探討CFG復(fù)合地基中的褥墊層技術(shù)

趙伯霖 曲志明

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即Cement Flying-ash Gravel pile)。如圖1所示,它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁,和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁復(fù)合地基技術(shù)已在全國廣泛應(yīng)用,大幅度提高地基承載力,具有適用范圍廣,施工方便,造價低等特點。褥墊層技術(shù)是CFG樁復(fù)合地基的一個核心技術(shù)。本文研究其作用機(jī)理,討論其厚度大小對樁土產(chǎn)生的影響,結(jié)合實例,利用推倒公式來確定褥墊層厚度。

1 褥墊層的作用

1.1 使樁與土共同作用承擔(dān)荷載

CFG樁的工作原理是在受荷載的作用下,通過褥墊層調(diào)整樁土之間的分擔(dān)比例,使地基與樁共同受力,充分發(fā)揮樁間土與樁的承載能力,從而使地基提高承載力和減小地基基礎(chǔ)的沉降。

對于由摩擦樁構(gòu)成的樁基,其基礎(chǔ)下面不設(shè)置褥墊層。當(dāng)給定荷載時,承臺與樁基承受較多的荷載,隨著時間的增長,承臺與樁基不斷沉降,荷載逐漸轉(zhuǎn)向承臺下面的土體。承臺與樁基承受的荷載隨著時間的增加而減小,土體承擔(dān)的荷載隨著時間增加而增加,荷載逐漸向土體轉(zhuǎn)移。

對于CFG樁復(fù)合地基,其基礎(chǔ)下面設(shè)置褥墊層,樁可以向上刺入褥墊層,在這一變化過程中,墊層材料不斷調(diào)整補(bǔ)充到樁間土上,樁間土表面的變化不斷增加,但是樁和土的荷載不隨時間變化而變化。

1.2 調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比

1)調(diào)整樁和樁間土的垂直荷載分擔(dān)比。復(fù)合地基樁、土的垂直荷載的分擔(dān)比可以用樁、土應(yīng)力比 n表示:

其中,σp為CFG樁樁頂應(yīng)力,kPa;σs為樁間土應(yīng)力,kPa。

也可以用樁、樁間土荷載分擔(dān)比 δp,δs來表示:

其中,P為總的垂直荷載,kN;Pp為樁承擔(dān)的荷載,kN;Ps為樁間土承擔(dān)的荷載,kN。

用A表示基礎(chǔ)底面積,Ap表示樁的總橫截面積,As表示基底下樁間土總橫截面積,當(dāng)面積置換率 m=Ap/A確定后,樁、土荷載分擔(dān)比和樁、土應(yīng)力比可互換,其表達(dá)式如下:

當(dāng)測定樁、土荷載分擔(dān)比 δp,δs以后,可以求得樁頂應(yīng)力:

樁間土應(yīng)力為:

則樁土應(yīng)力比n:

式(6)為用樁、土荷載分擔(dān)比表示的樁土應(yīng)力分擔(dān)比表達(dá)式,也可以用樁土應(yīng)力比 n來表示樁土荷載分擔(dān)比δp,δs。

當(dāng)褥墊層厚度 h=0時,樁土應(yīng)力比很大,樁分擔(dān)荷載非常大。當(dāng)褥墊層厚度很大時,樁土應(yīng)力比接近于1。如表1所示,以樁長為 2.25 m,樁徑為 16 cm,荷載板為 1.05 m×1.05 m為例,得出在不同荷載和不同褥墊層厚度樁的荷載分擔(dān)比。可以看出,褥墊層厚度與樁間土應(yīng)力成反比,荷載與樁間土應(yīng)力成正比。由此可見,CFG樁復(fù)合地基中的褥墊層厚度與樁土荷載分擔(dān)比聯(lián)系十分緊密。

表1 不同荷載和不同褥墊層厚度樁的荷載分擔(dān)比 %

2)調(diào)整樁和樁間土水平荷載分擔(dān)比。CFG在承擔(dān)水平荷載時,褥墊層的厚度也影響著樁和樁間土荷載的分擔(dān)。當(dāng)褥墊層厚度h=0時,基礎(chǔ)受垂直荷載P和水平荷載Q作用,在基礎(chǔ)無埋深的條件下,傳到樁上的水平荷載為 Qp,傳到樁間土上的水平力為Qs,并且下式成立:

其中,Ps為樁間土分擔(dān)的荷載,kN;μ為基礎(chǔ)和土之間的摩擦系數(shù),其值在0.25～0.45之間。

1.3 減小基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中

當(dāng)褥墊層厚度h=0時,樁對地基底面的應(yīng)力集中很明顯,需要考慮樁對基礎(chǔ)的沖切破壞。當(dāng)褥墊層厚度h逐漸增大時,基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的應(yīng)力集中逐漸降低。

我們用β來表示樁頂對應(yīng)的基礎(chǔ)底面測得的應(yīng)力與樁間土對應(yīng)的基礎(chǔ)底面測得的反力之比,β與褥墊層h的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)0 cm＜h＜10 cm時,樁對基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象迅速減弱;當(dāng)10 cm＜h＜30 cm時,應(yīng)力集中現(xiàn)象緩和減弱;當(dāng) h=30 cm時,β值處于很小的狀態(tài)。

