟土的排水固結(jié)；同時(shí)加固層豎向附加應(yīng)力向水泥土攪拌樁集中而使樁間土所受應(yīng)力大大減小，孔隙壓力也大為降低，因此在下臥層軟土和加固層樁間土之間形成較大的孔隙壓力差，加快下臥層軟土的固結(jié)。水泥土攪拌樁改善天然軟土的性質(zhì)。流塑態(tài)軟粘土拌入固化劑后形成的加固土呈堅(jiān)硬狀態(tài)。粘聚力和內(nèi)摩擦角較原狀土增加，其抗壓、抗剪強(qiáng)度、變形模量等指標(biāo)分別比天然軟土提高數(shù)十倍至數(shù)百倍。當(dāng)固化劑摻入比w5%時(shí)，加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu可達(dá)5004000kpa，相應(yīng)抗拉強(qiáng)

5、度1=(0.150.25)qu，粘聚力c=(0.20.3)qu，摩擦角變化于2030之間，變形模量e50=(120150)qu。加固土強(qiáng)度隨固化劑摻入比、水泥標(biāo)號(hào)和加固土齡期的增加而提高。隨著水泥摻量的增加抗?jié)B系數(shù)由原狀土的10-7/s下降為（10-710-11）/s數(shù)量級(jí)。樁、土復(fù)合構(gòu)成的地基形成了平面及豎向合適的剛度級(jí)配梯度和三維共同工作的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到對(duì)天然地基承載力的有效補(bǔ)強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)要求，減少地基的沉降。長(zhǎng)剛性樁、短水泥土攪拌樁的布置，形成三層地基剛度，符合天然地基土層淺弱深強(qiáng)的規(guī)律以及地基應(yīng)力傳遞特征，同時(shí)長(zhǎng)剛性樁可以進(jìn)入深層良好土層，減少復(fù)合地基的沉降。復(fù)合地基與上部結(jié)構(gòu)通過褥墊

6、層的柔性連接，在水平荷載作用下，有效地傳遞垂直荷載。復(fù)合地基與上部結(jié)構(gòu)柔性連接的褥墊層調(diào)整復(fù)合地基的樁土荷載分配，發(fā)揮土體的承載能力特別是淺層土體的承載作用；墊層的作用歸納為：保證樁體和樁間土共同承擔(dān)荷載，在上部荷載作用下，樁體一定程度“剌入”褥墊層中，充分發(fā)揮樁間土作用。在實(shí)測(cè)的復(fù)合地基樁體和樁間土?xí)r程曲線（給定荷載下）中，樁、土受力始終為一常數(shù)；調(diào)整樁、土荷載分擔(dān)比，墊層越厚，樁間土承擔(dān)的荷載越多；荷載水平越高，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比越大。因此調(diào)整墊層厚度可調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比，反之根據(jù)樁土應(yīng)力的要求來確定墊層的厚度；緩解基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中，樁頂對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)應(yīng)力與樁間土對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)底面應(yīng)力

7、之比隨墊層厚度的變化而變化；據(jù)研究：當(dāng)墊層厚度大于10時(shí)，樁對(duì)基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的應(yīng)力集中已明顯降低；當(dāng)墊層厚度為30時(shí)，n只有1.2左右； 調(diào)整樁土水平荷載的分配，未設(shè)置褥墊層時(shí)，水平荷載主要由樁承擔(dān)。隨著褥墊層的設(shè)置和增厚，樁頂承受的水平荷載逐漸變小。當(dāng)褥墊層厚度大到一定程度時(shí)，水平荷載主要由樁間土承擔(dān)，樁體發(fā)生水平折斷的可能性減小，樁在復(fù)合地基中失去工作能力的機(jī)會(huì)減小。褥墊層的設(shè)置，復(fù)合地基中樁體存在向上的剌入變形，阻止樁間土的變形。2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算的思路：由天然地基和剛性樁復(fù)合形成復(fù)合地基，視為一種新的等效天然地基，其承載力特征值為fspk1。將

8、等效天然地基和水泥土攪拌樁復(fù)合形成復(fù)合地基，求得復(fù)合地基承載力即剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力。具體推導(dǎo)如下3：天然地基土的承載力特征值為fak。剛性樁的斷面面積為apl，平均面積置換率為m1，單樁承載力特征值為ral，則剛性樁和天然地基形成的復(fù)合地基承載力特征值為式中：1為樁間土承載力提高系數(shù)，與土性和剛性樁成樁工藝及樁徑、樁距等有關(guān)。對(duì)非擠土成樁工藝，1=1；1為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，一般11。水泥攪拌樁的斷面面積為ap2，平均面積置換率為m2，單樁承載力特征值為ra2。水泥土攪拌樁與承載力特征值為fspk1的等效天然地基復(fù)合后的承載力，即式中：fspk為剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力

9、特征值；2為樁間土承載力提高系數(shù)，與土性和剛性樁成樁工藝及樁徑、樁距有關(guān)。對(duì)非擠土成樁工藝，2=1；2為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，一般21。2.3 復(fù)合地基的復(fù)合模量復(fù)合模量表征的是復(fù)合土體抵抗變形的能力。由于復(fù)合地基是由土和增強(qiáng)體（樁）組成，復(fù)合模量與土和樁的模量密切相關(guān)。確定剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基復(fù)合模量的基本方法為：按單一樁型復(fù)合地基復(fù)合模量確定方法求得天然地基和剛性樁所形成復(fù)合地基的復(fù)合模量，并將其視為一等效天然地基；按單一樁型復(fù)合地基確定方法，求得等效天然地基和水泥土攪拌樁形成復(fù)合地基的復(fù)合模量即為剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基的復(fù)合模量。圖1為剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基示意圖，剛性樁樁

