水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力折減系數(shù)試驗(yàn)研究

齊善忠，付春梅

水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力折減系數(shù)試驗(yàn)研究

齊善忠，付春梅

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79－2012）給出了含有折減系數(shù)λ和β的復(fù)合地基承載力計(jì)算公式，為了得到適用于本地區(qū)的λ和β的取值范圍，為今后規(guī)范的修訂提供參考依據(jù)，采用水泥攪拌樁對開封地區(qū)有代表性的軟土地基進(jìn)行加固處理，并分別進(jìn)行了10組單樁和單樁復(fù)合地基的靜載荷試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和反算，對規(guī)范給出的承載力計(jì)算公式中折減系數(shù)λ和β的取值范圍進(jìn)行了修正。

水泥攪拌樁；復(fù)合地基；承載力；靜載荷試驗(yàn)；折減系數(shù)

0　引言

水泥攪拌樁作為軟土地基加固的一種方法，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、公路、中小橋涵，以及油罐和重力式擋土墻等各類工程的軟弱地基加固［1～2］。在水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，復(fù)合地基承載力的確定是一重要問題。因此，黃春霞等［1～8］圍繞承載力進(jìn)行了深入研究。在水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，承載力的計(jì)算主要依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79－2012）（以下簡稱《規(guī)范》）［9］?！兑?guī)范》雖然給出了單樁承載力折減系數(shù)λ和樁間土折減系數(shù)β，但對折減系數(shù)λ取為1.0。即認(rèn)為，在荷載作用下，復(fù)合地基的單樁承載力完全發(fā)揮。這與實(shí)際情況不符，需進(jìn)行研究。如果λ不是1.0，則折減系數(shù)β也需重新進(jìn)行定義。

筆者根據(jù)在開封市西區(qū)某住宅小區(qū)進(jìn)行的單樁靜載荷試驗(yàn)和單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，對《規(guī)范》中折減系數(shù)λ和β的取值進(jìn)行修正，重新確定其取值范圍。

1　試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于開封市西區(qū)，建筑場地屬第四系黃泛沖積平原，場內(nèi)地勢平坦，并有南北向和東西向相交的兩條排灌溝，溝深約2.2m。場內(nèi)自然地面標(biāo)高為35.6～35.9m，地下水位在自然地面下1.8～2.3m，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)描述如表1所示。

表1　地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical property index of foundation soil

項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深為2.8m，下有0.2m厚褥墊層。第②、③層土為主要受力層。第④層土為持力層。水泥攪拌樁樁頂位于天然地面下3.0m處，有效樁長為6.5m。表1主要給出了第②、③、④層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了10組單樁靜載荷試驗(yàn)和10組單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)樁呈正方形布置，樁徑為500mm，樁間距為0.9m，樁土面積置換率m＝24.17%。水泥攪拌樁采用強(qiáng)度等級為32.5級的新鮮普通硅酸鹽水泥。水泥摻量為被加固濕土質(zhì)量的15%，并摻入水泥用量0.05%的早強(qiáng)劑三乙醇胺，0.2%的減水劑木質(zhì)素磺酸鈣及1%的緩凝劑石膏，水灰比不大于0.50。

考慮到試驗(yàn)的可靠性和時(shí)間因素，試驗(yàn)均采用慢速維持荷載法加載；加載反力系統(tǒng)采用堆載法，由千斤頂加載?？偧虞d量Pu取設(shè)計(jì)容許承載力的2倍，每級施加的荷載量為總加載量的1／15。沉降量由位移計(jì)測讀。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1理論計(jì)算

為了對現(xiàn)場實(shí)測值和理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析，對水泥攪拌樁以及單樁復(fù)合地基進(jìn)行理論計(jì)算［9］。根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，有關(guān)樁周各層土的側(cè)摩阻力特征值、樁端承載力特征值及樁身范圍內(nèi)地層平均厚度如表2所示。其中，第④層粉土為樁端持力層。

表2　樁周各層土的側(cè)摩阻力特征值、樁端承載力特征值Tab.2 Characteristic value of side friction and pile end bearing capacity of each soil layer around the pile

水泥攪拌樁單樁承載力特征值一般由樁體強(qiáng)度控制，其計(jì)算公式為公式（1），復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式為式（2）。

式中：Ra為單樁承載力特征值，kN；η為樁身水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)，根據(jù)《規(guī)范》取0.25；fcu為90 d齡期的水泥土立方體抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；Ap為水泥攪拌樁橫斷面面積，m2，根據(jù)設(shè)計(jì)取0.196m2；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)《規(guī)范》取1.0；m為樁土面積置換率，根據(jù)設(shè)計(jì)取24.17%；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)《規(guī)范》取0.6；fsk為天然地基承載力特征值，kPa，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取110 kPa。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，90 d齡期的水泥土立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu不小于2.0MPa，取2.0M P a。由式（1）可計(jì)算出單樁承載力特征值Ra＝98 kN，由式（2）可計(jì)算出復(fù)合地基承載力特征值fspk＝170.9 kPa。

2.2靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)靜載荷試驗(yàn)，得到了水泥土單樁和單樁復(fù)合地基的荷載與位移曲線各10組。通過分析各曲線，得到承載力特征值（如表3和表4所示）。

表3　單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Single pile static load test results

由表3可以看出，單樁靜載荷試驗(yàn)所得到的單樁允許承載力最大為111 kN，最小為91 kN，平均值為97 kN。其中，最大值可以達(dá)到理論計(jì)算單樁允許承載力的99.0%；最小可達(dá)到理論計(jì)算單樁允許承載力的91.9%。由表4可以看出，單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)所得到的復(fù)合地基允許承載力大部分已達(dá)到或超過復(fù)合地基允許承載力的理論計(jì)算值，少數(shù)小于理論計(jì)算值。

