粉喷桩处理黄土沟壑区湿软地基的试验研究

郭利平,刘军营,张守一

(陕西省高速公路建设集团公司,陕西 西安 710086)

粉喷桩处理黄土沟壑区湿软地基的试验研究

郭利平,刘军营,张守一

(陕西省高速公路建设集团公司,陕西 西安 710086)

粉喷桩复合地基加固技术作为一种成功的加固方法已在许多软土地区广泛应用,但涉及到黄土沟壑区湿软地基处理的研究较少。以陕北黄土沟壑区某公路为实例,进行粉喷桩复合地基载荷现场试验,并对加固前后地基土体的变形和强度进行对比分析。得到了地基承载力、桩间土承载力折减系数、桩土应力比、变形模量等有关参数。采用粉喷桩加固处理黄土沟壑区的湿软地基,可以提高软土地基的变形模量,从而较大程度的减小路基沉降,提高路基的整体稳定性。

路基工程;粉喷桩;黄土沟壑区;湿软地基;载荷试验

0 前 言

关于软土地基处理,国内外已积累了相当的经验[1～3]。如粉喷桩复合地基,由于其施工工期短、无公害、施工过程无噪音、不排污等优点,已在软土地区广泛应用,并取得良好的加固效果。关于黄土沟壑区湿软地基,由于工程建设较少,理论研究也相对滞后,目前还没有相应专著[4～8]。该地区湿软地基形成于狭长沟谷底部,有着其独特的工程性质。如形成时间较短,厚度变化大;同一地段土体性质沿深度变化不显著,但不同地段土体性质差异明显;土层的变形特性与周围临近地基土差异很大等等。目前在对之进行处理时,基本是借鉴其它软土地区的成功经验。但是否经济适用,还有待于进一步的研究和验证。

鉴于此,本文结合某黄土沟壑区高速公路湿软地基粉喷桩复合地基处理进行载荷试验研究,分析加固前后地基土体的强度和变形,为相应理论研究提供一定依据。

1 工程概况

公路沿线位于陕北黄土高原南部,属典型的黄土台塬、黄土梁峁及沟壑区,其中公路路线近40 km沿狭长沟底布设,分布有连续性差、层厚变化大及土体性质特殊的湿软黄土地基。粉喷桩复合地基试桩区线路经过一级阶地前缘,路基范围内右幅压沟。冬季地表滞水结冰,湿地冻溶泥泞。最大填方高度7.34 m。表层土体为褐黄色低液限黄土状土Q4pl+al,厚度4.2～6.0 m,欠固结,含钙质结核,饱和,呈软塑—流塑状态,基本物理力学性质指标:天然含水率w=29.5%,天然孔隙比e=0.887,液性指数IL=0.84,压缩系数a=0.32,容许承载力[σ0]=50～70 kPa;下部为泥岩,容许承载力[σ0]＞220 kPa。地下水有一定埋深。Q4pl+al土质不均,结构疏松,工程性能差。

设计方案中对厚度大于4 m的湿软地基进行粉喷桩复合地基处理。施工选用PH-5A型粉喷桩机,搅拌轴长18 m,搅拌叶片直径50 cm,动力头功率37kW。复合地基相应设计参数如下:桩长5.0～7.0m,桩径50 cm,加固剂为325号普通硅酸盐水泥,水泥掺入比15%,水泥土强度2.0MPa(90 d龄期),施工时水泥掺入量50 kg/m,停灰面以下对桩身上部1/2范围内进行复搅,有效复搅深度3.5 m。桩按梅花形布置,间距1.0 m,面积置换率为24%。

