孟慶宏

(中川鐵路有限公司，蘭州　730000)

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水泥攪拌飽和黃土復合地基樁土荷載分擔研究

孟慶宏

(中川鐵路有限公司，蘭州730000)

摘要：蘭州至中川機場城際鐵路工程沿線大多地段屬于飽和黃土地基，承載力低，壓縮性大，無法滿足設計要求，采取水泥土攪拌樁復合地基進行加固，通過現(xiàn)場實測路堤荷載及剛性承載板下水泥土攪拌樁復合地基中樁土荷載分擔情況。結果表明：隨著路堤填筑高度及時間的增加，樁體、樁間土的應力都增大，樁體的應力大于樁間土的應力；相同的路堤填土荷載下，二灰摻量16%的復合地基中最大樁頂應力272.5 kPa，對應樁間土應力45.5 kPa；二灰摻量12%的最大樁頂應力166.3 kPa，對應樁間土應力為69.3 kPa。隨著二灰摻入量的增加，路堤荷載下水泥土攪拌樁復合地基樁土應力比增大，二灰摻量16%時的最大樁土應力比為5.57，是二灰摻量為12%的2.34倍；剛性基礎下樁土應力比隨荷載的變化呈現(xiàn)出凸單峰曲線。復合地基中樁體應力集中系數(shù)的值隨著荷載的增加而逐漸增大，樁間土應力減小系數(shù)隨著荷載的增加而減小。

關鍵詞：水泥土攪拌樁；飽和黃土；路堤荷載；現(xiàn)場測試；樁土應力比

1概述

黃土是指第四紀以來在半干旱、干旱地區(qū)陸相沉積的特殊土，以粉粒為主，富含鈣質的粉土或粉質黏土。我國黃土分布占全國陸地面積的6.1%左右，主要分布在我國的西北平原和華北平原。大多黃土天然含水率低，干燥時比較堅固，承載力較高，遇水容易受到侵蝕。當含水率增加、飽和度大于80%時，形成飽和黃土，具有含水率高、壓縮性大、抗剪強度低等不良工程特性[1-2]。飽和黃土地基承載力低、變形大，無法滿足工程要求，需進行地基處理，常把飽和黃土地基按軟弱地基來對待[3]。

采用水泥和粉煤灰作為固化劑加固飽和黃土地基，形成水泥攪拌飽和黃土復合地基，相比天然地基，應力場和位移場均發(fā)生了較大的變化。在外荷載作用下，樁體與樁間土共同承擔上部荷載[5]。樁土應力比，即樁頂平均應力與樁間土平均應力的比值，反映了復合地基中樁體和樁間土共同承擔上部荷載時的分擔比例。水泥土攪拌樁復合地基中樁土應力比的研究主要有以下3方面：①室內模型試驗[6]，研究不同基礎剛度下樁土應力比的變化規(guī)律；②通過現(xiàn)場實測[7-14]分析剛性承載板下及路堤荷載下水泥土攪拌樁復合地基的樁土應力比變化規(guī)律；③通過數(shù)值模擬[15]不同條件下復合地基的工作性狀以及各因素之間的相互影響，并與實測結果對比。由于樁土應力比的影響因素復雜，且現(xiàn)行有關規(guī)范中都涉及地區(qū)經(jīng)驗，因此進行路堤下復合地基樁土應力比現(xiàn)場試驗研究是十分必要的。

目前，我國學者對黃土的改良和加固已進行了長期研究，但是，對于飽和黃土地基的處理，尤其是采用水泥粉煤灰攪拌樁加固飽和黃土地基的研究還較少，缺乏地區(qū)經(jīng)驗。本文結合蘭州至中川機場城際鐵路工程，選用水泥粉煤灰攪拌樁加固飽和黃土地基。本文通過現(xiàn)場實測路堤荷載及剛性承載板下水泥土攪拌樁復合地基樁頂、樁間土應力，分析樁土應力比的變化規(guī)律，探討飽和黃土場地水泥土攪拌樁復合地基的受力特性及樁土荷載分擔情況，為該地區(qū)水泥土攪拌樁加固飽和黃土地基設計及分析計算積累地區(qū)經(jīng)驗。

