麦秸秆石灰桩加固既有村镇房屋地基基础室内模型试验研究

周 戟，郭 蓉，赵宣朝，窦远明

（河北工业大学 土木工程学院，天津 300401）

0 引言

我国目前居住在农村的人口占总人口的67%，广大农村地区的住宅多数为低矮房屋，这些房屋结构简单，地质条件各式各样，一般都未地质勘查和设计．并且由于安全和防灾意识淡薄，存在大量建于山坡、河滩、回填土等软弱不均的地基土上的建筑，还有大批建造于湿陷性黄土、膨胀土、冻土等特殊地基土上的建筑，这些村镇建筑建筑多出现地基基础不均匀沉降或沉降过大，给村镇建筑带来很大不良影响．

村镇建筑拆建费用较高，以及对正常生活秩序的影响等问题，使人们更多的关注村镇房屋的加固改造上来．但《既有建筑地基基础加固技术规范》中的加固方法多是针对城镇建筑，而在村镇低矮房屋中盲目套用现有加固方法，造成设计不合理，施工复杂，费用较高，并不符合当前我国广大农村的经济条件．本文在总结已有加固方法和前人相关试验[1-4]基础上设置麦秸秆石灰桩[5]的加固方法．

1 试验设计

1.1 试验装置

模型试验的总装置如图1所示，整个试验在模型箱内进行，采用机械千斤顶加载通过条形钢板模拟条形基础施加条形荷载，反力梁提供反力，通过力传感器读取施加荷载大小；在土体设计位置埋设压力盒，并通过静态应变仪和计算机数据采集系统读取压力盒数据．

模型箱采用普通钢板焊接加工而成，长、宽、高净尺寸为190 cm、110 cm、150 cm，钢板厚3 mm．试验箱体正立面部分采用10mm厚的有机玻璃板制成，其主要目的是在试验过程中可以通过透明的有机玻璃直观的观测到地基土体的变化．

试验所用基础模型为槽型钢加工而成，为保证槽钢有足够的抗弯刚度，在凹槽内每隔20 cm焊接L50×5角钢作为加劲肋．加工后的槽型钢作为条形基础模型，基础的长、宽、高分别为100cm、20cm、6cm．加载时为方便在放置千斤顶，在槽钢中央放置一个直径35cm、厚2.5 cm的圆形钢板．

图1 模型试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of model test device

1.2 模型地基用土

根据对北京、天津、河北以及河南等地区村镇调研资料，并结合村镇房屋浅层地基密度，设定模型地基土密度为1.80g/cm3，含水量设定为16%．地基土料按容重法填入，每层铺设厚度为100mm，用特制的捣实器按照某种次序夯实，以保证每层土的密实度基本相同．静置1 d充分固结后，取土样做土工试验，得到其基本物理力学指标，见表1．

表1 试验模拟地基土的基本物理性质指标Tab.1 Basic physics of foundation soil indicators

另外，在钢化玻璃边每100mm厚撒布不同颜色的粉末，铺成薄层，在试验时以观察地基土的变形情况．

1.3 模型桩材料

桩体材料采用麦秸秆、石灰和土，比例为0.25%∶8%∶1．

麦秸秆：麦秸秆取自于邯郸市复兴区，人工收割，整根长50～70cm，每根4～5个茎节，直径2～3mm之间，麦秸秆壁厚0.498～0.665 mm．选择顺直一致、粗细均匀、且无破裂折断的麦秸秆，将其剪为试验所需的长度．由于麦秸秆中层和内层的主要成分是木素和纤维素，且组织疏松，具有较强的吸水性能，在地基中很容易吸水分解，并受到腐蚀，所以麦秸秆耐久性处理很重要．可以将麦秸秆浸泡在清漆、沥青和胶等憎水性溶剂中，本次试验采用清漆防腐．

石灰：石灰采用天津双口镇灰粉厂生产的消石灰，有效氧化钙、镁含量为56.2%，符合三级石灰标准．

土：桩身所用土取自天津市宁河某建筑工地基坑内，通过轻型击实试验确定其最佳干密度为1.7 g/cm3，最优含水量为22%．

图2 模型桩加固地基土平面布置图Fig.2 Layout plan of model piles

2 试验方案

根据模型试验内容以及试验装置条件，本试验共2个试验：试验一，素填土条形基础加载试验；试验二，麦秸秆石灰桩条形基础两侧加固的加载试验．

2.1 桩布置

2.2 加载方案[6-7]

