金世偉

水泥土攪拌法是用于加固軟弱土地基的新方法。水泥土樁復(fù)合地基是指用水泥(或石灰)等材料作為固化劑,通過(guò)特制的攪拌機(jī)械,在地基深處就地將軟弱土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌,形成抗壓強(qiáng)度比天然地基高得多,并具有整體性、水穩(wěn)性的樁柱體,由若干根這類(lèi)樁體和樁間土構(gòu)成復(fù)合地基。水泥土攪拌法分為水泥漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種。水泥漿攪拌法是美國(guó)在第二次世界大戰(zhàn)后研制成功的。1953年日本引進(jìn)該方法,1974年研制成水泥攪拌固化法,我國(guó)于1978年對(duì)這種方法進(jìn)行研究,1980年在上海寶山鋼鐵總廠利用水泥土攪拌樁處理軟土地基取得了成功,并通過(guò)了技術(shù)鑒定。國(guó)外使用水泥土攪拌法加固的土質(zhì)有新吹填的超軟土、泥灰土和淤泥土等飽和軟土,加固深度達(dá)到60 m。國(guó)內(nèi)目前采用攪拌法加固的土質(zhì)有淤泥、淤泥質(zhì)土、地基承載力不大于120 kPa的黏性土和粉性土等地基。

1 水泥摻入比對(duì)水泥土性狀的影響

水泥土的工程性狀主要指的是水泥土的物理、力學(xué)特征及影響因素。加固后的水泥土重度比原地基土略有增加,并隨著水泥摻入比的增大呈微弱遞增。水泥土加固的含水量隨水泥摻入比的增大而減小。同濟(jì)大學(xué)葉觀寶試驗(yàn)研究得出,不同齡期的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度間大致成線性關(guān)系,并由此建立了上海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土水泥土強(qiáng)度的推算公式。浙江大學(xué)朱向榮研究得出,水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入比增加而增大,同時(shí)脆性增大,存在一最佳水泥摻入比。邵蔚霞[2]試驗(yàn)得出,水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨土體含水量增加而降低,水泥摻入比增大時(shí),水泥土壓縮系數(shù)變化不大,但壓縮變形減少?？傊?對(duì)水泥加固軟黏土等研究比較多,而水泥加固其他特殊土如紅黏土等的研究則較少,由于特殊土性狀與軟黏土差異大,故仍需作詳盡的研究。

2 水泥土樁復(fù)合地基的工程性狀

一般認(rèn)為水泥土樁屬柔性樁,由于柔性樁破壞是以碎裂破壞和刺入破壞為主要破壞形式,因而其樁柱體(或單樁)承載力應(yīng)分別按樁材料強(qiáng)度和土對(duì)樁的支持力(摩擦力+端承力)計(jì)算,取其小值為計(jì)算值。水泥土單樁從承載力角度看存在一有效樁長(zhǎng),單樁承載力在一定程度上并不隨樁長(zhǎng)的增加而增大。馬海龍分析了柔性樁單樁荷載傳遞規(guī)律,指出柔性樁的樁身應(yīng)力和樁側(cè)摩阻力主要集中在有效樁長(zhǎng)內(nèi),樁土應(yīng)力比隨荷載增加而減小,接近極限荷載時(shí)趨于穩(wěn)定。韓煊等[3]運(yùn)用數(shù)值方法研究了復(fù)合地基中群樁相互作用機(jī)理,指出群樁的有效樁長(zhǎng)要大于單樁,在加固區(qū)內(nèi)群樁沉降大于單樁,考慮群樁、樁土共同作用更接近于工程實(shí)際。竇遠(yuǎn)明等[4]通過(guò)水泥土樁復(fù)合地基的野外靜載試驗(yàn)表明:水泥土樁對(duì)樁間土工作性狀的影響僅限于近地表的有限深度內(nèi),原因是水泥粉?；驖{液在高壓下充填樁間土的空隙,增強(qiáng)了樁間土的聯(lián)結(jié);在外荷較小時(shí),水泥土樁單樁的承載力主要由樁側(cè)摩阻力提供,荷載增加到一定數(shù)值時(shí),樁端阻力才表現(xiàn)出來(lái);水泥土樁復(fù)合地基加載時(shí),樁土應(yīng)力比不是一個(gè)常數(shù),而是隨載荷的增加呈拋物線形變化,變形協(xié)調(diào)情況下,在容許承載力附近最大。同時(shí),樁土應(yīng)力比受樁間土的影響:樁間土較軟弱,樁土應(yīng)力比大,反之,則小。劉和元等[5]研究了超長(zhǎng)水泥土攪拌樁,認(rèn)為:超長(zhǎng)水泥土攪拌樁當(dāng)其樁身質(zhì)量較好、上部荷載及其作用面積都較大時(shí),樁端處的樁身附加應(yīng)力也會(huì)較大,有效樁長(zhǎng)的理論應(yīng)予以修正;復(fù)合地基中的樁土應(yīng)力比在一定范圍內(nèi)隨上部荷載的增大而增大,隨樁土模量比的增大而增大。