2.3折減系數(shù)取值分析和修正建議

目前，在計(jì)算復(fù)合地基承載力時(shí)，一般認(rèn)為，水泥土單樁能完全達(dá)到其理論計(jì)算承載力值，而樁間地基土承載力只發(fā)揮了其中一部分。《規(guī)范》規(guī)定，單樁承載力宜通過單樁載荷試驗(yàn)確定。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，水泥土單樁承載力大多僅是根據(jù)地質(zhì)條件通過公式計(jì)算而得到的，很少事先進(jìn)行單樁載荷試驗(yàn)。

表4　單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Single pile com pound foundation static load test results

雖然復(fù)合地基在發(fā)生與水泥土樁容許承載力值相對應(yīng)的應(yīng)變值時(shí)，天然地基土所提供承載力可能小于其允許承載力，但水泥土樁本身在復(fù)合地基中很難達(dá)到其設(shè)計(jì)值或理論計(jì)算允許承載力值。由表3和表4實(shí)測數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)過程中，承載力判讀時(shí)，沉降量的標(biāo)準(zhǔn)不一樣。一般情況下，單樁靜載荷試驗(yàn)的沉降量大于單樁復(fù)合地基試驗(yàn)時(shí)的沉降量。根據(jù)文獻(xiàn)［3］分析，其承載力并不能完全發(fā)揮。因此，在復(fù)合地基承載力計(jì)算過程中，需對單樁理論計(jì)算值進(jìn)行折減。折減系數(shù)λ根據(jù)樁端土的軟硬程度取0.8～1.0。當(dāng)樁端土為軟土?xí)r，取0.8；當(dāng)樁端為硬土?xí)r，取1.0。

根據(jù)工程地質(zhì)情況，本次試驗(yàn)單樁承載力折減系數(shù)λ可取0.9，fspk取表4中的承載力特征值，其他參數(shù)同式（2）。由式（3）計(jì)算出樁間土承載力折減系數(shù)β值，如表5所示。

由表5可以看出，計(jì)算出的樁間土承載力折減系數(shù)β的最小值為0.66，最大值為0.8，平均值為0.74。由于試驗(yàn)過程中受到加荷速率、沉降量和施工對土體的擾動(dòng)程度等因素影響，建議樁間土承載力折減系數(shù)β取0.6～0.9。當(dāng)樁端為軟土?xí)r，取0.9；當(dāng)樁端土為硬土?xí)r，取0.6。

3　結(jié)語

通過對靜載荷試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論：

表5　樁間土承載力折減系數(shù)β值Tab.5 Bearing capacity reduction coefficien tβof soil among the pile

（1）在實(shí)際工作狀況中，水泥土單樁承載力比根據(jù)地質(zhì)條件計(jì)算得到的單樁承載力要低。因此，在復(fù)合地基承載力的計(jì)算中，應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼蹨p。

（2）對于復(fù)合地基，樁間地基土承載力比理論計(jì)算值大。因此，在進(jìn)行復(fù)合地基承載力計(jì)算時(shí)，應(yīng)做適當(dāng)?shù)脑黾印?/p>

（3）在《規(guī)范》給出的計(jì)算公式基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了對折減系數(shù)λ和β的修正，修正后的表達(dá)式能反映出復(fù)合地基承載力的實(shí)際工作狀況及結(jié)果。但是，這只是從開封市西區(qū)試驗(yàn)所得出的結(jié)果，對其他地區(qū)需更多的實(shí)踐加以檢驗(yàn)。

［1］黃春霞，張鴻儒，桂國慶.水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力公式中折減系數(shù)β取值的分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2003，11（4）：385－389.

［2］林奕禧，張偉麗，黃良，等.水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力折減系數(shù)α和β的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增2）：3815－3820.

［3］段繼偉，龔曉南，曾國熙.水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16（4）：1－8.

［4］歐俊峰.水泥攪拌樁復(fù)合地基承載機(jī)理及其影響因素研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2013.

［5］葉三霞，徐光黎.樁網(wǎng)復(fù)合地基承載力公式參數(shù)β取值分析［J］.土工基礎(chǔ)，2010，24（1）：58－61.

［6］徐超，葉觀寶.水泥攪拌樁復(fù)合地基的變形特性與承載力［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（5）：601－603.

［7］張亮，陽令明.水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力研究［J］.公路與汽運(yùn)，2012（4）：168－170.

［8］張布永，顧長存，劉浩斌，等.鹽漬土水泥攪拌樁折減系數(shù)β研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2015（2）：102－104.

［9］JGJ 79－2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

[責(zé)任編輯楊明慶]

Experimental Study on Reduction Coefficient of Com pound Foundation Bearing Capacity of Cement－m ixed Piles

QI Shan－zhong，F(xiàn)U Chun－mei
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

＜Technical code for ground treatment of buildings＞（JGJ 79－2012）shows the calculation formula of compound foundation bearing capacity with reduction coefficientλandβ.In order to get the value ranges ofλandβwhich are suitable for this region and provide reference data for future code revision，it processes the reinforcement treatment of representative soft foundation in Kaifeng area by using cement mixing pile，and conducts 10 groups static load tests of single pile and single pile compound foundation.Through the analysis and inverse calculation of test data，it modifies the value ranges of the reduction coefficientλandβof bearing capacity calculation formula was given by the code.

C ement－mixed piles；compound foundation；bearing capacity；static load test；reduction coefficient

TU473.11

A

1008-486X（2016）01-0028-04

2015－09－16

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技項(xiàng)目：水泥攪拌樁復(fù)合地基承載特性研究（2015KXJS001）。

齊善忠（1979－），男，山東單縣人，講師，碩士，國家注冊巖土工程師，主要從事巖土特殊施工技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。