楊鳳偉 王劍鋒

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法探討

楊鳳偉 王劍鋒

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

探討水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降量計(jì)算方法，并應(yīng)用于某防洪堤工程復(fù)合地基的沉降量計(jì)算，若同時(shí)考慮樁身和樁間土壓縮模量時(shí)，沉降量偏??；采用《規(guī)范》法和應(yīng)力修正法的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，表明后兩種方法更為可靠。

水泥攪拌樁,復(fù)合地基,沉降

1 概述

眾所周知，防洪堤建設(shè)工程的主要目的是確保堤內(nèi)區(qū)域免受洪水的侵襲，然而當(dāng)防洪堤地基承載力不足時(shí)，需對(duì)地基進(jìn)行加固處理，在各種處理方法中，水泥攪拌樁是一種常用的方法。該法是利用水泥等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量[1]。由于該法具有施工速度較快，水泥土在28 d左右即可形成較高的強(qiáng)度，形成的復(fù)合地基具有承載力高和壓縮性低等優(yōu)點(diǎn)，在諸多工程中得到了廣泛應(yīng)用[2,3]。水泥攪拌樁是介于剛性樁與柔性土之間的一種柔性樁，與樁周土形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載。水泥攪拌樁的沉降量受諸多因素影響，包括樁體強(qiáng)度、樁周土性質(zhì)、樁距、樁長(zhǎng)和上覆荷載性質(zhì)等，其相關(guān)的計(jì)算理論仍不成熟。因此，本文探討目前水泥攪拌樁復(fù)合地基的一些沉降量計(jì)算方法，并應(yīng)用于某水泥攪拌樁復(fù)合地基工程中，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)推算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析計(jì)算誤差的緣由，為同類(lèi)工程提供參考。

2 加固原理

水泥攪拌樁是一種柔性樁，其強(qiáng)度形成機(jī)理與混凝土的硬化機(jī)理明顯不同，混凝土的硬化主要是在粗骨料中進(jìn)行水解與水化反應(yīng)，水泥摻量較高，其孔隙相對(duì)較大，所以硬結(jié)速度較快，一般一個(gè)月即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。而水泥土內(nèi)的水泥摻量較小，一般控制在加固土質(zhì)量的8%～20%，且加固軟土的顆粒較小，滲透系數(shù)較小，水解和水化反應(yīng)完全是包裹在一定活性的土內(nèi)進(jìn)行的，所以反應(yīng)速度較慢。水泥土的物理化學(xué)反應(yīng)極其復(fù)雜，包括水泥的水解與水化反應(yīng)，包括離子交換和團(tuán)?；饔?、硬凝反應(yīng)、碳酸化作用等。

水泥攪拌樁每隔一定距離在軟土地基內(nèi)打設(shè)一根，根據(jù)施工方法不同，可分為單軸、雙軸和三軸等形式，其直徑和間距也有所差異，對(duì)于單軸，樁距一般為1.0 m～1.5 m。在平面上可按梅花形或正方形進(jìn)行布設(shè)，深度根據(jù)上部荷載條件而定，當(dāng)軟土層不太厚時(shí)，一般打穿至整個(gè)軟土層。水泥攪拌樁與樁間土共同受力來(lái)承擔(dān)上部荷載，實(shí)際工程中，復(fù)合地基的加固性能并非水泥摻量越大越好，若水泥摻量過(guò)大，則容易造成樁體強(qiáng)度過(guò)高、壓縮模量太大，樁體壓縮量較小，樁間土受力不明顯的問(wèn)題，此時(shí)復(fù)合地基共同作用較差，反而因水泥摻量太大而不經(jīng)濟(jì)。

3 沉降計(jì)算方法

目前一般認(rèn)為水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降由復(fù)合加固土層的變形S1和樁端以下未加固土層的變形S2兩部分組成，如圖1所示，即：S=S1+S2。對(duì)于一般的復(fù)合地基，復(fù)合加固土層的壓縮量可取10 cm～30 cm，若對(duì)設(shè)計(jì)要求較高，也可通過(guò)理論計(jì)算方法進(jìn)行確定，目前大致有以下三種方法。

3.1加固區(qū)沉降量計(jì)算方法

3.1.1復(fù)合模量法

該法是將復(fù)合地基加固區(qū)的增強(qiáng)體，即水泥攪拌樁連同樁間土看作一個(gè)整體，同時(shí)考慮樁身和樁間土的壓縮模量，采取置換率加權(quán)模量法計(jì)算復(fù)合模量，另外復(fù)合模量也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，并以此作為設(shè)計(jì)參數(shù)，然后按分層總和法計(jì)算：

(1)

Espi=mEp+(1-m)Esi

(2)

