湿陷性黄土中 CFG桩的参数 β取值的实验分析

2010-07-23詹祥元林柄泉

四川建筑 2010年4期

詹祥元,林柄泉

(兰州交通大学,甘肃兰州 730070)

CFG桩是由碎石、石屑、砂和粉煤灰加水拌和制成,其强度等级多在 C20～C25之间,因此 CFG桩具有适应性广、承载力高、经济合理等特点。但日前其理论研究与实践还存在一定的差距,特别是复合地基承载力和地基变形的计算方法仍有许多不完善的地方。由于影响因素众多,完全靠理论分析很难得出准确的计算公式,所以现在工程上所采用的方法仍然是半理论半经验的公式,各种经验系数的取值往往对计算结果产生很大的影响。因此,合理确定符合地基承载力中各参数的值已成为 CFG复合地基设计中的重要问题。

1 CFG桩复合地基承载力计算方法

复合地基承载力特征值的确定,(JGJ79-2002)《建筑地基处理技术规范》建议通过现场复合地基载荷试验确定。计算方法由专家组经过大量的理论计算和试验数据分析综合考虑复合地基承载力的各个影响因素,得出 CFG桩复合地基承载力计算公式为:

式中:fspk为复合地基承载力特征值,kPa;m为面积置换率;Ap为桩的横截面积;fsk为处理后的桩间土承载力特征值;Ra为单桩承载力特征值,β为桩间土承载力折减系数。

此公式由于概念清楚,参数 m,Ap,fsk,Ra都可以有比较精确的取值,在工程上应用广泛。唯一不足之处在于 β的取值存在一些不足。β是受桩间土性质,桩端土性质,桩长以及成桩工艺等因素的影响,有不同的经验值。其取值也是影响复合地基承载力特征值的一个重要因素。当通过实验得到 fspk的值时,可通过式(2)反演得到 β的值。

2 参数 β的影响因素分析

2.1 桩间土性质的影响

原地基土的物理力学性质直接决定桩间土承载力的大小,进而影响参数值的大小。对于具有剪缩性质的土体,如松散粉土、砂土、正常固结土,在挤压和振动作用下,可有效减少桩间土孔隙比,降低土的压缩性,提高土体的密实度,进而提高土的承载力,因此β值可以取较大值。而对于具有剪胀性土体,如密实粉土砂土超固结软土,如采用振动沉管法施工则会产生土体挤出现象,非但不会增加土体强度,还会使 CFG桩破坏,从而使复合地基承载力减小。另外,《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中规定 CFG桩复合地基桩间土承载力的发挥程度还与天然地基承载力的大小有关,当天然地基承载力高时值取较大值,反之取小值。地基土的性质,直接影响施工工艺,因此在进行CFG桩复合地基设计时,应考虑桩间土的性质选择施工工艺进而结合前面讨论的施工工艺选择 β值。

2.2 置换率的影响

娄国充[2]等人用有限元分析方法对 CFG桩的研究表明:随着复合地基中桩土置换率增大,复合地基中桩的面积增加,相应的桩顶的接触应力会降低,桩顶处的沉降变形随之也减小。虽然整个复合地基承载力随置换率的提高而提高,但荷载分配倾向于向桩体转移,因而桩体承担的荷载比例也随之提高,桩间土的承载力发挥减小,此时桩间土承载力折减系数 β也应取较小值。但置换率与桩间土承载力折减系数β值并不是线性变化的,具体的定量关系有待进一步研究。

2.3 垫层的影响

褥垫层是复合地基重要的组成,褥垫层的设置能够保证桩土共同承担荷载,协调桩土变形。调整桩土荷载分担,减小基础底面的应力集中。褥垫层的厚度也影响其作用的发挥。当褥垫层过薄时,桩顶应力较大,桩的作用发挥明显,但桩间土作用发挥不足。相应的 β值应取较小值。反之,则使土的承载力得到充分发挥,相应的 β值应取较大值,但桩的承载力得不到充分发挥,沉降不能得到很好控制。因此合理选择褥垫层的厚度,有利于充分发挥桩和桩间土的承载力。

2.4 桩端持力层土性质的影响

《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中规定,CFG桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。进行CFG桩设计一般选择使桩端抵达硬土层的桩长。但对于有些软弱土层厚度很大的软弱地基,并不能保证使桩端到达硬土层,而是在承载力稍高的可塑或者软塑土层。此时 β的取值就受到桩端持力层的影响,若桩端土层是硬土层,则端阻效应较大,荷载很大部分直接通过 CFG桩传递至硬土层。桩间土承载力发挥很少,β取值按理应小一点。反之,当桩端土层为软土层时,端阻效应发挥不明显,桩间土承担较大的荷载,β取值应较大。

3 工程背景及试验方案

3.1 项目背景

本实验是以兰州原油末站,包括有 150000m3浮顶油罐2座、100000m3浮顶油罐 17座。目前试验检测了其中的部分油罐基础 CFG桩。包括其中 2个 150000方油罐和 8个100000方油罐的 CFP桩,共计 460余根。

3.2 地质状况

罐区场地为黄河第二阶冲积滩地。表层为耕植土,厚度约 0.3～0.5m,上部为饱和黄土,层厚 1.20～4.60m,场地普遍分布。承载力特征值 100kPa,其下为卵石层,表面微风化,颗粒呈亚圆状;一般粒径在 30～80mm之间,最大粒径可达 400mm,骨架物含量约占 70%;充填物为砂砾石;级配良好。层厚 2.4～5.9m之间,场地普遍分布,承载力特征值400kPa。

3.3 试验情况

由于 β是受桩间土性质,桩端土性质,桩长以及成桩工艺等因素的影响,在试验过程中选择了一些实验条件相近的桩基进行试验。低应变反射波检测仪器为中科院武汉岩土力学所研制的 RSM-SY5型浮点工程动测仪,来选取一些桩身完成,桩长、桩径相近的桩基进行试验。先确定其单桩承载力值。

试验采用慢速维持荷载法进行,单桩复合地基静载荷试验承压板 1.2m×1.2m,板底铺设 50mm级配碎石,置换率0.096。采用电动油压千斤顶加载、工字钢搭设堆载平台、混凝土块堆载提供反力,最大堆载重量 1500kN。

3.4 试验结果及数据分析

根据实验所测得的地基承载力值(表1),可由式(2)反演得到 β的值,得到的 β值在 0.99～1.2之间。计算过程中,处理后的桩间土承载力特征值按规范中提供的方法。取 1.2倍的天然地基土的承载力,单桩承载力特征值取三根试验单桩承载力特征值的平均值。在此由于不能保证所取的桩的长度完全相同,但从实验所得到的数据看,仍然可以得到一些有用的结果。

4 结束语

CFG桩的桩间土承载力折减系数 β值所受影响因素较多,但其主要影响因素为桩间土的性质,桩端持力土层的性质,垫层厚度以及置换率。目前的取值主要依靠一些地方经验。在黄土地基中,从实验数据看,对于规范中的取值,即使在计算桩间土承载力特征值时采用了比较保守的系数,所采用的垫层厚度也比较大,所得到的 β值任然比规范中的值大。所以,在设计CFG桩复合地基时,在不同的工况下可适当结合经济和安全因素考虑,取合理的值。