引言
随着我国高等级公路、铁路以及机场的大力建设,解决软土承载力不足以及沉降过大的问题十分紧迫。在各种地基处理技术中,复合地基以其工艺简单、施工方便、加固效果好等优势,在地基处理中得到了广泛应用[1]。在形成复合地基的各种桩型中:水泥土搅拌桩的桩身材料强度低,达到承载力极限时一般在桩身上部发生破坏,沉降量也可观[2];而现浇薄壁管桩[3]以及广泛使用的灌注桩[4],在达到极限荷载时桩周土体首先发生剪切破坏,而此时桩体强度还远远没有发挥,造成材料浪费。
砼芯水泥搅拌桩采用高弹模的预制砼芯作为受力核心,大表面积的水泥土搅拌桩外壳提供侧摩阻力,结合了刚性桩和柔性桩的优点,能够提供较高的承载力并有效减少沉降[5]。董平[5-6]等根据现场试验和有限元模拟,分析了砼芯水泥搅拌桩的荷载传递规律,并将单桩破坏模式分为砼芯压裂和桩周土体剪切破坏两种,提出了相应的计算公式。陈颖辉等[7]根据静载试验研究了含芯率和芯长比对承载力的影响,将单桩破坏分为渐进型和急进型两种类型,并提出了相应的单桩承载力计算公式。丁永君等[8]通过单桩静载试验发现,砼芯水泥搅拌桩的侧摩阻力要远大于水泥搅拌桩和钻孔灌注桩,有利于单桩承载力的提高。
现有的关于砼芯水泥搅拌桩的研究资料主要集中在单桩承载力方面,对于砼芯水泥搅拌桩复合地基承载性质研究较少,对其承载力机理的认识并不清楚。本文结合复合地基静载试验,进行了砼芯荷载传递规律、侧摩阻力分布特点以及桩土应力比测试。最后给出了砼芯水泥搅拌桩复合地基承载力计算公式。
1.工程概况
某绕城公路沿线穿越深厚软土分布段,在里程桩号K9+260~K9+310段路基中心处打设三根试验桩。其主要地层分述如下:① 0~1.6m:粘土,灰黄色,湿,可塑,含铁锰质结核及其浸染,杂蓝灰色条纹。②1.6~3.1m:粉质粘土,灰色,湿,可塑。③3.1~5.9m:粉质粘土,灰色,湿,流塑,混粉土,含云母碎片。④5.9~12.7m:淤泥质粘土,灰色,湿,流塑,含腐殖质和泥质结核,粒径2-3cm。⑤12.7~19.9m:粘土,灰色,湿,软塑,含腐殖质。⑥19.9~23.6m:粉质粘土,灰色,湿,可塑,土质均匀。
2.试验设计
试验目的
(1)确定砼芯水泥土搅拌桩单桩复合地基的竖向抗压极限承载力,研究承载力形成机理。
(2)确定不同荷载水平下地表土体、搅拌桩外壳与芯桩的荷载分布规,研究砼芯水泥土搅拌桩的沉降控制机理。
(3)研究砼芯水泥土搅拌桩单桩复合地基竖向荷载传递规律。
2.2 试验区域布置
试验采用边长1.4m的正方形混凝土荷载板,水泥搅拌桩直径500mm,桩长20m,水泥掺量为15%。砼芯为桩径200mm的预制方桩,桩长9m,采用4Φ14配筋和C30水泥。
试验区域土层物理力学性质如表1所示。
表1 土层物理力学性能指标
土层序号
层名
含水率 w(%)
密度(g/cm3)
饱和度Sr(%)
孔隙比e0
液限 wL(%)
塑限 wP(%)
粘聚力
c(kPa)内摩擦角
Φ(?) 压缩模量
Es0.1-0.2(MPa)
①
粘土
31.4
1.86
96.1
0.882
31.4
19.8
16.1
15.2
7.23
②
粉质粘土
37.7
1.79
93.2
1.092
32.8
20.1
11.6
15.4
4.53
③
粉质粘土
34.1
1.85
96.8
0.951
33.2
20.2
12.4
14.5
4.81
④
淤泥质粘土
35.9
1.83
95.0
1.02
33.7
21.5
10.2
17.5
3.12
⑤
粘土
30.8
1.89
94.7
0.878
30.7
19.1
13.8
16.9
4.74
⑥
粉质粘土
28.7
1.9
92.7
0.836
30.9
20.2
14.6
21
6.85
共设置3组试验桩,各试桩区的仪器埋设方法和数量相同。
(1)搅拌桩和桩周土表面各对称埋设两个土压力盒AT1~AT4,进行土压力和搅拌桩应力测试。
(2)砼芯内采用串联式预埋钢筋计AE1~AE18,埋设深度为0m、1.6m、3.1m、5.9m、7m以及9m,图2所示,进行砼芯应力测试。在0m、7m以及9m,每个深度对称埋设两个钢筋应力计,取其平均值作为最终读数。而1.5m、3.1m和5.9m属于土层交界面,为防止数据突变,界面上下共埋设四个钢筋计,同样取其平均值作为此深度处的轴力值。
2.3 试验方法
单桩复合地基静载试验步骤按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)附录A《复合地基载荷试验要点》进行。复合地基静载试验采用慢速维持荷载法。加载等级可分为8-12级。每加一级荷载前后均应各读记承压板沉降量一次,以后每半小时读记一次,当一小时内沉降量小于0.1mm时,即可加下一级荷载。
3.试验数据分析
3.1荷载-沉降分布特征
在整个加载过程中,复合地基沉降随荷载增大而发展平稳,对沉降控制效果明显。达到设计荷载时,沉降仅为4mm左右,小于桩直径的1%,说明高弹模砼芯的插入对沉降控制效果十分明显。
3.2荷载传递规律
随着深度增加,轴力呈直线状递减。这表明在刚性基础下,复合地基的上部荷载仍然主要由砼芯承担,并随着荷载的增加由砼芯→水泥土搅拌桩外壳→土体进行扩散,这与单桩静载试验的砼芯荷载传递规律是相同的。