2 褥墊層的合理厚度分析

對于中高靈敏土,應(yīng)適當(dāng)加大褥墊層的厚度,防止褥墊層施工時造成橡皮土。1)對于承載力較高的硬土層,承載力較低的樁間土,褥墊層厚度適當(dāng)減小,使樁承擔(dān)更多的荷載。承載力較高的樁間土應(yīng)增大褥墊層厚度,以讓樁間土分擔(dān)荷載。2)置換率小,則單樁承擔(dān)荷載大,為發(fā)揮樁間土的承載作用褥墊層應(yīng)適當(dāng)加厚,反之降低。

從褥墊層的受力機(jī)理導(dǎo)出褥墊層厚度公式。取樁頂直徑與樁相等,高度為h的褥墊層土柱為隔離體對象。由于在褥墊層頂面處隔離體與周圍褥墊層沉降變形同步,隔離體側(cè)面所受的側(cè)摩阻力為零,而在褥墊層底面處隔離體與其周圍褥墊層差異沉降最大,則側(cè)摩阻力最大,極限值為(σ0+γ h)kphtanφ。隔離體側(cè)面所受的摩阻力方向向下,設(shè)摩阻力按線性分布,則隔離體所受的側(cè)摩阻力為其中,

當(dāng)褥墊層頂面處荷載均勻分布時,褥墊層厚度計算公式為:

其中,h為褥墊層厚度;σ0為均布荷載;φ為內(nèi)摩擦角;γ為重度;d為樁徑;m為置換率;n為樁頂面處樁土應(yīng)力比。

實例分析,某工程剛性樁直徑 d=0.50 m,樁長為6.0 m,樁頂面處樁土應(yīng)力比n=4,置換率 m=0.156,內(nèi)摩擦角 φ=30°,樁間距為1.2 m梅花形布樁。根據(jù)褥墊層厚度公式h=25 cm。根據(jù)具體的施工地質(zhì)條件一般選擇褥墊層厚度為28 cm。

3 褥墊層施工工藝及質(zhì)量控制

在CFG樁復(fù)合地基中,為了使樁體充分刺入褥墊層,從而發(fā)揮褥墊層的作用,樁頭部分應(yīng)具有和樁體一樣的剛度甚至超過樁體的剛度。但目前由于施工工藝的局限性,CFG樁樁頂1 m左右長度的樁體密實度較小,為了保證樁體完全刺入褥墊層,我們可以將此部分挖除,或者用碾壓和夯實的方法使之密實,然后再進(jìn)行褥墊層的鋪設(shè)。當(dāng)CFG樁施工完畢后,需等7 d自然養(yǎng)護(hù),樁體才能達(dá)到一定的強(qiáng)度,這時才能進(jìn)行樁頭處理。必要時樁頭需要進(jìn)行澆水和加蓋草簾處理。樁頭和樁體養(yǎng)護(hù)完之后,進(jìn)行褥墊層的鋪設(shè),為了給上部荷載在褥墊層中作用的應(yīng)力有足夠的空間,應(yīng)使褥墊層寬度比樁外壁寬,同時為了充分發(fā)揮褥墊層減小集中應(yīng)力的作用,應(yīng)用平板振動器對褥墊層振動密實。

褥墊層施工質(zhì)量控制對CFG樁復(fù)合地基的質(zhì)量至關(guān)重要,不合理的施工工藝將造成重大的質(zhì)量問題,甚至導(dǎo)致質(zhì)量事故。在深入了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況下,才能選擇合理的施工工藝。

1)褥墊層材料宜采用砂石或碎石,不宜采用天然砂卵石。2)樁間土為中高靈敏度土?xí)r,宜進(jìn)行靜壓密實,不得進(jìn)行振動夯實。3)褥墊層鋪設(shè)保證樁體嵌入其30 mm～50 mm。4)在施工前,必須將樁間浮土清除干凈,褥墊層底面若深度不同,搭接處按先深后淺的順序進(jìn)行夯壓密實。5)褥墊層分段施工時,接頭外做成斜坡,每層錯開0.5 m～1.0 m并夯壓密實。

4 結(jié)語

通過對CFG復(fù)合地基中的褥墊層作用的探討,表明褥墊層技術(shù)是CFG樁復(fù)合地基的重要技術(shù)。褥墊層可以調(diào)節(jié)樁土分擔(dān)比,減小應(yīng)力集中,從而保證樁體與樁間土構(gòu)成復(fù)合地基。合理的設(shè)置褥墊層厚度可以提高復(fù)合地基的承載力和減少沉降變形。褥墊層能否產(chǎn)生應(yīng)有作用的關(guān)鍵:1)褥墊層厚度的確定;2)施工質(zhì)量控制。在進(jìn)行褥墊層施工時,根據(jù)復(fù)合地基的置換率及樁間土的性質(zhì)進(jìn)行具體設(shè)計確定。由于實際情況比較復(fù)雜,工程技術(shù)人員應(yīng)權(quán)衡各個條件因素才能降低工程造價,從而更好的發(fā)揮褥墊層的效果。

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