2試驗路段概況

實測工作所在的試驗段位于蘭州至中川機場城際鐵路某一標段，里程DK48+025.78～DK49+991.00，共長1 965.22 m。該段路基位于蘭州市永登縣樹屏鎮(zhèn)，根據(jù)地質調查、鉆孔揭示，工程涉及的主要地層為：分布于表層的第四系全新統(tǒng)人工填筑土、砂質黃土，分布于黃土層以下的第四系全新統(tǒng)粉砂、細砂、中砂、粗砂、砂礫以及第三系中心統(tǒng)泥巖夾砂層。工點范圍內的地表水主要為堿溝溝水，水量較小。根據(jù)鉆孔DZ-832附近地表水質分析報告，對混凝土結構具有硫酸鹽、氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級為H2、L1。地下水位第四系潛水，水位埋深2～10 m。

根據(jù)靜力觸探成果及土工試驗報告分析，工點范圍內分布著飽和黃土，靜力觸探貫入阻力Ps多為336～505 kPa，地基土基本承載力為43～62 kPa。很顯然，該段飽和黃土地基承載力及沉降量不能滿足設計要求，對其進行加固處理。選用水泥土攪拌樁對飽和黃土地基進行加固處理，形成水泥粉煤灰攪拌飽和黃土樁體復合地基。設計的水泥土攪拌樁基本資料見表1，攪拌樁所用的固化劑為水泥與粉煤灰的混合料，以下簡稱“二灰”。

表1　水泥土攪拌樁基本資料

3試驗儀器埋設及測試過程

3.1儀器的選擇與埋設

選擇的儀器是由長沙金碼科技實業(yè)有限公司生產的型號為JMZX-5003A的振弦式土壓力盒。量程為1.0 MPa的大量程土壓力盒24個，埋設于樁頂；量程為0.3 MPa的小量程土壓力盒44個，埋設于樁間土，共計埋設土壓力盒68個。

在路堤填筑之前，將土壓力盒埋設于樁頂、樁間土的表面。二灰摻量為12%、16%、20%的試驗段各選2個斷面埋設土壓力盒。每個斷面路基中心處選取2根樁進行量測。取樁頂土壓力盒所測應力的平均值作為樁頂應力，取四周土壓力盒所測應力的平均值作為樁間土應力。土壓力盒的埋設情況如圖1、圖2所示，土壓力盒的埋設位置見表2。

圖1　試驗組1土壓力盒的埋設示意

圖2　試驗組2土壓力盒的埋設示意

二灰摻量/%試驗分組里程樁頂土壓力盒埋設樁周土土壓力盒埋設12試驗組1K48+4604個8個12試驗組2K48+4804個6個16試驗組1K48+7804個8個16試驗組2K48+8104個6個20試驗組1K48+5504個8個20試驗組2K48+5704個6個

3.2測試過程

3.2.1測試方法

測試期間，按照“開始施工→一層路堤填筑完畢→8～10 h后測讀數(shù)據(jù)→下一層路堤開始填筑”這樣的過程進行測試。保證數(shù)據(jù)的采集在一定程度上與施工過程保持一致，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。整個測試期間每天測讀1次數(shù)據(jù)，共歷時11 個月。

3.2.2測試中需要注意的問題

(1)路堤填筑初期，土壓力盒的上部覆土很少，為了避免機械對其產生不利的影響，采取以下措施：待墊層底層施工完成后，挖開墊層埋設土壓力盒，人工夯實上部填土。墊層施工第二層時，壓路機通過埋設有土壓力盒的斷面時靜止振動碾壓，只允許靜壓。

(2)如果在測試期間出現(xiàn)土壓力盒失效的情況，土壓力盒損壞或超出土壓力盒的量程及測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)處理時應該將這些數(shù)據(jù)剔除。

4樁土荷載分擔測試結果分析

在上部結構荷載作用下，水泥攪拌飽和黃土復合地基中樁體與樁間土各自荷載分擔情況直接關系復合地基承載性能，關系兩者承載能力的發(fā)揮。影響樁體與樁周土體荷載分擔的因素主要是試驗中土體的性質、樁體的布置、幾何尺寸、不同二灰摻量下樁體強度、填土荷載以及各級荷載的間歇時間(固結時間)。分析中以路堤的填筑高度來反應荷載的大小。

4.1實測路堤荷載下樁頂及樁間土應力的變化規(guī)律

4.1.1相同二灰摻量下樁頂及樁間土應力隨路堤填筑高度及時間的變化

本次試驗對二灰摻量12%的復合地基做了2組試驗，試驗組1里程為DK48+460 m，試驗組2里程為DK48+480 m，2組試驗中樁體、樁間土應力與路堤填筑高度的變化規(guī)律基本一致，故以試驗組1為例，分析樁體、樁間土荷載分擔與路堤填筑高度及時間的關系。測試結果如圖3所示。

