水利工程論文-關(guān)于半剛性樁復(fù)合地基若干問題的研究摘要：針對半剛性復(fù)合地基中廣泛使用的水泥土樁和CFG樁在工程實踐中和研究中的一些問題，例如水泥土樁的變形模量、水泥土樁及CFG樁的樁間土應(yīng)力發(fā)揮系數(shù)、水泥土樁及CFG樁的復(fù)合地基靜荷載試驗方法等。結(jié)合一些具體工程，對這些問題進(jìn)行了試驗研究及理論分析；提出了水泥土樁的變形模量和樁間土應(yīng)力發(fā)揮系數(shù)的建議取值以及解決墊層設(shè)置和墊層壓縮量對工程實踐影響的修正方法。關(guān)鍵詞：水泥土樁變形模量CFG樁樁間土應(yīng)力發(fā)揮系數(shù)靜荷載試驗水泥土樁和CFG樁是目前廣泛應(yīng)用的半剛性樁復(fù)合地基，其中水泥深層攪拌樁已編入中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ7991)，CFG樁的國家標(biāo)準(zhǔn)也在編制中。作者在從事水泥土樁、CFG樁的設(shè)計、檢測、研究中遇到了一些問題，其中有些問題對復(fù)合地基承載力的確定和變形計算有重要影響，但在規(guī)范中沒有明確規(guī)定，比如：樁身水泥土的變形模量，樁間土的應(yīng)力發(fā)揮系數(shù)和復(fù)合地基靜載荷試驗中墊層的設(shè)置等。本文結(jié)合作者自己的實測資料和別人已經(jīng)發(fā)表的測試資料，對這三個問題進(jìn)行探討。1水泥土的變形模量水泥土的變形模量E50是應(yīng)力為50%抗壓強度時的割線模量。陸貽杰等1建議E50=(120150)qu，張土喬2建議考慮現(xiàn)場試樁與室內(nèi)試驗結(jié)果的差距，現(xiàn)場水泥土的變形模量E50=(6090)qu，根據(jù)以上關(guān)系推算，qu=0.60.4MPa時，E50=36600MPa，這一結(jié)果比變形模量的真實值偏低。有些人提出的公式為E50=(150390)qu。作者引用國內(nèi)已發(fā)表的資料從室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試和理論分析三方面對水泥土的模量進(jìn)行探討。1.1室內(nèi)試驗王朝東等3測定了水泥土強度試驗的fpa關(guān)系曲線，根據(jù)曲線反算出水泥土的變形模量如表1所示。由表1的結(jié)果可見E50/qu=141196，平均值為173。表1水泥土的變形模量抗壓強度/MPaE50/MPaE50/qu備注1.60315196室內(nèi)配比1.801.341.38254234247141175179室內(nèi)配比樁體取樣樁體取樣1.2現(xiàn)場實測段繼偉4通過在樁身內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變傳感器，測得靜荷載試驗中樁身軸力和應(yīng)變的數(shù)值，計算的變形模量如表2所示。模量與應(yīng)力的關(guān)系如圖1所示，由圖中曲線可以看出，水泥土的變形模量隨應(yīng)力水平增加而呈減小趨勢。1#樁E50=1120MPa，2#樁E50=1150MPa，室內(nèi)試驗結(jié)果為w=15%，qu=1.69MPa，由此可得：E50=(662680)qu。表2水泥土計算變形模量p/kPa487296120144160備注E/MPaE/MPa15401600122414069801300748995675557570-1#樁Pu160kN2#樁Pu216kN1.3根據(jù)單樁靜荷載試驗結(jié)果反算樁的變形模量在單樁靜荷載試驗中，如果忽略樁端對下臥層的刺入，樁的沉降由樁身的壓縮量e和樁端土的sse兩部分組成，即：s=e+sse(1)式中：。代入式(1)，。(2)其中是反映樁身軸力傳遞的影響系數(shù)，假設(shè)樁端應(yīng)力為樁頂應(yīng)力的10%，樁身應(yīng)力按直線變化，=0.55，根據(jù)段繼偉的測試，12.515.0m長的粉噴樁=0.3。