素混凝土樁和攪拌樁處理城市道路路基的原位試驗(yàn)

摘要:在較差地質(zhì)條件、不同填筑材料情況下,用素混凝土樁和攪拌樁進(jìn)行了城市道路路基處理的原位試驗(yàn),分析了超孔隙水壓力、樁間土分層沉降、附加有效應(yīng)力、路基深層土的側(cè)向位移等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:在正常荷載作用下,素混凝土樁復(fù)合地基淺層應(yīng)力向樁體集中,并通過樁向深層擴(kuò)散,樁頂和樁底的刺入較為明顯,有單樁效應(yīng);而對于攪拌樁,大部分樁間土和樁沒有相對位移,形成了一個(gè)加固整體,應(yīng)力在樁頂和樁底較集中,大部分荷載傳到了樁底樁間土和下臥層中。

關(guān)鍵詞:道路工程;城市道路路基;試驗(yàn)研究;素混凝土樁;攪拌樁;單樁效應(yīng);加固整體

中圖分類號:U416. 1 　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

　　尺試驗(yàn),研究了水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律,發(fā)現(xiàn)傳到樁端的荷載占樁頂荷載的比例甚小;池躍君等[ 11 ]對素混凝土樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了樁側(cè)摩阻力的分布;宋法寶等[12 ] 介紹了低標(biāo)號素混凝土樁在杭金衢高速公路中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)地基承載力大大高于設(shè)計(jì)要求。目前所進(jìn)行的研究大都是單獨(dú)針對素混凝土樁或攪拌樁加固地基進(jìn)行的,對兩者同時(shí)進(jìn)行比較分析的研究卻很少見。筆者以某工程為背景對這兩種處理方式的路基在較差地質(zhì)條件下進(jìn)行了試驗(yàn)分析,研究對比了它們的受力和位移等性狀。

1 工程概況

　　杭州市豐潭路北起育英路,南接天目山路。道路設(shè)計(jì)寬度為36 m ,地下鋪設(shè)污水管和雨水管,道路西側(cè)為規(guī)劃綠化帶和蓮花港。路基處理采用攪拌樁和素混凝土樁。為研究攪拌樁及素混凝土樁在較差地質(zhì)條件和不同的路基填筑材料下處理路基的工作性狀,進(jìn)行了土體的沉降、受力、超孔隙水壓力和側(cè)向變形的測試。

　　一個(gè)測試斷面在樁號為K1 + 60 m 處,是半填半挖斷面,路基填筑材料為粉質(zhì)粘土,用Φ500 的10 m長的攪拌樁處理,樁距1. 3 m ,置換率0. 116 。攪拌樁的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 % ,樁身水泥試塊90 d齡期單軸抗壓強(qiáng)度為1. 05 MPa ,單軸承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到68. 0 kN。

　　另一個(gè)測試斷面在樁號為K1 + 610 m 處, 也是半填半挖斷面,路基填筑材料為建筑垃圾,其中有較大的石塊和混凝土塊,最大粒徑為400 mm ,進(jìn)行碾壓處理。用Φ426 的15 m 長的素混凝土樁進(jìn)行處理,樁距1. 75 m ,置換率0. 045 。素混凝土樁的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7 %。工程的地質(zhì)情況見表1 。

　　測試方案如圖1 所示。對于每個(gè)斷面,在樁間土中間埋設(shè)5 根長14 m 的分層沉降管,對其依次編號為C1～C5 ,沿每根沉降管設(shè)3 個(gè)測點(diǎn),分別位于樁頂、樁中和樁底。每個(gè)測點(diǎn)埋設(shè)土壓力計(jì)、孔壓計(jì)和分層沉降磁環(huán)。在路基兩側(cè)分別埋設(shè)測斜管,用于觀測路基的深層土體側(cè)向位移。本文試驗(yàn)中采用活動(dòng)式測斜儀觀測土體的深層側(cè)向位移。觀測時(shí)間為2002 年9 月2 日～2003 年1 月10 日,期間,道路從進(jìn)行路面施工到通車,所加靜荷載較小,但存在碾壓荷載及車輛行駛的動(dòng)荷載,所以荷載估算較為困難。由于地質(zhì)情況較復(fù)雜,荷載施加不同,因此在不同測點(diǎn)處所得測試數(shù)據(jù)有差異;但是路基樁間土的土體分層沉降、土壓力、超孔隙水壓力、深層土體的側(cè)向位移隨時(shí)間的變化還是體現(xiàn)出了一定的規(guī)律性。