水泥土樁復(fù)合地基沉降變形的計(jì)算,包括攪拌樁群體即復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮變形和樁端下未加固土層(即下臥層)的壓縮變形之和,加固區(qū)土層壓縮量計(jì)算方法一般有三種:復(fù)合模量法(Ec法)、應(yīng)力修正法(Es法)、樁身壓縮量法(Ep法)。樁端下未加固土層即下臥層土層的壓縮變形計(jì)算方法通常采用分層總和法計(jì)算,但作用在該層土體上荷載或土體中附加應(yīng)力是難以精確計(jì)算的,目前在工程應(yīng)用上,常用下述四種方法計(jì)算:應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法、Mindilin-Geddes方法(改進(jìn) Geddes法,龔曉南,1992年)、當(dāng)層法。劉和元等研究了超長(zhǎng)水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降變形,認(rèn)為沉降變形主要來(lái)自墊層及加固區(qū)的下臥層,加固區(qū)的壓縮變形量占總沉降變形量的比例較小。

3 水泥土樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

軟土地區(qū)的建筑物,都是在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的條件下以沉降進(jìn)行控制的,葉觀寶等[6]提出在水泥土樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的控制指標(biāo):施工樁長(zhǎng)以沉降控制;有效樁長(zhǎng)以樁身強(qiáng)度控制。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,對(duì)于有效樁長(zhǎng)研究較多,多是從單樁分析入手。因此需要進(jìn)一步研究最優(yōu)置換率、最優(yōu)樁體剛度、有效樁長(zhǎng)和樁土關(guān)系,以及三者之間的組合關(guān)系。連長(zhǎng)江等[7]通過(guò)運(yùn)用軟土雙層地基模型的線彈性有限元程序,對(duì)不同類(lèi)型水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降的計(jì)算和分析,得出了水泥土攪拌樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則,他們認(rèn)為,在軟土地基進(jìn)行水泥土攪拌樁加固時(shí),如果經(jīng)濟(jì)投入相同,采用“短而密”的復(fù)合地基較“長(zhǎng)而稀”的復(fù)合地基的加固效果好,采用“軟而密”的復(fù)合地基較“硬而稀”的復(fù)合地基的加固效果好,變徑樁復(fù)合地基較等徑樁復(fù)合地基的加固效果好,變摻量復(fù)合地基較等摻量復(fù)合地基的加固效果好。

4 水泥土樁復(fù)合地基研究展望

水泥土樁復(fù)合地基在理論研究方面落后于工程實(shí)踐,從發(fā)展趨勢(shì)看,應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算理論的研究,如:各類(lèi)復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理、荷載作用下應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的分布特性;各類(lèi)復(fù)合地基承載力、沉降計(jì)算方法及計(jì)算系數(shù)的確定;復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論等。另外,鑒于巖土工程本身的特殊性和復(fù)雜性,應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合地基的數(shù)值計(jì)算分析。將宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)相結(jié)合,充分考慮土結(jié)構(gòu)的影響將是復(fù)合地基研究的一個(gè)方向。

[1]龔曉南.地基處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]邵蔚霞,陶有強(qiáng),曹永瑯.水泥攪拌樁復(fù)合地基的工程特性探討[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(6):73-78.

[3]韓 煊,李 寧.復(fù)合地基中群樁相互作用機(jī)理的數(shù)值試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),1999,32(4):75-80.

[4]竇遠(yuǎn)明,戴為民,劉曉立,等.柔性荷載作用下水泥土樁復(fù)合地基的承載力與沉降特性的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,30(1):80-83.

[5]劉和元,劉松玉.超長(zhǎng)水泥土攪拌樁復(fù)合地基性狀研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),1999,29(2):63-69.

[6]葉觀寶,陳望春,徐 超,等.水泥土添加劑的室內(nèi)試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,19(5):12-17.

[7]連長(zhǎng)江,周振國(guó),張孝華.水泥土攪拌樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海地質(zhì),1998(4):33-37.

[8]胡志東.水泥攪拌樁在建筑工程軟基處理中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,33(13):123-124.