牙四公路路基水泥搅拌桩承载力影响因素研究

张宏祥王捷

(东北林业大学 土木工程学院,哈尔滨150040)

0 引言

近年来,随着经济的高速增长及“一带一路”带来的发展机遇,中国的基础设施建设规模有了显著的提高。无论公路铁路还是港区堆场,都不可避免地会遇到软弱地基的处理加固问题。水泥土搅拌桩是一种利用特殊的深层搅拌机械将固化剂水泥和土体强制搅拌在一起,从而起到加固地基作用的桩体,其在施工时无震动、无噪声、无污染且造价低,因此得到了广泛的应用。由于施工时采用的配合比、养护时间以及地质条件的不同,水泥搅拌桩的承载特性也不尽相同。

在有关水泥搅拌桩承载力影响因素的研究方面,赵利平等[1]通过对钻孔附近的静载试验数据进行分析,发现减小地基沉降需要进行设计变更时,需优先考虑改变桩间距,其次调整褥垫层厚度;马时冬[2]研究得出桩土应力比n与荷载P的关系;马克生等[3]通过对试桩做单桩和复合地基静载力载荷试验得出使用载荷下单桩复合地基的安全系数大于2;厉有轩[4]运用ANSYS有限元软件计算出水泥土搅拌桩复合地基承载力值,再通过计算公式和修正公式,进一步验证修正公式的精确性、合理性;郑斌[5]通过有限元分析法验证各土层的正应力和剪应力;李恩瀚[6]根据对加芯水泥搅拌桩的单桩破坏形式进行分析并得出了单桩破坏形式与单桩承载力关系,进而推算得出复合地基承载力的计算公式,但针对土样、当量配合比和养护龄期的条件分析和研究较少且不够全面。

笔者在前人研究的基础上,通过载荷试验与无侧限抗压试验,并运用有限元建模分析,对土样、配合比和龄期等影响水泥搅拌桩承载力的因素进行研究,该研究对试验条件的控制和优化及对指导水泥搅拌桩的施工具有重要意义。

1 工程简介

1.1 工程地质概况

本项目路段位于牙四公路新站至大安嫩江大桥段工程,距肇源县新站镇岔格岱村西侧约3.14 km,长度为712 m。设计为填土路基,一般路段路基最小填土高度应不低于1.6 m,全段路堤最大填土高度为8.7 m,路基边坡1∶1.5,路基顶面宽度为25.5 m,其中行车道4 m×3.75 m、硬路肩2 m×3 m、路缘带2 m×0.5 m、中央分隔带2.0 m、土路肩2 m×0.75 m。设计为填土路基,路段地貌单元为松嫩冲积平原,地表为防洪大坝内的鱼塘,水量较大,施工期间地表经人工回填平整,地形平坦。路段为软土路基,承载能力低,路基稳定性差,采用水泥搅拌桩复合地基为其加固。

1.2 工程概况及试验

为满足道路等基础设施使用要求,本试验桩径采用0.5 m,桩间距为1.5 m,桩布置方式为梅花正三角形,地基设计承载力特征值为120 kPa,最大试验荷载为500 kN。运用取芯法[7]和慢速维持荷载法[8]进行检测,如图1所示。

图1 试验钻机及试样Fig.1 Test rig and sample

取芯法是用钻机钻取芯样以检测桩长、桩身缺陷、桩身强度、均匀性和连续性,判定桩身质量的方法。水泥土搅拌桩成桩质量是评价施工后所形成的水泥土搅拌桩桩体强度、完整性和均匀性的指标。

2 试验结果及分析

2.1 室内试验结果及分析

现场试验钻机一共取了黑土、细砂、粉土和粉细砂4种土体,对每种土体分别做了当量配合比为55、60、65 kg的试块,分别养护7 d和28 d,然后进行无侧限抗压试验[9-11]。无侧限抗压试验条件如图2所示,试验结果见表1—表3。

图2 无侧限抗压试验Fig.2 Unconfined compression test

表1 当量配合比为55 kg试块试验数据汇总表Tab.1 55 kg of equivalent mix ratio test block test data summary table

表2 当量配合比为60 kg试块试验数据汇总表Tab.2 60 kg of equivalent mix ratio test block test data summary table

