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砼芯水泥土搅拌桩复合地基承载力试验研究

2015-07-15 102 0

引言
　　随着我国高等级公路、铁路以及机场的大力建设，解决软土承载力不足以及沉降过大的问题十分紧迫。在各种地基处理技术中，复合地基以其工艺简单、施工方便、加固效果好等优势，在地基处理中得到了广泛应用[1]。在形成复合地基的各种桩型中：水泥土搅拌桩的桩身材料强度低，达到承载力极限时一般在桩身上部发生破坏，沉降量也可观[2];而现浇薄壁管桩[3]以及广泛使用的灌注桩[4]，在达到极限荷载时桩周土体首先发生剪切破坏，而此时桩体强度还远远没有发挥，造成材料浪费。
　　砼芯水泥搅拌桩采用高弹模的预制砼芯作为受力核心，大表面积的水泥土搅拌桩外壳提供侧摩阻力，结合了刚性桩和柔性桩的优点，能够提供较高的承载力并有效减少沉降[5]。董平[5-6]等根据现场试验和有限元模拟，分析了砼芯水泥搅拌桩的荷载传递规律，并将单桩破坏模式分为砼芯压裂和桩周土体剪切破坏两种，提出了相应的计算公式。陈颖辉等[7]根据静载试验研究了含芯率和芯长比对承载力的影响，将单桩破坏分为渐进型和急进型两种类型，并提出了相应的单桩承载力计算公式。丁永君等[8]通过单桩静载试验发现，砼芯水泥搅拌桩的侧摩阻力要远大于水泥搅拌桩和钻孔灌注桩，有利于单桩承载力的提高。
　　现有的关于砼芯水泥搅拌桩的研究资料主要集中在单桩承载力方面，对于砼芯水泥搅拌桩复合地基承载性质研究较少，对其承载力机理的认识并不清楚。本文结合复合地基静载试验，进行了砼芯荷载传递规律、侧摩阻力分布特点以及桩土应力比测试。最后给出了砼芯水泥搅拌桩复合地基承载力计算公式。
　　1.工程概况
　　某绕城公路沿线穿越深厚软土分布段，在里程桩号K9+260～K9+310段路基中心处打设三根试验桩。其主要地层分述如下：① 0～1.6m：粘土，灰黄色，湿，可塑，含铁锰质结核及其浸染，杂蓝灰色条纹。②1.6～3.1m：粉质粘土，灰色，湿，可塑。③3.1～5.9m：粉质粘土，灰色，湿，流塑，混粉土，含云母碎片。④5.9～12.7m：淤泥质粘土，灰色，湿，流塑，含腐殖质和泥质结核，粒径2-3cm。⑤12.7～19.9m：粘土，灰色，湿，软塑，含腐殖质。⑥19.9～23.6m：粉质粘土，灰色，湿，可塑，土质均匀。
　　2.试验设计
试验目的
　　（1）确定砼芯水泥土搅拌桩单桩复合地基的竖向抗压极限承载力，研究承载力形成机理。
　　（2）确定不同荷载水平下地表土体、搅拌桩外壳与芯桩的荷载分布规，研究砼芯水泥土搅拌桩的沉降控制机理。
　　（3）研究砼芯水泥土搅拌桩单桩复合地基竖向荷载传递规律。
　　2.2 试验区域布置
　　试验采用边长1.4m的正方形混凝土荷载板，水泥搅拌桩直径500mm，桩长20m，水泥掺量为15%。砼芯为桩径200mm的预制方桩，桩长9m，采用4Φ14配筋和C30水泥。

试验区域土层物理力学性质如表1所示。
表1 土层物理力学性能指标

土层序号	层名	含水率 w（%）	密度（g/cm3）	饱和度Sr（%）	孔隙比e0	液限　　wL（%）	塑限　　wP（%）	粘聚力　　c（kPa）	内摩擦角 Φ（?）	压缩模量 Es0.1-0.2（MPa）
①	粘土	31.4	1.86	96.1	0.882	31.4	19.8	16.1	15.2	7.23
②	粉质粘土	37.7	1.79	93.2	1.092	32.8	20.1	11.6	15.4	4.53
③	粉质粘土	34.1	1.85	96.8	0.951	33.2	20.2	12.4	14.5	4.81
④	淤泥质粘土	35.9	1.83	95.0	1.02	33.7	21.5	10.2	17.5	3.12
⑤	粘土	30.8	1.89	94.7	0.878	30.7	19.1	13.8	16.9	4.74
⑥	粉质粘土	28.7	1.9	92.7	0.836	30.9	20.2	14.6	21	6.85

　　共设置3组试验桩，各试桩区的仪器埋设方法和数量相同。
　　（1）搅拌桩和桩周土表面各对称埋设两个土压力盒AT1～AT4，进行土压力和搅拌桩应力测试。
　　（2）砼芯内采用串联式预埋钢筋计AE1～AE18，埋设深度为0m、1.6m、3.1m、5.9m、7m以及9m，图2所示，进行砼芯应力测试。在0m、7m以及9m，每个深度对称埋设两个钢筋应力计，取其平均值作为最终读数。而1.5m、3.1m和5.9m属于土层交界面，为防止数据突变，界面上下共埋设四个钢筋计，同样取其平均值作为此深度处的轴力值。
　　2.3 试验方法
　　单桩复合地基静载试验步骤按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）附录A《复合地基载荷试验要点》进行。复合地基静载试验采用慢速维持荷载法。加载等级可分为8-12级。每加一级荷载前后均应各读记承压板沉降量一次，以后每半小时读记一次，当一小时内沉降量小于0.1mm时，即可加下一级荷载。
　　3.试验数据分析
　　3.1荷载-沉降分布特征
　　在整个加载过程中，复合地基沉降随荷载增大而发展平稳，对沉降控制效果明显。达到设计荷载时，沉降仅为4mm左右，小于桩直径的1%，说明高弹模砼芯的插入对沉降控制效果十分明显。
　　3.2荷载传递规律
　　随着深度增加，轴力呈直线状递减。这表明在刚性基础下，复合地基的上部荷载仍然主要由砼芯承担，并随着荷载的增加由砼芯→水泥土搅拌桩外壳→土体进行扩散，这与单桩静载试验的砼芯荷载传递规律是相同的。
　　

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