其中，n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土體的層數(shù)；Δpi為第i層土體的附加應(yīng)力增量,kPa，Δpi=p0-pc，p0為復(fù)合地基加固區(qū)頂面的平均壓力,kPa，p0=γh(γ為填土的重度，kN/m3,h為填土高度,m)，pc為加固區(qū)的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa；Espi為加固區(qū)第i層復(fù)合樁土的壓縮模量,MPa；Ep為水泥攪拌樁體的壓縮模量，MPa；m為面積置換率；Esi為加固區(qū)范圍內(nèi)第i層土體的壓縮模量,MPa；Hi為加固區(qū)第i復(fù)合土層的厚度,m。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，工程應(yīng)用上可將加固區(qū)視為一層，于是式(1)可簡(jiǎn)化為：

(3)

文獻(xiàn)[2]指出采用式(2)計(jì)算復(fù)合模量有不妥之處，建議采用式(4)計(jì)算，另外該法也是JGJ 79—91建筑地基處理技術(shù)規(guī)范建議的公式(下稱(chēng)《規(guī)范》法)：

Esp=[1+m(n-1)]Es

(4)

令ξ=1+m(n-1)，可得復(fù)合地基承載力的一般表達(dá)式：

fsp,k=[1+m(n-1)]fk=ξfk

(5)

3.1.2應(yīng)力修正法

應(yīng)力修正法，也稱(chēng)為Es法。該法基于以下原理，在水泥攪拌樁加固的地基中，水泥攪拌樁打設(shè)后，樁間土上的荷載密度比水泥攪拌樁復(fù)合地基上的平均荷載密度要小，也就是作用在水泥攪拌樁體上的荷載密度比復(fù)合地基上的要大，這種現(xiàn)象即為應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力修正法基于樁土應(yīng)力比，不考慮水泥攪拌樁體，只考慮樁間土的壓縮模量和土中應(yīng)力，用分層總和法計(jì)算出加固區(qū)的壓縮沉降量。

水泥攪拌樁復(fù)合地基中樁間土上分擔(dān)的荷載為：

(6)

其中，μs為應(yīng)力減小系數(shù)或應(yīng)力修正系數(shù)；n為復(fù)合地基中的樁土應(yīng)力比，無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可取3～5。

因此，水泥攪拌樁復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量可表示為：

(7)

其中，Δpsi為復(fù)合地基中第i層樁間土中的復(fù)合應(yīng)力增量,kPa。

3.1.3樁身壓縮量法

該法也稱(chēng)為Ep法，假定水泥攪拌樁體不會(huì)向下刺入下臥層中產(chǎn)生沉降，將水泥攪拌樁體的壓縮量來(lái)代替復(fù)合地基整體壓縮量。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基樁體分擔(dān)的荷載為：

(8)

其中，μp為應(yīng)力集中系數(shù)。

則樁身壓縮量可表示為：

S1=ppL/Ep

(9)

其中，L為樁長(zhǎng),m；Ep為樁身材料壓縮模量,MPa，Ep可取(80～150)fcu,k。

3.2加固區(qū)下臥層的沉降量

水泥攪拌樁加固區(qū)以下部分的下臥層沉降量，可采用《規(guī)范》法中推薦的一維分層總和法求解，難點(diǎn)是確定下臥層的荷載，可采用應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法和當(dāng)層法。此外還有Mindlin-Geddes方法以及改進(jìn)的Geddes法。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)本構(gòu)模型和參數(shù)的選取，將加固體和下臥層看作雙層加筋地基，采用數(shù)值分析計(jì)算復(fù)合地基沉降量。文獻(xiàn)[4]將水泥土攪拌樁復(fù)合地基的壓縮層分為三部分，即臨界樁長(zhǎng)部分、臨界樁長(zhǎng)以下的樁身部分和下臥層部分，用復(fù)合模量法計(jì)算出臨界樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的壓縮量作為加固層的壓縮量，下臥層采用分層總和法計(jì)算。

4 工程應(yīng)用

安徽省某縣城防洪堤按遭遇50年一遇洪水時(shí)免受洪水侵襲的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，防洪堤場(chǎng)地位于河流沖積地貌形態(tài)區(qū)。該防洪堤采用附近開(kāi)挖的花崗巖風(fēng)化殘積土等材料進(jìn)行填筑，填筑最大設(shè)計(jì)高度為5.0 m，平均為2.4 m。其中迎水面坡度為1∶1.5，背水面坡度為1∶2.0，為減少產(chǎn)生管涌等滲透破壞形式，堤內(nèi)鋪設(shè)了一層復(fù)合土工膜，土工膜上下兩個(gè)面各粘合了一層土工布。該防洪堤左岸長(zhǎng)度為3 452 m，右岸長(zhǎng)度為3 523 m。該堤壩壓實(shí)度要求大于92%，地基承載力要求大于200 kPa。場(chǎng)地主要為高壓縮性的流塑狀～可塑狀淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度為5.4 m～9.7 m，下部為砂土。為了保障填土的穩(wěn)定性，減小填土及上部工程設(shè)施的總沉降量及不均勻沉降量，縮短工程建設(shè)周期，經(jīng)多方論證采用水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)下部的軟土層加固處理。水泥攪拌樁采用單軸形式，設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，樁距為1.2 m，采用梅花型布設(shè)。樁長(zhǎng)貫穿至整個(gè)軟土層的底部。