2 觀測數(shù)據(jù)及分析

2. 1 樁間土超孔隙水壓力

　　從進(jìn)行路面施工到通車運(yùn)營,總體上說素混凝土樁和攪拌樁的樁間土超孔隙水壓力都是逐漸穩(wěn)步消散的(圖2 、3) ,這是由于進(jìn)行路面施工所加荷載較小的緣故,也說明在施工過程中加荷速率和碾壓噸位都比較合適,因此沒有出現(xiàn)超孔隙水壓力來不及消散而突然上升的情況。由于兩個(gè)斷面的填筑材料不一樣,所以在各個(gè)斷面2 m 測點(diǎn)處(樁頂處) 的超孔隙水壓力狀況各不相同,如圖2 (a) 、3 (a) 所示。素混凝土樁斷面填筑材料是建筑垃圾,其中有較大的石塊和混凝土塊,孔隙率較大,所以消散也較快,超孔隙水壓力較小,在消散過程中超孔隙水壓力有反復(fù),這是由于建筑垃圾填料層力學(xué)性能較好,形成了硬殼層[13 ] ,對上部路面荷載及碾壓的反應(yīng)較為集中。相比之下,攪拌樁斷面填料是粉土,其孔隙率較小,消散也較慢,超孔隙水壓力較大,消散過程中超孔隙水壓力基本沒有反復(fù)。

2. 2 樁間土附加有效應(yīng)力

　　由于從進(jìn)行路面施工到通車的過程中,加荷不大,可認(rèn)為復(fù)合地基是在正常荷載( p ≤pu , pu 為復(fù)合地基的極限承載力) 狀態(tài)下進(jìn)行測試的。素混凝土樁樁間土的附加有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖4 所示。由圖4 可以看出:樁頂、樁中和樁底的附加有效

應(yīng)力均隨時(shí)間的增加而增加,但增加幅度不同,樁底的樁間土附加有效應(yīng)力的增加幅度遠(yuǎn)大于樁頂和樁中,樁頂?shù)脑黾臃却笥跇吨小Ｆ湓蛑饕幸韵聝蓚€(gè): ①由于素混凝土樁斷面填筑材料力學(xué)性能相對較好,所以在復(fù)合地基的受力過程中形式了一層硬殼層,而素混凝土樁的樁頂位于這一層中,于是在受力過程中就引起應(yīng)力向樁頂集中,從土質(zhì)情況可看出,樁間土大部分是淤泥,呈流塑狀態(tài),力學(xué)性能很差,因而樁的側(cè)向摩阻力很小,這一點(diǎn)從樁中的樁間土附加有效應(yīng)力增加較小可看出,又由于素混凝土樁的樁身壓縮量較小,可近似看作剛性樁,荷載是沿樁體全長傳遞的,所以大部分荷載通過素混凝土樁傳到了樁底; ②由于填筑層的墊層效應(yīng),雖然建筑垃圾填筑層形成了硬殼層,但其剛度畢竟比素混凝土樁要小得多,所以從素混凝土樁復(fù)合地基受力開始,素混凝土樁的樁頂就發(fā)生了向上刺入的變形,形成樁與土共同受力的模式,同時(shí)在樁頂附近,樁與土有了相對位移,土的沉降量大于樁的沉降量,于是樁頂就產(chǎn)生了負(fù)摩阻力,這就把樁間土承擔(dān)的一部分荷載傳到了素混凝土樁,所以樁頂附近的樁間土壓力增加不是很大(圖4) 。這也引起了素混凝土樁的樁身最大應(yīng)力點(diǎn)向下移動(dòng),即樁身最大應(yīng)力點(diǎn)不在樁頂,這意味著復(fù)合地基的荷載向深處傳遞,使樁底樁間土附加有效應(yīng)力增加較大。可見,建筑垃圾填筑層對樁頂有應(yīng)力集中效應(yīng),使樁承擔(dān)了較大荷載,樁底也刺入了下臥層中。

　　綜上所述,素混凝土樁復(fù)合地基的受力性狀可概括如下:淺層應(yīng)力向樁體集中,并通過樁向深層傳遞,樁間土與樁有較大的相對位移,樁頂和樁底的刺入較為明顯。這說明素混凝土樁復(fù)合地基中,素混凝土樁有應(yīng)力集中和擴(kuò)散的雙重作用。