圖3　樁頂、樁間土應力與路堤填筑時間及高度的關系

由圖3(a)可以看出，路堤的填筑時間主要集中在2014年7月13日到2014年7月29日和2014年11月13日到2014年12月10日，2014年12月11日開始，基床表層鋪設60 cm厚的碎石。路堤分層填筑，每層厚度50 cm，填筑完成后碾壓達到規(guī)定的壓實度，并且修理邊坡。圖3(b)可以看出，在施工期間，樁體、樁間土的應力都隨著路堤填筑高度的增加而增大。由于樁體的強度、剛度均大于樁間土的，故樁體的應力大于樁間土的應力。

由圖3可以看出，從2014年7月29日到2014年11月13日，路堤的填筑高度并沒有發(fā)生變化。但是，樁體與樁間土分擔的荷載有一定的變化?？梢钥吹?，2014年8月27日，樁體和樁間土的應力都增大，這是由于將修理邊坡后的大量土堆積在路堤的中央，造成樁體與樁間土應力增大。11月10日拉走堆土，樁體、樁間土的應力減小。在路堤堆土期間，樁體、樁間土的應力都呈現(xiàn)出減小的趨勢，但并不明顯。2014年11月11日到2014年12月10日，路堤又開始填筑，填筑高度至590 cm； 12月11日開始，基床表層鋪墊60 cm厚的碎石，在這期間，樁體、樁間土的應力都隨路堤填筑高度的增加而增大。2015年1月23日，路堤填筑完成，地基處于固結沉降階段，樁頂、樁間土應力基本不變，趨于穩(wěn)定。整個試驗期間，樁體所分擔的荷載最大值為166.3 kPa，樁間土承擔最大荷載為69.3 kPa。

在路堤填筑初期，上部荷載通過墊層均勻地傳遞到樁體和樁間土上，樁體、樁間土分擔的荷載都較小，且差別不大，基本同步增大。隨著路堤填筑高度的增加，樁體剛性大的優(yōu)勢得到發(fā)揮，分擔的荷載量增大，應力逐漸向樁體集中。

4.1.2不同二灰摻量下樁頂、樁間土應力隨路堤填筑高度的變化

二灰摻量分別為12%、16%，不同里程斷面樁頂、樁間土應力隨路堤填筑高度的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，不同的里程斷面處，路堤的填筑高度隨時間的變化不同，對應的樁頂、樁間土平均應力隨時間變化也不同。二灰摻量16%的復合地基中最大樁頂應力272.5 kPa，對應樁間土應力45.5 kPa。二灰摻量12%的最大樁頂應力166.3 kPa，對應樁間土應力為69.3 kPa。可見，二灰摻量16%的復合地基中最大樁頂應力是二灰摻量12%的1.64倍，這是由于不同二灰摻量下的水泥土攪拌樁強度、剛度不同造成的。

圖4　不同二灰摻量下樁頂及樁間土平均應力與路堤填筑高度的關系

采用與現(xiàn)場試驗段相同的原位土、水泥、粉煤灰做室內水泥粉煤灰攪拌土無側限抗壓強度試驗，二灰摻量16%的水泥土試塊90 d齡期無側限抗壓強度為3.19 MPa，是二灰摻量12%的1.34倍[16]。

分析以上實測結果可知，水泥土攪拌樁復合地基中由樁體和樁間土共同承擔上部荷載；由于樁體的強度、剛度均大于樁間土的，所以樁體分擔的荷載也明顯大于樁間土分擔的荷載。二灰摻量增加，水泥土攪拌樁強度、剛度增大，樁頂應力集中表現(xiàn)的越明顯，樁體分擔的荷載增加，樁間土分擔的荷載減小。

4.2路堤荷載下樁土應力比的分析

水泥攪拌飽和黃土復合地基，受力情況復雜，影響因素多，理論計算難度大，因此，通過現(xiàn)場實測來分析水泥攪拌飽和黃土復合地基中樁土應力比的變化規(guī)律。不同二灰摻量下樁土應力比隨路堤填筑高度的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可以看出， 二灰摻量16%的復合地基，在路堤填筑初期，樁土承擔的荷載相差不大，樁土應力比較小；隨著填土荷載增大，樁土應力比增大。2014年12月11日，路堤填筑完成，此時樁土應力比為4.93，2014年12月12日到2015年6月8日，路堤處于固結沉降階段，樁土應力比緩慢增加，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為5.99。樁土應力比的穩(wěn)定值范圍為4.93～5.99，平均值為5.46，說明該場地中樁、土能夠較好的配合，達到復合地基中共同承擔上部荷載的目的。蘭州到中川機場鐵路工程采用二灰摻量為16%加固飽和黃土地基，有較好的技術經(jīng)濟效益。

