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行了城市道路路基處理的原位試驗,分析了超孔隙水壓力、樁間土分層沉降、附加有效應力、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,素混凝土樁復合地基淺層應力向樁體集中,并通過樁向深層擴散,樁頂和樁底的刺入較為明顯,有單樁效應;而對于攪拌樁,大部分樁間土和樁沒有相對位移,形成了一個加固整體,應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;試驗研究;素混凝土樁;攪拌樁;單樁效應;加固整體

中圖分類號:U416. 1 　　　文獻標志碼:A

　　尺試驗,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 ]對素混凝土樁復合地基荷載傳遞機理進行了試驗研究,得出了樁側(cè)摩阻力的分布;宋法寶等[12 ] 介紹了低標號素混凝土樁在杭金衢高速公路中的應用,發(fā)現(xiàn)地基承載力大大高于設計要求。目前所進行的研究大都是單獨針對素混凝土樁或攪拌樁加固地基進行的,對兩者同時進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)條件下進行了試驗分析,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。道路設計寬度為36 m ,地下鋪設污水管和雨水管,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)量分數(shù)為10 % ,樁身水泥試塊90 d齡期單軸抗壓強度為1. 05 MPa ,單軸承載力標準值達到68. 0 kN。

　　另一個測試斷面在樁號為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 ,進行碾壓處理。用Φ426 的15 m 長的素混凝土樁進行處理,樁距1. 75 m ,置換率0. 045 。素混凝土樁的水泥質(zhì)量分數(shù)為7 %。工程的地質(zhì)情況見表1 。

　　測試方案如圖1 所示。對于每個斷面,在樁間土中間埋設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3 個測點,分別位于樁頂、樁中和樁底。每個測點埋設土壓力計、孔壓計和分層沉降磁環(huán)。在路基兩側(cè)分別埋設測斜管,用于觀測路基的深層土體側(cè)向位移。本文試驗中采用活動式測斜儀觀測土體的深層側(cè)向位移。觀測時間為2002 年9 月2 日～2003 年1 月10 日,期間,道路從進行路面施工到通車,所加靜荷載較小,但存在碾壓荷載及車輛行駛的動荷載,所以荷載估算較為困難。由于地質(zhì)情況較復雜,荷載施加不同,因此在不同測點處所得測試數(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

　　從進行路面施工到通車運營,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。由于兩個斷面的填筑材料不一樣,所以在各個斷面2 m 測點處(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,這是由于建筑垃圾填料層力學性能較好,形成了硬殼層[13 ] ,對上部路面荷載及碾壓的反應較為集中。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。

2. 2 樁間土附加有效應力

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

應力均隨時間的增加而增加,但增加幅度不同,樁底的樁間土附加有效應力的增加幅度遠大于樁頂和樁中,樁頂?shù)脑黾臃却笥跇吨?。其原因主要有以下兩個: ①由于素混凝土樁斷面填筑材料力學性能相對較好,所以在復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),力學性能很差,因而樁的側(cè)向摩阻力很小,這一點從樁中的樁間土附加有效應力增加較小可看出,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,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)生了負摩阻力,這就把樁間土承擔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力點向下移動,即樁身最大應力點不在樁頂,這意味著復合地基的荷載向深處傳遞,使樁底樁間土附加有效應力增加較大?？梢?建筑垃圾填筑層對樁頂有應力集中效應,使樁承擔了較大荷載,樁底也刺入了下臥層中。

　　綜上所述,素混凝土樁復合地基的受力性狀可概括如下:淺層應力向樁體集中,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合地基中,素混凝土樁有應力集中和擴散的雙重作用。

　　圖5 為攪拌樁斷面樁間土的附加有效應力隨時間的變化。從圖5 可以看出:攪拌樁樁間土在樁底附近的附加有效應力增加幅度較大,樁頂?shù)臉堕g土的附加有效應力增加幅度有限,而樁中的樁間土附加有效應力幾乎沒有增加。樁頂?shù)臉堕g土附加有效應力增加幅度有限,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力沒有增加,說明樁中的樁間土受力很小。因為上層土的應力傳遞深度有限,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)向摩阻力會傳遞給樁間土;但攪拌樁樁間土在樁底附近有效應力增加幅度較大。這說明在正常荷載下,小樁距的攪拌樁復合地基形成了一個較好的加固整體,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,應力主要集中在樁頂和樁底附近,特別是大部分的應力通過攪拌樁直接傳到樁底土和下臥層中(這與文獻[8 ]中的單樁情況有區(qū)別) ,這個加固整體很好地擴散了荷載。

　　根據(jù)以上分析可得在正常荷載下,兩種復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合地基樁距較大(4. 1 倍樁徑) ,且樁的剛度較大,所以淺層應力向樁集中,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加固整體,應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,很好地起到了擴散荷載的作用。由此可以判斷,不同的填料雖然對復合地基的受力有影響,但對復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,為負表示位移向上,后文同?？煽闯鰳俄?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?？梢?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的沉降都很小,這驗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合地基形成了一個加固整體,有效地擴散了荷載,減小了地基降。

2. 4 路基深層側(cè)向位移

　　現(xiàn)場測試時,埋設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 為時間) 。從圖9 (a) 中可以看出,路基有向路外移動的側(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合地基受力性狀,即攪拌樁復合地基形成了一個加固整體,應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,埋設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 為時間) 。從圖9 (a) 中可以看出,路基有路外移動的側(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合地基受力性狀,即攪拌樁復合地基形成了一個加固整體,應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合地基,樁距較大(4. 1 倍樁徑) ,且樁的剛度較大,所以淺層應力向樁體集中,并通過樁向深層擴散,樁間土與樁之間沿樁全長都有相對位移,存在單樁效應,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加固整體,應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,很好地擴散了荷載。樁的剛度和間距對復合地基的受力起主要控制作用。

　　(3) 由于兩種復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。攪拌樁復合地基的樁和樁間土卻形成了一個加固整體,樁間土的沉降很小。

　　(4) 兩種復合地基路基受荷后的深層土側(cè)向位移不同。攪拌樁復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。素混凝土樁復合地基路基深層土側(cè)向位移在后期有回彈的趨勢。

參考文獻:

References :

　　[1] 　陳艷平,趙明華,陳昌富,等. 土工格室碎石墊層2碎石樁復合地基相似模型試驗[J ] . 中國公路學報,2006 ,19 (1) :17222.CHEN Yan2ping , ZHAO Ming2hua , CHEN Chang2fu ,et al. Similarity Model Test of Geocell ReinforcedGravel Mat t ress and Gravel Pile Composite Founda2tion[J] . China Journal of Highway and Transport ,

2006 ,19 (1) :17222.

　　[2] 陳小庭,夏元友,芮　瑞,等. 管樁加固軟土路基樁土應力現(xiàn)場試驗[J] . 中國公路學報,2006 ,19 (3) : 12217.CHEN Xiao2ting ,XIA Yuan2you ,RUI Rui ,et al . FieldExperiment of Pile2soil St ress of Sof t Subgrade Rein2forced by Pre2st ressed Concrete Piles[J ] . China Jour2nal of Highway and Transport ,2006 ,19 (3) :12217.

　　[3] 曹衛(wèi)平,陳仁朋,陳云敏. 樁承式加筋路堤樁體荷載分擔比計算[J ] . 中國公路學報,2006 ,19 (6) :126.CAO Wei2ping , CHEN Ren2peng , CHEN Yun2min.Calculation for Pile Efficacy of Pile2supported Rein2forced Embankment s [ J ] . China Journal of Highwayand Transport ,2006 ,19 (6) :126.