10、長(zhǎng)l2，水泥土攪拌樁樁長(zhǎng)l1。范圍為加固區(qū)a1，（l2l1）范圍為加固區(qū)a2。l1以下為非加固區(qū)a3，計(jì)算深度范圍內(nèi)共分五個(gè)土層，各層天然地基土壓縮模量分別為es1，es2，es3，es4，es5，剛性樁和天然地基形成復(fù)合地基后的面積置換率為m1，第1層土天然地基承載力特征值為fak，剛性樁加固后復(fù)合地基承載力特征值為fspk1，模量提高系數(shù)1= fspk1/fak，樁長(zhǎng)為l2的水泥土攪拌樁復(fù)合地基面積置換率為m2（計(jì)算時(shí)不考慮剛性計(jì)的存在），復(fù)合地基承載力特征值為fspk，則樁長(zhǎng)l2范圍內(nèi)模量提高系數(shù)為2=fspk/ fspk1。文獻(xiàn)3提出多樁型復(fù)合地基的復(fù)合模量計(jì)算方法；由此可推得剛性樁水

11、泥土攪拌樁的復(fù)合模量，加固區(qū)a1模量提高系數(shù)為=fspk/fak。加固區(qū)a2模量提高系數(shù)為1，非加固區(qū)a3模量不變。圖1 剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基示意圖fig.1 nigid piledeep mixing pile composite foundation2.4 剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基檢測(cè)樁身質(zhì)量檢測(cè)，可依照各類樁的檢測(cè)方法分別進(jìn)行檢測(cè)，如剛性樁可采用低應(yīng)變檢測(cè)，水泥土攪拌樁可采用輕便觸探或抽芯檢測(cè)。對(duì)于一般的復(fù)合地基加固效果檢測(cè)，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(jgj792002)規(guī)定采用復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的承壓板可用圓形或方形，面積為一根樁承擔(dān)的處理面積；多樁復(fù)合地基載

12、荷試驗(yàn)的承壓板可用方形或矩形，其尺寸按實(shí)際樁數(shù)所承擔(dān)的處理面積確定。在確定剛性樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值時(shí)，當(dāng)qs曲線上有明顯的比例極限時(shí)，而其值不小于對(duì)應(yīng)比例界限的2倍，可取比例界限；當(dāng)其值小于對(duì)應(yīng)比例界限的2倍時(shí)，可取極限荷載的一半；當(dāng)qs曲線是平緩的光滑曲線時(shí)，可按相對(duì)變形值確定；即取沉降比s/b或s/d等于0.006所對(duì)應(yīng)的壓力。3 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)3.1 ptc水泥土攪拌樁復(fù)合地基某教學(xué)樓工程，地基土物理力學(xué)指標(biāo)如表1。工程采用ptc水泥土攪拌樁復(fù)合地基，ptc樁徑500，樁長(zhǎng)37m，樁端進(jìn)入層礫石；水泥土攪拌樁樁徑500，樁長(zhǎng)15m，樁端進(jìn)入層淤泥質(zhì)粘土，1根ptc與4根水泥

13、土攪拌樁組合成一個(gè)處理單元；現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)qs曲線如圖2。表1 地層的物理力學(xué)指標(biāo)table2 physical and mechanical parameters of the soil土層層頂標(biāo)高/mfk/kpaqs/kpaqp/ kpa粘土6511淤泥1.001.50505.5淤泥質(zhì)粘土21.5027.808011圓礫28.6029.30220301000淤泥質(zhì)粘土30.1031.308011粘土20.9034.5014020450圓礫26.8535.50220301000淤泥質(zhì)粘土25.8035.9010013礫石31.40300451500 (a)水泥土攪拌樁qs曲線 (b)ptc及復(fù)

14、合地基qs曲線 圖2 靜載試驗(yàn)曲線圖 fig.2 loading test curves3.2預(yù)制樁水泥土攪拌樁復(fù)合地基某地下水池工程，場(chǎng)地巖土主要工程特性指標(biāo)如表2。地基采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基，樁徑500，樁長(zhǎng)16.0m，按10001000mm縱橫雙向均勻布置，設(shè)計(jì)單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于150kn，單樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于180kpa；施工后抽檢8根樁進(jìn)行載荷試驗(yàn)，水泥土攪拌樁單樁或單樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表2 場(chǎng)地的巖土主要工程特性指標(biāo)table 2 physical and mechanical parameters of the soil土名fk/kpae

15、s/mpaqs/kpaqp/kpa粘土903.512淤泥451.06粘土粘土混碎石1551804.56.520257001100采用預(yù)制鋼筋砼樁加固，樁身截面200200，砼強(qiáng)度c30，主筋416，箍筋6200；樁長(zhǎng)20m，分五段澆制，底段帶樁靴。樁段間用焊接法接樁(或硫磺膠泥)；布樁采用每4根水泥土攪拌樁間插入1根預(yù)制樁，形成復(fù)合地基；在樁頂鋪設(shè)一層厚為350mm的天然級(jí)配卵石墊層，改良地基中樁土荷載分配，充分發(fā)揮地基土的承載力。施工完畢后，選擇4組復(fù)合地基進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)；結(jié)果見圖3，試驗(yàn)得到的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值均大于200kpa。(a)水泥土攪拌樁qs曲線 (b)預(yù)制樁水泥土攪拌樁qs曲線圖3 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)曲線圖fig.3 loading test curves of the composite foundation4 結(jié)束語 剛性樁水泥土攪拌樁所形成的復(fù)合地基可得到較高的復(fù)合地基承載力，改善地基的平面剛度組合與豎向剛度梯度，提高樁間土的參與作用，使復(fù)合地基承載力大幅度提高；減少復(fù)合地基的沉降量，具有較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益； 剛性樁水泥土攪拌