為了掌握該防洪堤水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降穩(wěn)定規(guī)律，選取了典型斷面布設(shè)沉降變形及應(yīng)力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中在監(jiān)測(cè)斷面處，填土高度為2.8 m，填土重度為19 kN/m3，水泥土在90 d齡期時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.4 MPa，樁長(zhǎng)為9.0 m，樁間土的壓縮模量為2.0 MPa，置換率m=15.7%，樁土應(yīng)力比的測(cè)試值約為3.0，復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值為226.9 kPa，天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為50 kPa。

采用沉降盤(pán)的方法對(duì)該防洪堤工程的總沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總沉降量隨著時(shí)間的變化曲線如圖2所示，可以看出，隨著時(shí)間的持續(xù)，沉降量逐漸增大，待填土荷載達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，沉降量仍在持續(xù)增長(zhǎng)，表明樁間土的緩慢固結(jié)排水對(duì)沉降量仍有所貢獻(xiàn)。根據(jù)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，采用雙曲線模型對(duì)該填土的最終沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其最終沉降量為210.5 mm。由分層沉降測(cè)得沉降只發(fā)生在樁身范圍內(nèi)，即在樁身以下沒(méi)有觀測(cè)到沉降。下面采用計(jì)算公式計(jì)算該地基的沉降，并與實(shí)測(cè)推算值作比較。

根據(jù)《規(guī)范》法，取樁身壓縮模量Ep=110fcu=110×2.4=264 MPa，根據(jù)式(2)和式(4)求得的復(fù)合模量分別為43.1 MPa和2.63 MPa。采用以上幾種方法計(jì)算的沉降值匯總于表1。可以看出，在復(fù)合模量法中，當(dāng)采用考慮樁身壓縮模量和樁間土壓縮模量計(jì)算復(fù)合模量時(shí)(即式(2))，計(jì)算的沉降量比由實(shí)測(cè)沉降量的推算結(jié)果要?。欢捎谩兑?guī)范》法計(jì)算復(fù)合模量時(shí)的復(fù)合模量法和應(yīng)力修正法的計(jì)算結(jié)果與由實(shí)測(cè)結(jié)果推算的最終沉降量較為接近，表明后兩種方法更為可靠；而采用樁身壓縮量法的計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)推算值偏小不少。

表1 水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降量的計(jì)算結(jié)果 mm

造成上述差距的原因是，樁身壓縮模量是基于樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到的，兩者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式由室內(nèi)水泥土試驗(yàn)擬合出來(lái)。室內(nèi)制作的水泥土較為均勻，強(qiáng)度容易控制，所以強(qiáng)度容易保障，而實(shí)際地基中水泥攪拌樁樁身的壓縮模量比室內(nèi)試驗(yàn)得到的要小。主要是目前國(guó)內(nèi)的水泥攪拌樁施工機(jī)械相對(duì)落后，在施工過(guò)程中，噴出的水泥灰(漿)量不易控制，噴射不易均勻，當(dāng)深度較大時(shí)，噴出困難較大，存在薄弱地區(qū)。由于施工技術(shù)的原因，使得實(shí)際的樁體壓縮模量小于理論計(jì)算值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了防洪堤水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降量計(jì)算方法，包括復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法和樁身壓縮 量法，利用這三種方法計(jì)算了安徽省某復(fù)合地基的沉降量，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降量的推算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在復(fù)合模量法中，若采用同時(shí)考慮樁身壓縮模量和樁間土壓縮模量計(jì)算復(fù)合模量時(shí)，計(jì)算的沉降量比實(shí)測(cè)沉降量推算值要?。欢捎谩兑?guī)范》法計(jì)算復(fù)合模量時(shí)的復(fù)合模量法和采用應(yīng)力修正法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)推算值較為接近，表明后兩種方法更為可靠。采用樁身壓縮量法的計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)推算值偏小不少，究其原因，是由于某些水泥攪拌樁實(shí)際施工時(shí)樁身質(zhì)量難以保證造成的。

[1] 葉書(shū)麟，韓 杰，葉觀寶.地基處理與托換技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994:361.

[2] 王瑞芳，CFG樁復(fù)合地基工作性狀研究[D].武漢:武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

[3] 王 軍，楊建永.水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法淺談[J].南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,25(1)：62-66.

[4] 龔曉南，段繼偉.柔性樁的荷載傳遞特性[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第七屆土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].1994：605-610.

Discussiononsettlementcalculationmethodofcementmixingpilecompositefoundation

YangFengweiWangJianfeng

(AnhuiTrafficSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd，Hefei230011,China)

Discussion on settlement calculation method of cement mixing pile composite foundation， the settlement calculation of composite foundation applied to a flood control dike project is also presented， when considering the modulus of compression between the pile and the soil， the settlement is too small. The calculated values of the code method and the stress correction method are close to the measured values. It shows that the latter two methods are more reliable.

cement mixing pile, composite foundation, settlement

1009-6825(2017)28-0064-03

2017-07-26

楊鳳偉(1978- )，男，高級(jí)工程師

TU470

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