　　圖5 為攪拌樁斷面樁間土的附加有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化。從圖5 可以看出:攪拌樁樁間土在樁底附近的附加有效應(yīng)力增加幅度較大,樁頂?shù)臉堕g土的附加有效應(yīng)力增加幅度有限,而樁中的樁間土附加有效應(yīng)力幾乎沒有增加。樁頂?shù)臉堕g土附加有效應(yīng)力增加幅度有限,可用樁頂刺入填土層現(xiàn)象來解釋(由于此斷面填土層用的是粉土,所以刺入效應(yīng)較為突出) 。攪拌樁的樁距為2. 6 倍樁徑,置換率為0. 116 。可見樁距較小,置換率較大,在這樣的小樁距情況下,攪拌樁和樁間土可以形成一個(gè)加固整體,即樁間土相對于攪拌樁的位移很小,即使有相對位移,也只在樁頂和樁底附近。攪拌樁樁間土附加有效應(yīng)力數(shù)據(jù)也可解釋這一情況,從圖5 可看出,樁中的樁間土有效應(yīng)力沒有增加,說明樁中的樁間土受力很小。因?yàn)樯蠈油恋膽?yīng)力傳遞深度有限,所以可以推斷樁中的樁間土與攪拌樁沒有相對位移的趨勢,否則攪拌樁的側(cè)向摩阻力會(huì)傳遞給樁間土;但攪拌樁樁間土在樁底附近有效應(yīng)力增加幅度較大。這說明在正常荷載下,小樁距的攪拌樁復(fù)合地基形成了一個(gè)較好的加固整體,除了樁頂和樁底附近的土體以外,其余的樁間土與攪拌樁沒有相對位移,即受力后與攪拌樁同步下沉,應(yīng)力主要集中在樁頂和樁底附近,特別是大部分的應(yīng)力通過攪拌樁直接傳到樁底土和下臥層中(這與文獻(xiàn)[8 ]中的單樁情況有區(qū)別) ,這個(gè)加固整體很好地?cái)U(kuò)散了荷載。

　　根據(jù)以上分析可得在正常荷載下,兩種復(fù)合地基的受力性狀不一樣,填筑材料為建筑垃圾的素混凝土樁復(fù)合地基樁距較大(4. 1 倍樁徑) ,且樁的剛度較大,所以淺層應(yīng)力向樁集中,并通過樁向深層傳遞,樁間土與樁有較大的相對位移,樁頂和樁底的刺入較為明顯。對于填筑材料為粉質(zhì)粘土、樁距較小的攪拌樁復(fù)合地基,大部分樁間土和樁沒有相對位移,樁群和樁間土形成了一個(gè)加固整體,應(yīng)力在樁頂和樁底較集中,大部分的荷載傳到樁底土和下臥層中,很好地起到了擴(kuò)散荷載的作用。由此可以判斷,不同的填料雖然對復(fù)合地基的受力有影響,但對復(fù)合地基的受力起主要控制作用的還是樁的剛度和間距。

2. 3 樁間土分層沉降

　　本文中進(jìn)行了樁間土分層沉降的測試。素混凝土樁斷面的測試結(jié)果如圖6 所示。圖6 中,沉降值為正表示位移向下,為負(fù)表示位移向上,后文同。可看出樁頂?shù)臉堕g土向下壓縮沉降,樁中的樁間土沒有沉降變化,樁底的樁間土產(chǎn)生向上的位移,其情形如圖7 所示。這證實(shí)了由樁間土壓力測試結(jié)果所推出的受力情況,即樁頂和樁底都有向填筑層和下臥層刺入的變形,特別是樁底刺入下臥層表現(xiàn)得很明顯,這導(dǎo)致了樁底的樁間土被下臥層擠壓,產(chǎn)生向上的位移。

　　攪拌樁的C5 處分層沉降測試數(shù)據(jù)如圖8 所示。可見,在攪拌樁樁頂?shù)臉堕g土、樁中的樁間土和樁底下臥層各點(diǎn)的沉降都很小,這驗(yàn)證了由土壓力測試結(jié)果所推出的受力情況,即在正常荷載下,用小樁距攪拌樁加固的復(fù)合地基形成了一個(gè)加固整體,有效地?cái)U(kuò)散了荷載,減小了地基降。