试验加载依据《建筑地基基础设计规范GB50007-2002》附录C浅层平板载荷试验要点执行．分级加载，每级加载10 kPa，即2 kN．

2.3 观测方案[6-7]

在模型基础中间安装四个百分表，如图3所示．

图3 沉降观测点布置图Fig.3 Layout diagram of settlement observation points

图4 试验一地基土裂缝示意图Fig.4 Schematic plot of thefoundation soil fissureof test 1

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

1）试验一：在第7级荷载（14.0kN）时基础边缘出现一条细微横向裂缝，在第16级荷载（32.0kN）时，在基础左侧出现一条平行于基础的裂缝，在第21级荷载（42.0kN）时，在基础右侧出现一条平行于基础的裂缝，在第27级荷载（54.0kN）时，基础左右靠近边缘处又各出现两条较短裂缝．各条裂缝随着荷载的增加而不断扩展，试验加载完成后地基土表面的的裂缝情况如图4所示，基础两侧土体有轻微鼓起，边缘土体破碎．

通过有机玻璃观测白粉线的变化，可连续观测到基础下方地基土随荷载增加的变形情况，如图5所示．

2）试验二：本次试验加载过程中地基表层土并未出现平行于基础的裂缝，只是出现了几条垂直于基础的细微裂纹．在试验后期，模型箱出现鼓胀变形现象，为防止模型箱变形破坏以及考虑对试验的影响，试验在第38级荷载（76.0 kN）后终止，所以该组试验未加载至地基土体破坏阶段．本次试验在前32级荷载时，基础沉降量较小，透过有机玻璃板观测铺设的白粉线无明显位移，在施加第33级荷载（66.0 kN）后，基础单级荷载沉降量明显增大，并且在基础下方0.5范围内出现两条剪切破坏带，一条与水平方向呈45°，另一条呈60°，加载完成后地基土变形观测如图6所示．

图5 试验一地基土变形观测曲线Fig.5 Thedeformation observation curve of foundation soil test 1

图6 试验二地基土变形观测曲线Fig.6 Thedeformation observation curve of foundation soil test 2

由图中观察可知，基础压缩变形几乎全部集中于基础板模型正下方，其两侧的白粉线没有明显变化，说明模型桩体将基础板模型正下方土体的变形限制在其内部，并且地基土的竖向变形深度主要在基础下方2范围内，即上部荷载传递的压力主要由该深度范围的土体承受．土体沉降变形在基础正下方同一深度上分布较均匀，随深度的增加而减小．

试验结束后，挖出基础下方的土体，并把麦秸秆石灰桩桩体显露出来（如图7所示），观察桩身情况可知，桩身坚硬，抗剪和抗压强度大大高于地基土体；桩周土较普通地基土坚硬，形成一层坚硬致密的胶结层，不易挖出，并与桩体胶结在一起形成直径大于麦秸秆石灰桩桩体本身的桩体结构（如图8所示）；大部分麦秸秆石灰桩1范围内有鼓胀，在1.25深度（约250mm）出现剪切变形（如图9所示），在剪切变形部位，对称的两桩间距由原来的240 mm变为290 mm．

通过对试验一和试验二完成后试验现象中的地基土裂缝、白粉线变形和基础下方地基土剪切破坏带的对比可知，在基础两侧设置麦秸秆石灰桩加固后的地基，地基土的沉降变形主要集中在模型桩及桩体内侧区域，且相同荷载作用下，相同位置白粉线的位移要明显小于未加固的地基，说明桩体将地基土的压缩变形约束在桩体内侧，而且能够有效的限制土体的侧向变形；在地基土表层只出现细微的垂直于与基础的裂缝，并且未出现与基础平行的裂缝，说明桩体能够使滑动面不能贯穿桩身，阻止其与地基土表层形成整体，使得地基推迟破坏，能够麦秸秆石灰桩能够起到加固作用．

3.2 荷载-沉降曲线

2组试验所得荷载沉降曲线如图10所示．

从图10可以看出在荷载不大时，两次试验的沉降量接近，都处于基底地基土压缩过程，p-s曲线都呈直线段．随着荷载的增大，试验二的沉降量明显小于其未加固试验的沉降量，并且在一定荷载时，沉降量增长缓慢，趋于平行于P轴的水平线．两次试验的承载力特征值和最终沉降量见表2.