由表1—表3可以得出,3种当量配合比试块整体力峰值由大到小为:当量配合比为65 kg试块、当量配合比为60 kg试块、当量配合比为55 kg试块;当处于同一当量配合比和龄期情况下,力峰值由高到低排序为粉细砂、黑土、粉土、细砂;在同一当量配合比和土类情况下,土的力峰值随龄期的增长而增长。

表3 当量配合比为65 kg试块试验数据汇总表Tab.3 65 kg of equivalent mix ratio block test data summary table

2.2 载荷试验结果及分析

现场进行单桩竖向静载荷试验,采用慢速维持荷载法,按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)的有关规定进行。静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法,其除了考虑到地基土的支承能力,也计入了桩身材料强度对承载力的影响。现场横断面示意图如图3所示,平面示意图如图4所示。

图3 横断面示意图Fig.3 Cross-sectional diagram

图4 平面示意图(cm)Fig.4 Plane diagram(cm)

本文选取现场实验的1-1、1-2和1-3桩进行单桩承载力分析,并对3个桩采取有限元建模和计算,承载力情况见表4。

3 模型的建立与验证

本文采用国际大型通用有限元ABAQUS[12-16]软件进行建模和计算,建模时对实际工程进行了简化。三维有限元模型如图5所示,Z轴为深度方向且竖直向下为负。模型网格划分以八节点六面体单元(C3D8)为主,共划分单元25 404个、节点37 790个。模型底部约束为全部自由度,侧面约束为法向自由度。

表4 现场检测成果汇总表Tab.4 Summary of on-site test results

图5 水泥搅拌桩加固地基模型图Fig.5 Model drawing of foundation reinforced by cement mixing pile

土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,其参数少,容易获得,概念简单又能反映土的摩擦性材料的特性,该本构模型揭示了土与金属等材料的一个本质区别,抗剪强度与围压有关。桩体采用线弹性模型,参数取值见表5。

表5 模型参数Tab.5 Model parameters

因桩体与土体材料的刚度相差悬殊,因此在荷载作用下会表现出剪切脱离等不同于连续体的变形。本文依据库仑摩擦定律来模拟二者接触面之间的力学行为,法向设定为刚性接触,切向设定为摩擦接触,摩擦系数取值为tan(0.75φ)。

因模型存在接触,因此地应力平衡时采用导入ODB法[17-18]。平衡结果如图6所示。

根据现场试验的实际加载情况,模型中对群桩中的单桩进行加压,计算完毕后将桩顶端节点竖向应力的平均值作为桩顶端应力代表值,乘以桩横截面面积之后绘制荷载沉降曲线,如图7所示。

图6 地应力平衡结果Fig.6 Results of ground stress balance

图7 承载力曲线Fig.7 Bearing capacity curve

由图7可以看出,模型模拟的结果与实际试验结果较为吻合,表明本文模型是正确和适用的,限于篇幅,以下仅仅采用粉土对不同当量配合比和养护龄期进行模拟和对比,结果如图8—图9所示。

图8 不同当量配合比承载力曲线Fig.8 Bearing capacity curve of different equivalent mix ratio

图9 不同养护龄期承载力曲线Fig.9 Bearing capacity curve of different curing days

由图8可以看出,在一定范围内,当量配合比越大,水泥搅拌桩的承载力越高,并且在沉降初期承载力的差别不大,后期差异比较明显;由图9可以看出,养护时间越长,桩体的强度越大,最终桩体的承载力越高,并且养护7 d和15 d时的强度差异要大于养护15 d和28 d时的强度差异,表面水泥混凝土桩承载力随着养护龄期的增长有加速增长的趋势,因此在实际工程中要严格把控当量配合比和养护龄期。

4 结论

水泥搅拌桩广泛应用于各种工程,对其设计、配合比和施工工艺的要求也越来越高。水泥搅拌桩的承载力受到诸多因素的影响,本文采用室内试验和数值模拟的方法,对不同土体、养护的龄期和水泥掺入量3种条件下的承载力进行了分析研究,结论如下。

(1)其他条件一定时,粉细砂在无侧限加载条件下的峰值略高于黑土,并且优于粉土和细砂。

(2)在当量配合比处于55 ～65 kg时承载力随着配合比的增加而增加,并且增加的幅度大致一致。

(3)当养护龄期处于3～28 d时,承载力变化情况与养护龄期成正比,且其强度呈加速增长的状态。

(4)数值分析结果和试验结果较为吻合,并且能反映不同影响因素的变化规律,但是做了较多简化,后续还需要更进一步的分析。