圖5　不同二灰摻量下樁土應力比隨路堤填筑高度的變化

二灰摻量為12%的復合地基，路堤填筑完成時樁土應力比為2.28；路基固結沉降階段，樁土應力比緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為2.39，明顯小于二灰摻量16%的復合地基。這是因為隨著二灰摻量的增加，水泥土攪拌樁強度及剛度增加，樁體分擔的上部荷載增大，而樁間土分擔的上部荷載逐漸減小，樁土應力比逐漸增大。樁土應力比為現(xiàn)場實測所得，其值受不同斷面土質、含水率、樁體模量等各種因素的影響。

4.3柔、剛性基礎下樁土應力比分析

為了對比探討不同基礎剛度下樁土應力比隨荷載的變化規(guī)律，在試驗段附近選取工點進行單樁復合地基靜載荷試驗。采取與路堤荷載下相同的方式埋設土壓力盒，測試樁頂、樁間土應力，從而計算出樁土應力比，以二灰摻量12%為例，分析樁土應力比隨荷載的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6　剛性載荷板下樁土應力比與荷載的關系

由圖6可以看出，二灰摻量12%的水泥土攪拌樁復合地基，樁土應力比隨著荷載的增加而增大，達到峰值荷載后，樁土應力比開始減小，峰值荷載為400 kPa，對應樁土應力比為12.15。

對比路堤荷載下二灰摻量為12%的復合地基中樁土應力比與荷載的關系可以發(fā)現(xiàn)：路堤填筑初期，高度為1.25 m，對應荷載為25 kPa時，路堤下復合地基中樁土應力比為0.95，而靜載荷試驗中樁土應力比達到2.86?？梢?，荷載較小時，柔性基礎下復合地基中樁體、樁間土荷載分擔差異不大，樁土應力比接近于1。路堤填筑完成時高度達到6.5 m，對應荷載為130 kPa，路堤下復合地基中樁土應力比為2.39，而靜載荷試驗中樁土應力比達到7.08?？梢?，相同荷載下，靜載荷試驗中樁土應力比明顯大于路堤荷載下復合地基中樁土應力比。

路堤荷載作用下和剛性承載板下的樁土應力比與荷載的關系曲線有明顯的不同，分析其差異產生的原因如下。①基礎剛度的影響：單樁復合地基靜荷載試驗中，剛性承載板迫使樁頂與樁間土發(fā)生相同的沉降，大部分荷載向樁頂集中，隨著荷載的增大，樁體分擔的荷載增大，達到峰值荷載后繼續(xù)增大荷載，樁頭開始破壞，承載力降低，荷載向樁間土轉移，曲線呈現(xiàn)出凸單峰曲線。柔性基礎下樁頂有向上刺入的余地，樁間土相對樁體有向下的位移，產生負摩阻力，樁體與樁間土之間存在差異沉降，上部荷載需要通過一定的時間才能轉移到樁間土。②荷載大小的影響：在剛性承載板下，荷載較小時，基底應力分布接近于彈性理論解，隨著荷載的增大，基底應力呈現(xiàn)出馬鞍形。路堤荷載下，基礎可以適應地基的變形，基底應力的分布與作用在基礎上的荷載分布完全一致，可認為是與路堤的外形輪廓相同，其大小等于各點以上的土柱重力。

4.4樁體的應力集中系數(shù)與樁間土的應力減小系數(shù)

復合地基中，樁體的存在使得樁間土平均應力減小，為了反應樁間土的應力減小程度，用樁間土應力減小系數(shù)μs或樁體應力集中系數(shù)μp來描述。該系數(shù)是采用樁身模量法或應力修正法計算復合地基沉降的重要指標。樁間土平均應力σs與復合地基平均應力σ之比稱為樁間土應力減小系數(shù)，即μs=σs/σ。樁頂平均應力σp與復合地基平均應力σ之比稱為樁頂應力集中系數(shù)μp，即μp=σp/σ。以二灰摻量16%的2號斷面為例，將路堤填土高度換算為荷載，繪制路堤下復合地基中樁體應力集中系數(shù)和樁間土應力減小系數(shù)與荷載的關系曲線如圖7、圖8所示。

