詹祥元,林柄泉

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

CFG樁是由碎石、石屑、砂和粉煤灰加水拌和制成,其強(qiáng)度等級多在 C20～C25之間,因此 CFG樁具有適應(yīng)性廣、承載力高、經(jīng)濟(jì)合理等特點。但日前其理論研究與實踐還存在一定的差距,特別是復(fù)合地基承載力和地基變形的計算方法仍有許多不完善的地方。由于影響因素眾多,完全靠理論分析很難得出準(zhǔn)確的計算公式,所以現(xiàn)在工程上所采用的方法仍然是半理論半經(jīng)驗的公式,各種經(jīng)驗系數(shù)的取值往往對計算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此,合理確定符合地基承載力中各參數(shù)的值已成為 CFG復(fù)合地基設(shè)計中的重要問題。

1 CFG樁復(fù)合地基承載力計算方法

復(fù)合地基承載力特征值的確定,(JGJ79-2002)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》建議通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定。計算方法由專家組經(jīng)過大量的理論計算和試驗數(shù)據(jù)分析綜合考慮復(fù)合地基承載力的各個影響因素,得出 CFG樁復(fù)合地基承載力計算公式為:

式中:fspk為復(fù)合地基承載力特征值,kPa;m為面積置換率;Ap為樁的橫截面積;fsk為處理后的樁間土承載力特征值;Ra為單樁承載力特征值,β為樁間土承載力折減系數(shù)。

此公式由于概念清楚,參數(shù) m,Ap,fsk,Ra都可以有比較精確的取值,在工程上應(yīng)用廣泛。唯一不足之處在于 β的取值存在一些不足。β是受樁間土性質(zhì),樁端土性質(zhì),樁長以及成樁工藝等因素的影響,有不同的經(jīng)驗值。其取值也是影響復(fù)合地基承載力特征值的一個重要因素。當(dāng)通過實驗得到 fspk的值時,可通過式(2)反演得到 β的值。

2 參數(shù) β的影響因素分析

2.1 樁間土性質(zhì)的影響

原地基土的物理力學(xué)性質(zhì)直接決定樁間土承載力的大小,進(jìn)而影響參數(shù)值的大小。對于具有剪縮性質(zhì)的土體,如松散粉土、砂土、正常固結(jié)土,在擠壓和振動作用下,可有效減少樁間土孔隙比,降低土的壓縮性,提高土體的密實度,進(jìn)而提高土的承載力,因此β值可以取較大值。而對于具有剪脹性土體,如密實粉土砂土超固結(jié)軟土,如采用振動沉管法施工則會產(chǎn)生土體擠出現(xiàn)象,非但不會增加土體強(qiáng)度,還會使 CFG樁破壞,從而使復(fù)合地基承載力減小。另外,《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)中規(guī)定 CFG樁復(fù)合地基樁間土承載力的發(fā)揮程度還與天然地基承載力的大小有關(guān),當(dāng)天然地基承載力高時值取較大值,反之取小值。地基土的性質(zhì),直接影響施工工藝,因此在進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基設(shè)計時,應(yīng)考慮樁間土的性質(zhì)選擇施工工藝進(jìn)而結(jié)合前面討論的施工工藝選擇 β值。

2.2 置換率的影響

婁國充[2]等人用有限元分析方法對 CFG樁的研究表明:隨著復(fù)合地基中樁土置換率增大,復(fù)合地基中樁的面積增加,相應(yīng)的樁頂?shù)慕佑|應(yīng)力會降低,樁頂處的沉降變形隨之也減小。雖然整個復(fù)合地基承載力隨置換率的提高而提高,但荷載分配傾向于向樁體轉(zhuǎn)移,因而樁體承擔(dān)的荷載比例也隨之提高,樁間土的承載力發(fā)揮減小,此時樁間土承載力折減系數(shù) β也應(yīng)取較小值。但置換率與樁間土承載力折減系數(shù)β值并不是線性變化的,具體的定量關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

2.3 墊層的影響

褥墊層是復(fù)合地基重要的組成,褥墊層的設(shè)置能夠保證樁土共同承擔(dān)荷載,協(xié)調(diào)樁土變形。調(diào)整樁土荷載分擔(dān),減小基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中。褥墊層的厚度也影響其作用的發(fā)揮。當(dāng)褥墊層過薄時,樁頂應(yīng)力較大,樁的作用發(fā)揮明顯,但樁間土作用發(fā)揮不足。相應(yīng)的 β值應(yīng)取較小值。反之,則使土的承載力得到充分發(fā)揮,相應(yīng)的 β值應(yīng)取較大值,但樁的承載力得不到充分發(fā)揮,沉降不能得到很好控制。因此合理選擇褥墊層的厚度,有利于充分發(fā)揮樁和樁間土的承載力。