根據(jù)某工程做的水泥攪拌樁靜荷載試驗，樁長14.0m，樁徑500mm，Qu=400kN，當(dāng)Q=200kN時，取=0.3，s=2.09mm，將以上數(shù)據(jù)代入式(2)：。該樁的極限承載力為2MPa，E50=1025qu。根據(jù)白德容做的水泥攪拌樁靜荷載試驗，樁徑500mm，樁長7.5m，樁頂荷載為0.9MPa時，S=2.46mm，由于樁長較短，取=0.5，代入式(2)：。樁的極限荷載為1.8MPa，E50=762qu。通過以上分析，得到室內(nèi)試驗E50=(141196)qu，現(xiàn)場測試E50=(7621025)qu。由于理論分析qu為現(xiàn)場靜荷載試驗結(jié)果，如果考慮室內(nèi)配比試驗結(jié)果和現(xiàn)場試驗結(jié)果比值為1.5，將理論分析結(jié)果進(jìn)行修正，則E50=(508683)qu和現(xiàn)場測試結(jié)果就比較接近。根據(jù)以上分析，建議E50=(500650)qu。2復(fù)合地基承載力機理及承載力計算公式復(fù)合地基根據(jù)豎向增強體的剛度可分為柔性樁復(fù)合地基和半剛性樁復(fù)合地基。柔性樁復(fù)合地基主要有砂樁、碎石樁，半剛性樁復(fù)合地基主要有水泥土樁和CFG樁等。建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-91)5給出的砂樁和水泥土樁的復(fù)合地基承載力計算公式如下：砂樁(3)(4)式中：fsp,k為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；m為面積置換率；Ap為樁的截面積；為樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；為樁間天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；fp,k為樁體單位面積承載力標(biāo)準(zhǔn)值；為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；為樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端為軟土?xí)r可取0.51.0，當(dāng)樁端為硬土?xí)r可取0.10.4，當(dāng)不考慮樁間土作用時可取0。對比式(3)和式(4)可見，柔性樁復(fù)合地基承載力是樁承載力和樁間土承載力相加的結(jié)果，而半剛性復(fù)合地基在相加時要對樁間土進(jìn)行折減，折減系數(shù)取00.1，大小取決于樁端土的軟硬程度。在剛性基礎(chǔ)作用下，這種考慮當(dāng)然有其道理的，但是，由于復(fù)合地基在基礎(chǔ)底設(shè)置了150300mm厚的砂石墊層，樁頭可以向上刺入，使樁土產(chǎn)生相對變形，土的承載力得到發(fā)揮，下面結(jié)合樁的P-s曲線和土的P-s曲線進(jìn)行討論。工程1的工程樁及樁間土載荷試驗P-s曲線如圖2所示，載荷板直徑1050mm。由圖可見，樁的P-s曲線在上，土的P-s曲線在下，如果樁和土沉降相等，則當(dāng)樁的承載力等于標(biāo)準(zhǔn)值200kN時，對應(yīng)土的承載力為78kN，只發(fā)揮了土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值160kN的49%；當(dāng)樁的承載力等于極限值400kN時，土的承載力為290kN，達(dá)到樁間土承載力極限值320kN的90%；如果要使樁的承載力和土的承載力同時達(dá)到它們的標(biāo)準(zhǔn)值，則土的沉降應(yīng)比樁的沉降大3.7mm。從以上分析可見，由于樁的剛度比土的剛度大，在相同的沉降下，樁的承載力發(fā)揮程度比土的承載力發(fā)揮程度高，荷載越大這種現(xiàn)象越不明顯，當(dāng)達(dá)到極限荷載時，這種差別就小。圖3所示為樁頂荷載與墊層壓縮量和樁間土上荷載與墊層壓縮量之間的關(guān)系。由于樁頂荷載應(yīng)力集中，樁頭必須向墊層刺入，如果k表示樁、樁間土承載力發(fā)揮水平相同時的沉降有效期，k表示相應(yīng)的樁頭刺入量，則當(dāng)k=k時，樁和樁間土的承載力同時發(fā)揮；當(dāng)kk時，土的承載力發(fā)揮先于樁的承載力。