图7 成桩情况Fig.7 Thepile-forming of pile

图8 麦秸秆石灰桩桩体与桩周土胶结Fig.8 Pilecement with thesoil around pile

图9 麦秸秆石灰桩剪切变形Fig.9 Theshear deformation of wheatstraw-limepile

表2 两组试验承载力特征值、最终沉降量对比Tab.2 Characteristic value of subgrade bearing capacityand thefinal settlement of two test

经麦秸秆石灰桩加固后的地基承载力提高31%，并且比例界限明显提高；两次试验在施加了300 kPa荷载后，试验一的沉降量为28.04 mm，试验二的沉降量为11.35 mm，试验二的沉降量约为试验一的40%；同时试验二的地基在施加了终止荷载380kPa后，沉降量为17.81mm也小于试验一的最终沉降量，说明经过麦秸秆石灰桩加固后的地基沉降量明显减小．同时，加固后地基还会经过一段比弹性变形阶段小的桩身剪切变形阶段（图10），也使加固后的地基安全储备更高一些．

3.3 麦秸秆石灰桩加固机理

通过综合分析，总结麦秸秆石灰桩加固机理主要有以下两方面．

1）约束作用

约束作用是麦秸秆石灰桩条形基础两侧布置加固机理的主导因素．地基在受压过程中会将一部分地基土向外侧挤出，通过桩与地基土的摩擦可以限制桩身内侧的土体向桩外侧移动，就像把地基土限制在一个容器中，使地基变形主要变为了局部土体压缩，只有在局部空间内土的剪力超过桩土摩擦阻力的时候，才能将土挤到桩外侧区域，改变了地基土正常的破坏面形成发展，其约束作用主要取决于桩身的抗剪强度．通过在条形基础两侧布置麦秸秆石灰桩限制了应力向桩外侧扩散，使得一部分荷载传递到更深的土层，从而减小了地基沉降量，地基承载力也得到了提高．

2）阻隔作用

麦秸秆石灰桩相对于地基土具有较高的刚度以及抗剪强度，当桩穿过地基固有的滑动圆弧时就能够阻止地基破坏弧面正常出现，阻断破坏面的形成，改变地基的破坏形式，推迟地基破坏，从而提高地基的承载力．

图10 2组试验p-s曲线对比Fig.10 Load-settlement curveof thethreetests

4 结论与建议

1）麦秸秆石灰桩加固地基可以有效阻止裂缝扩展，改变地表裂缝发展形式；

2）经过麦秸秆石灰桩加固后的地基承载力特征值能提高31%，基础沉降量明显减小，并且加固后地基还会经过一段比弹性变形阶段小的桩身剪切变形阶段，也使加固后的地基安全储备更高一些；

3）麦秸秆石灰桩在条形基础两侧布置主要的作用是抗剪强度较高的桩体与桩周土共同作用对桩体内侧地基土形成侧向约束，限制土体的侧向挤出位移；并且抗剪强度较高的桩体阻止滑动面穿过桩身，使得滑动面不能向桩外侧发展，推迟地基破坏．

[1]张永钧，叶书麟．既有建筑地基基础加固工程实例应用手册 [M]．北京：中国建筑工业出版社，2002．

[2]M Shimizu，Reinforceing of soil ground withthin vertical wall，earth Reinforcement Practice，Balkema，Rotterdam，1992，683-688．

[3]Salencon Jean．Theinfluenceof confinement onthebearingcapacity of strip footings[J]．Comptes Rendus Mécanique，2002，330（5）：319-326．

[4]高永涛，曲兆军，王孝存．竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 [J]．北京科技大学学报，2008，30（4）：349-353．

[5]李敏，柴寿喜，魏丽．麦秸秆的力学性能及加筋滨海盐渍土的抗压强度研究 [J]．工程地质学报，2009，17（4）：545-549．

[6]GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2002．

[7]JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2002．