2.4 樁端持力層土性質(zhì)的影響

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)中規(guī)定,CFG樁應(yīng)選擇承載力相對較高的土層作為樁端持力層。進(jìn)行CFG樁設(shè)計一般選擇使樁端抵達(dá)硬土層的樁長。但對于有些軟弱土層厚度很大的軟弱地基,并不能保證使樁端到達(dá)硬土層,而是在承載力稍高的可塑或者軟塑土層。此時 β的取值就受到樁端持力層的影響,若樁端土層是硬土層,則端阻效應(yīng)較大,荷載很大部分直接通過 CFG樁傳遞至硬土層。樁間土承載力發(fā)揮很少,β取值按理應(yīng)小一點。反之,當(dāng)樁端土層為軟土層時,端阻效應(yīng)發(fā)揮不明顯,樁間土承擔(dān)較大的荷載,β取值應(yīng)較大。

3 工程背景及試驗方案

3.1 項目背景

本實驗是以蘭州原油末站,包括有 150000m3浮頂油罐2座、100000m3浮頂油罐 17座。目前試驗檢測了其中的部分油罐基礎(chǔ) CFG樁。包括其中 2個 150000方油罐和 8個100000方油罐的 CFP樁,共計 460余根。

3.2 地質(zhì)狀況

罐區(qū)場地為黃河第二階沖積灘地。表層為耕植土,厚度約 0.3～0.5m,上部為飽和黃土,層厚 1.20～4.60m,場地普遍分布。承載力特征值 100kPa,其下為卵石層,表面微風(fēng)化,顆粒呈亞圓狀;一般粒徑在 30～80mm之間,最大粒徑可達(dá) 400mm,骨架物含量約占 70%;充填物為砂礫石;級配良好。層厚 2.4～5.9m之間,場地普遍分布,承載力特征值400kPa。

3.3 試驗情況

由于 β是受樁間土性質(zhì),樁端土性質(zhì),樁長以及成樁工藝等因素的影響,在試驗過程中選擇了一些實驗條件相近的樁基進(jìn)行試驗。低應(yīng)變反射波檢測儀器為中科院武漢巖土力學(xué)所研制的 RSM-SY5型浮點工程動測儀,來選取一些樁身完成,樁長、樁徑相近的樁基進(jìn)行試驗。先確定其單樁承載力值。

試驗采用慢速維持荷載法進(jìn)行,單樁復(fù)合地基靜載荷試驗承壓板 1.2m×1.2m,板底鋪設(shè) 50mm級配碎石,置換率0.096。采用電動油壓千斤頂加載、工字鋼搭設(shè)堆載平臺、混凝土塊堆載提供反力,最大堆載重量 1500kN。

3.4 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實驗所測得的地基承載力值(表1),可由式(2)反演得到 β的值,得到的 β值在 0.99～1.2之間。計算過程中,處理后的樁間土承載力特征值按規(guī)范中提供的方法。取 1.2倍的天然地基土的承載力,單樁承載力特征值取三根試驗單樁承載力特征值的平均值。在此由于不能保證所取的樁的長度完全相同,但從實驗所得到的數(shù)據(jù)看,仍然可以得到一些有用的結(jié)果。

4 結(jié)束語

CFG樁的樁間土承載力折減系數(shù) β值所受影響因素較多,但其主要影響因素為樁間土的性質(zhì),樁端持力土層的性質(zhì),墊層厚度以及置換率。目前的取值主要依靠一些地方經(jīng)驗。在黃土地基中,從實驗數(shù)據(jù)看,對于規(guī)范中的取值,即使在計算樁間土承載力特征值時采用了比較保守的系數(shù),所采用的墊層厚度也比較大,所得到的 β值任然比規(guī)范中的值大。所以,在設(shè)計CFG樁復(fù)合地基時,在不同的工況下可適當(dāng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)和安全因素考慮,取合理的值。

[1]龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002

[2]婁國充,馮濤.CFG樁有限分析[J].路基工程,2000(3):6-9

[3]曾芳金,魏超玉,王軍,等.CFG樁復(fù)合地基墊層設(shè)置試驗研究[J].南通工學(xué)院學(xué)報,2004,3(2):35-37

[4]齊宏偉,韓華朋,李文華,等,合理確定 CFG樁復(fù)合地基承載力簡析[J].巖土工程界,2004,7(5):73-75

[5]張尚東,婁國充.CFG樁復(fù)合地基承載特性試驗研究[J].石家莊鐵道學(xué)報,2000,13(9):15-18