2 现场地基载荷试验

在试桩区分别进行天然地基、桩间土、单桩以及单桩复合地基载荷试验。水泥土龄期大于25 d。试验方法采用慢速维持荷载法。压板底高程同设计标高。对天然地基,分别进行压板面积为0.071、0.196、0.817 m2的载荷试验,对桩间土分别进行压板直径为0.071、0.196 m2的载荷试验,每种情况进行三组平行试验,以分析压板尺寸对地基承载力的影响。单桩载荷试验压板面积同单桩,为0.196 m2,单桩复合地基载荷试验压板直径根据面积置换率确定,为0.817 m2。试验过程中加卸荷及测读程序的标准,成果曲线及荷载的判定均以《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)为依据。

载荷试验结果见表1。载荷试验P-S曲线见图1。图1中天然地基和桩间土载荷试验曲线中由内至外分别为0.071、0.196、0.817 m2和 0.071、0.196 m2压板对应试验曲线,因同一压板尺寸下的各组试验数据相差甚微,为清楚反映压板尺寸对地基承载力的影响,这两类试验的P-S曲线已用平均值表示。

表1 载荷试验数据汇总表

3 试验资料分析

3.1 复合地基承载力

如图1,沟壑区湿软地基粉喷桩复合地基承载力仍由桩体和桩间土共同承担,符合其它软土地区复合地基中桩与桩间土的受力原理,承载力可按下式求得:

式中:fsp、fp、fs分别为复合地基、粉喷桩单桩和桩间天然地基的承载力标准值,可根据现场载荷试验确定;Ap为粉喷桩单桩截面积;m为粉喷桩的面积置换率;β为桩间土承载力折减系数。

以下分析中均按S-lgP曲线拐点确定的特征值进行。

图1 载荷试验P-S曲线

3.2 桩间土承载力

在对复合地基承载力进行理论分析时,常用天然地基承载力代替桩间土承载力,实际上经粉喷桩复合地基处理后,桩间土承载力将得到一定程度的加强。如表1、图1所示,压板面积为0.071 m2时,增加1.5倍(84.5 kPa/56.3 kPa);压板面积为0.196 m2时,增加 1.3倍(91.8 kPa/68.9 kPa)。说明处理后,地基土体的强度得到加强。

随承载板面积的增大,地基承载力标准值也相应增大,说明承载板的宽度将影响承载力结果。其工程意义在于载荷试验中承载板的影响深度问题。根据表1中的数据,随承载板面积的增大,承载力增大,引起的沉降也增大,由于试验中所用的承载板宽度比路基宽度要小,所以试验数据必然偏小,在施工设计过程中应注意到这一点,尤其当有软弱下卧层时。

3.3 桩间土承载力折减系数β

桩间土承载力折减系数β是反映桩土共同工作的一个重要参数。β值的确定是各种复合地基所遇到的一个复杂问题。在具体应用时,常根据个人经验选用,显然会给设计和计算带来一定误差。本文根据粉喷桩单桩和复合地基载荷试验资料的对比分析,反算求得β值(桩间土承载力取压板面积为0.817 m2时的天然地基承载力,即73.4 kPa)。由公式(1),β值可按下式计算:

式中字母意义同公式(1)。求得 β=0.16。据文献[1],系数β按下述规定取值:当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0.1～0.4,差值大时取低值;当桩端土的未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0.5～0.9,差值大时或设置褥垫层时均取高值。对于黄土山区沟壑地带,由于硬层一般埋藏较浅,常属于第一种情况,即β=0.1～0.4,因此,本文结果符合规范规定。

3.4 桩土应力比n

式中:n为桩土应力比,表示粉喷桩复合地基受力时桩体与桩间土所承担的荷载之比,其它字母意义同前。根据公式(3),确定桩间土承载力折减系数β后,即可由复合地基,天然地基的相应承载力试验值求得桩土应力比n。

求得n=8,按设计置换率及复合地基试验资料,每平方米桩体承担荷载140.82 kPa,桩间土承担荷载 9.18 kPa,桩体面积只占24%却分担94%(140.82 kPa/150 kPa)的荷载,76%的桩间土面积承担6%(9.18 kPa/150 kPa)的荷载,可见桩体承担绝大部分荷载。