圖7　樁體應力集中系數(shù)與荷載的關系

圖8　樁間土應力減小系數(shù)與荷載的關系

圖7、圖8可以看出，隨著荷載的增加，樁體應力集中系數(shù)μp的值逐漸增大，路堤填筑完成時荷載達到130 kPa，樁體應力集中系數(shù)為2.81。樁間土應力減小系數(shù)μs的變化規(guī)律與樁體應力集中系數(shù)的變化規(guī)律相反，隨著荷載的增大逐漸減小，路堤達到填筑高度時最小值為0.72。上述過程說明復合地基的荷載逐漸向樁體轉移，體現(xiàn)了水泥土攪拌樁的作用。

5結論

(1)水泥攪拌飽和黃土復合地基在路堤填筑過程中，隨著路堤填筑高度及時間的增加，樁體、樁間土的應力都增大，樁體分擔的應力大于樁間土分擔的應力。二灰摻量12%時，路堤達到填筑高度時，樁體所分擔的荷載最大值為166.3 kPa，樁間土承擔最大荷載為69.3 kPa。

(2)在相同的路堤填土荷載下，不同二灰摻量的水泥土攪拌樁復合地基中樁體、樁間土分擔的應力是不同的。二灰摻量16%的復合地基中最大樁頂應力272.5 kPa，對應樁間土應力45.5 kPa；是二灰摻量12%的最大樁頂應力的1.64倍，對應樁間土應力的0.65倍。

(3)隨著二灰摻入量的增加，水泥土攪拌樁的強度、剛度增大，路堤荷載下水泥土攪拌樁復合地基樁土應力比增大。二灰摻量16%時的最大樁土應力比為5.99，二灰摻量12%時的最大樁土應力比為2.39。

(4)單樁復合地基載荷試驗表明，剛性基礎下水泥土攪拌樁復合地基樁土應力比與荷載的變化關系呈現(xiàn)出凸單峰曲線。峰值荷載以前，樁土應力比隨著荷載的增加而增大，達到峰值荷載后，繼續(xù)增加荷載，樁土應力比減小。

(5)隨著荷載的增加，樁體應力集中系數(shù)μp逐漸增大，樁間土應力減小系數(shù)μs逐漸減小。路堤填筑完成時荷載達到130 kPa，樁體應力集中系數(shù)為2.81，樁間土應力減小系數(shù)μs為0.72。

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Research on Load Share among Piles and Soil of Cement-soil Mixed Saturated Loess Composite Foundation

MENG Qing-hong

(Zhongchuan Railway Co.， Ltd.， Lanzhou 730000, China)

Abstract：Most sections along the Lanzhou-Zhongchuan Intercity Railway are located in saturated loess with low bearing capacity and high compressibility， which can hardly meet the design requirements. Soil-cement mixed pile composite foundation is applied and site tests are carried out to measure the embankment load and the stress of the pile and soil in soil-cement mixing pile composite foundation under the rigid load plate and to analyze the situation of load share among piles and soil. The results show that: with the increase of embankment filling height and time， the stress of pile and soil between piles increases， the stress of the pile is greater than that of the soil between them; under the same embankment fill load， the maximum pile stress of the composite foundation is 272.5 kPa with 16% admixture of two ashes and 45.5 kPa corresponding soil stress between piles; the maximum pile top stress of the composite foundation is 166.3 kPa with 12% admixture of two ashes and 69.3 kPa corresponding soil stress between piles. With the increase of two ashes， the pile soil stress ratio of soil-cement mixed pile composite foundation under the embankment load increases， when the two ashes admixture reaches 16%， the maximum pile-soil stress ratio is 5.57， which is 2.34 times of 12% two ashes admixture. Pile-soil stress ratio under rigid foundation presents a convex unimodal curve along with the change of load. The value of the pile stress concentration factor of the composite foundation increases with the increase of load， and the soil stress (between piles) reduction coefficient decreases with the increase of load．

Key words：Soil-cement mixing pile; Saturated loess; Embankment load; In-situ test; Pile soil stress ratio

文章編號：1004-2954(2016)05-0005-06

收稿日期：2015-07-23； 修回日期：2015-10-31

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2013G009-N)

作者簡介：孟慶宏(1964—)，男，高級工程師，E-mail：yangyh@mail.lzjtu.cn。

中圖分類號：U213.1+5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.002