2. 4 路基深層側(cè)向位移

　　現(xiàn)場測試時(shí),埋設(shè)了測斜管用來測量路基邊緣的深層土側(cè)向位移,攪拌樁斷面的測試數(shù)據(jù)如圖9(a) 所示( t 為時(shí)間) 。從圖9 (a) 中可以看出,路基有向路外移動(dòng)的側(cè)向位移,在5 m 深度以上路基向外的側(cè)向位移較大,且側(cè)向位移隨深度增加而減小,而在10 m 處又有稍微增大的趨勢,其原因是: ①該測斜管位于填土路堤的邊緣,填土深度大約為5 m ,所以在荷載作用下填土區(qū)有向外滑移的趨勢; ②根據(jù)本文中所分析的攪拌樁復(fù)合地基受力性狀,即攪拌樁復(fù)合地基形成了一個(gè)加固整體,應(yīng)力在樁頂和樁底附近較為集中,因此在樁頂附近,即5 m 深度以上,在較大的應(yīng)力作用下其側(cè)向位移較大,在10 m深度的樁底附近也是如此,但是10 m 處土的側(cè)向壓力遠(yuǎn)大于5 m 處,抑止了側(cè)向位移的發(fā)展,所以在10 m 樁底處側(cè)向位移雖有增加的趨勢,但位移量很小。

2. 4 路基深層側(cè)向位移

　　現(xiàn)場測試時(shí),埋設(shè)了測斜管用來測量路基邊緣的深層土側(cè)向位移,攪拌樁斷面的測試數(shù)據(jù)如圖9(a) 所示( t 為時(shí)間) 。從圖9 (a) 中可以看出,路基有路外移動(dòng)的側(cè)向位移,在5 m 深度以上路基向外的側(cè)向位移較大,且側(cè)向位移隨深度增加而減小,而在10 m 處又有稍微增大的趨勢,其原因是: ①該測斜管位于填土路堤的邊緣,填土深度大約為5 m ,所以在荷載作用下填土區(qū)有向外滑移的趨勢; ②根據(jù)本文中所分析的攪拌樁復(fù)合地基受力性狀,即攪拌樁復(fù)合地基形成了一個(gè)加固整體,應(yīng)力在樁頂和樁底附近較為集中,因此在樁頂附近,即5 m 深度以上,在較大的應(yīng)力作用下其側(cè)向位移較大,在10 m深度的樁底附近也是如此,但是10 m 處土的側(cè)向壓力遠(yuǎn)大于5 m 處,抑止了側(cè)向位移的發(fā)展,所以在10 m 樁底處側(cè)向位移雖有增加的趨勢,但位移量很小。

3 結(jié)語

　　(1) 在從路面施工到通車的過程中,攪拌樁和素混凝土樁復(fù)合地基路基的超孔隙水壓力總體上都是穩(wěn)步消散的,但路基填筑材料的不同影響了其超孔隙水壓力消散的過程。

　　(2) 在正常荷載作用下,兩種復(fù)合地基路基的受力性狀不一樣,填筑材料為建筑垃圾的素混凝土樁復(fù)合地基,樁距較大(4. 1 倍樁徑) ,且樁的剛度較大,所以淺層應(yīng)力向樁體集中,并通過樁向深層擴(kuò)散,樁間土與樁之間沿樁全長都有相對位移,存在單樁效應(yīng),樁頂和樁底的刺入較為明顯。對于填筑材料為粉質(zhì)粘土、樁距較小的攪拌樁,大部分樁間土和樁之間沒有相對位移,樁群和樁間土形成了一個(gè)加固整體,應(yīng)力在樁頂和樁底較集中,大部分的荷載傳到樁底的樁間土和下臥層中,很好地?cái)U(kuò)散了荷載。樁的剛度和間距對復(fù)合地基的受力起主要控制作用。

　　(3) 由于兩種復(fù)合地基路基的受力性狀不同,所以其受力后的壓縮沉降也不同。素混凝土樁樁頂?shù)臉堕g土有向下的壓縮沉降,樁中的樁間土沒有沉降變化,樁底附近的樁間土產(chǎn)生向上的位移,這表明樁與樁間土有較大的相對位移,樁頂和樁底都有向填土層和下臥層刺入的變形,特別是樁底刺入下臥層表現(xiàn)得很明顯。攪拌樁復(fù)合地基的樁和樁間土卻形成了一個(gè)加固整體,樁間土的沉降很小。

　　(4) 兩種復(fù)合地基路基受荷后的深層土側(cè)向位移不同。攪拌樁復(fù)合地基路基深層土有向路外側(cè)的側(cè)向位移,其變化和受力情況的分布一致。素混凝土樁復(fù)合地基路基深層土側(cè)向位移在后期有回彈的趨勢。

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