精确的桩土应力比应由试验确定,本文中计算得出的桩土应力比只做定性分析参考。

桩土应力比是复合地基桩土共同承担荷载的另一重要指标。将公式(1)变形,简化后得到

3.5 变形模量

根据载荷试验可确定地基的变形模量。公式如下:

式中:Es为变形模量(kPa);ω为表示压板形状的系数,方形压板取0.88,圆形压板取0.79;μ为土体泊松比,对粘土取0.42;p0为载荷试验曲线上直线段终点对应荷载(kPa);s为载荷试验曲线上p0对应沉降(cm);B为压板直径或边长(cm)。

求得天然地基、桩间土以及复合地基的变形模量,见表1。对比天然地基与复合地基变形模量试验值可见,粉喷桩复合地基加固后,天然地基的变形能力得到很大提高;同样,由天然地基与桩间土变形模量试验值,加固后不仅整个复合地基变形能力得到提高,而且地基土体做为复合地基的一部分,变形能力也得到加强。

4 结 语

通过以上分析可得到如下结论:

(1)黄土沟壑区粉喷桩复合地基承载力由桩体与地基土共同承担,承载力标准值可按规范推荐公式计算。粉喷桩处理后,桩间土强度和刚度都得到加强,应进一步进行提高幅度的定量研究,以使设计更加经济合理。承载板尺寸对承载力数值有一定影响,应考虑到载荷试验结果比实际结果偏小。

(2)对桩间土承载力折减系数β,在黄土沟壑区,粉喷桩大多属于摩擦支撑桩,β=0.1～0.4,本次试验结果取其为0.16。

(3)粉喷桩复合地基的桩土应力比应通过试验确定。上述通过计算确定得桩土应力比为8,可知复合地基中桩体承受绝大部分荷载。

(4)粉喷桩加固沟壑取湿软地基,可以提高软土地基的变形模量,从而较大程度的减小路基沉降,提高路基的整体稳定性。适合于处理沟壑区黄土湿软地基。

[1]JGJ79-2002.建筑地基处理技术规范[S].北京:中华人民共和国建设部,2002.

[2]地基处理手册编写委员会.地基处理手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[3]南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]叶万军,张永刚.基于模糊相似优先比的软基沉降预测方法[J].水利与建筑工程学报,2007,5(3):7-10.

[5]折学森.软土地基沉降计算[M].北京:人民交通出版社,1998.

[6]叶观宝,司明强,赵建忠,等.高速公路沉降预测的新方法[J].同济大学学报(自然科学版),2003,31(5):540-543.

[7]周焕云,黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报,2002,2(4):7-10.

[8]张慧梅,李云鹏,毛 成.人工神经网络在软土地基路基沉降预测中的应用[J].长安大学学报(自然科学版),2002,22(4):20-22.

Test Research on Application of Dry Jet Mixing Pile(DJMP)in Soft Soil Foundation in Loess Ravine Region

GUO Li-ping,LIU Jun-ying,ZHANG Shou-yi
(Shaanxi Expressway Construction Group Company,Xi'an,Shaanxi710086,China)

As a successful method,the dry jet mixing pile(DJMP)has been widely used to treat the soft soil foundation in many areas.Here,taking the construction of a certain highway in a loess ravine region for example,the field loading test is made for the composite foundation with DJMP,and the deformation and strength of the soil masses in the foundation before and after reinforcing are compared and analyzed,at last,some parameters are obtained,such as the foundation bearing capacity,the reducing coefficient of the soil bearing capacity between the piles,the stress ratio between the piles and soil,the deformation modulus and so on.The results show that this method could increase the deformation modulus,decrease the settlement and strengthen the stability of soft soil foundations.

subgrade engineering;DJMP;loess ravine region;soft soil foundation;loading test

U416.1

A

1672—1144(2010)02—0077—03

2009-12-07

2010-01-13

郭利平(1968—),男(汉族),山西河曲人,高级工程师,主要从事公路工程的研究及管理工作。