因此，理論上講可以適當(dāng)調(diào)整墊層的厚度和壓實方法使得樁和樁間土的承載力同步發(fā)揮，但實際工程中很難做到，也沒有必要。只要通過墊層的調(diào)整，使得極限狀態(tài)下樁和樁間土的承載力能夠接近充分發(fā)揮就可以。由此分析，取取0.751.0比較穩(wěn)妥，對變形要求嚴(yán)格的建筑取小值，變形要求不嚴(yán)格的建筑取大值。圖1荷載與模量關(guān)系圖2工程1樁及樁間土靜載荷試驗P-s曲線圖3荷載與墊層壓縮量關(guān)系圖4工程2靜載荷試驗P-s曲線圖5試驗裝置示意圖6靜荷載實測與修正曲線3復(fù)合地基靜載荷試驗3.1復(fù)合地基靜載荷試驗中的非正?，F(xiàn)象在復(fù)合地基靜載荷試驗中，為了反映地基的實際受力性能，必須在載荷板下做1530mm厚的砂石墊層，最好與設(shè)計的墊層厚度相同。由于墊層本身的壓縮和樁頭向墊層的刺入，往往造成復(fù)合地基靜載荷試驗沉降偏大。當(dāng)按相對變形值確定復(fù)合地基承載力時，這種結(jié)果就會得出偏低的承載力。同時，出現(xiàn)了一種不正常現(xiàn)象，在相同的荷載作用下，復(fù)合地基的沉降比單樁的沉降還要大。圖4所示是工程2的靜載荷試驗曲線，樁長14m，樁徑500mm，由圖可見，復(fù)合地基的沉降P-s曲線位于單樁的P-s曲線下方，只是到接近極限荷載時復(fù)合地基的P-s曲線才回到單樁的P-s曲線上方。這是由于在P-s曲線的前半段，沉降s比較小，墊層的壓縮量在總沉降中占的比例比較大，因此改變了P-s曲線的性狀，可推知如果用墊層的壓縮量對復(fù)合地基P-s曲線進(jìn)行修正，它就會恢復(fù)到單樁的P-s曲線的上方，可惜這個工程沒有實測墊層的壓縮量。3.2墊層壓縮量的測試為了研究墊層的壓縮量對復(fù)合地基P-s曲線的影響，特做以下試驗。為了實測復(fù)合地基中墊層的壓縮量，采用如圖5所示的裝置，在鋼載荷板上鉆8個12的圓孔，其中4個位于樁間土上，4個位于樁頂上。在鋪墊層前將100mm100mm、厚5mm的鋼墊板中心對準(zhǔn)小孔放在土上和樁頂，然后將墊層鋪平，用木夯夯實。把載荷板上的圓孔與鋼墊板的中心對準(zhǔn)，放上載荷板，把10長25cm的鋼桿一端磨平，另一端磨成錐尖形，把鋼桿從圓孔中插入墊層，直到和鋼墊板緊密接觸。采用兩套觀測變形的裝置，一套通過基準(zhǔn)梁觀測載荷板的沉降，另一套儀表以載荷板為基準(zhǔn)觀測鋼桿與載荷板的相對位移，這個位移值就是墊層的壓縮。采用以上裝置，應(yīng)用于某工程復(fù)合地基靜載荷試驗中進(jìn)行測試。水泥攪拌樁樁長10m,樁徑550mm，樁距1.0m，呈正三角形布置。測試結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。圖7、圖8中列出了1#、2#試樁的P-s曲線及P-曲線(為墊層的壓縮量)。由圖可見，墊層的壓縮量是相當(dāng)大的，當(dāng)荷載p=700kPa時，1#樁上的墊層壓縮量為7.13mm，土上的墊層壓縮量為4.89mm；2#樁上墊層壓縮量為7.22mm，土上的墊層壓縮量為5.17mm。樁上的壓縮量減去土上的壓縮量即為樁頭的刺入量，可以算出，p=350kPa時，1#樁刺入1.55mm，2#樁刺入1.74mm；當(dāng)p=700kPa時，1#樁刺入2.20mm，2#樁刺入2.47mm?？梢姌额^的刺入量非常明顯，但隨荷載增大有收斂趨勢。以樁頭墊層的壓縮量和土上墊層的壓縮的平均值當(dāng)作墊層的壓縮量，用載荷板的沉降s減去墊層的壓縮量，對P-s曲線進(jìn)行修正，修正后的P-s曲線如圖6所示。把修正前后兩條曲線對比可以看出，修正后曲線位于上方，沉降變小，而且曲線形狀發(fā)生了變化，曲線的初始段比較平直，隨著荷載的增加沉降加速，與未修正前的P-s曲線一開始就產(chǎn)生較大沉降形成鮮明對比。當(dāng)p=350kPa時，1#樁s=6.801mm,=4.34mm,s/d=6.48%，/d=4.13%；2#樁s=6.523mm，=