套管法成樁原理及其技術進展研究

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1、概述
    近年來，地基處理技術得到快速發(fā)展，地基處理技術的發(fā)展不僅反映在機械、材料、設計理論、施工工藝、現場監(jiān)測技術以及地基處理新方法的不斷更新和進步等方面，而且反映在多種地基處理方法的綜合應用方面。
    鑒于豎向增強體復合地基中樁的承載能力和變形特性不同，地基處理的技術效果和適用范圍均不相同，剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基結合柔性樁復合地基和剛性復合地基的特點，以充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，大幅度提高地基承載力，減少地基沉降，從而取得良好的技術效果和經濟效益。

2、復合地基設計思想
2.1 設計的基本思路

    采用由剛性樁、水泥土攪拌樁和樁間土組成的復合地基，主要從以下幾個方面[1]考慮：
    ⑴當豎向荷載施加于樁頂時，樁身的上部受到壓縮發(fā)生相對于土的向下位移，樁周土在樁側界面上形成向上的摩阻力；荷載沿樁身向下傳遞過程中不斷克服摩阻力并通過它向土中擴散，因而樁身的軸力沿著深度逐漸減小，在樁端處與樁底反力相平衡；與此同時，樁端持力層在樁端壓力作用下產生壓縮，使樁身下沉，樁與樁間土的相對位移又使摩阻力進一步發(fā)揮。隨著樁頂荷載的逐漸增加，上述過程周而復始地進行，直到變形穩(wěn)定為止。由于樁身壓縮量的累積，上部樁身位移總是大于下部，因此上部摩阻力總是先于下部發(fā)揮，樁側摩阻力達到極限后就保持不變，繼續(xù)增加的荷載就完全由樁端持力層承受，當樁底荷載達到樁端持力層的極限承載力時，樁便發(fā)生急劇的、不停滯的下沉而破壞。因此，增強樁身上部樁側土的結構強度，對提高樁的承載力、改善樁的變形特性具有現實意義。
    ⑵水泥土攪拌樁加固軟土地基改善軟土的固結特性。通常水泥土的壓縮曲線表現出明顯的超固結特性，可近似地認為水泥土樁體不存在固結現象，而只有彈性的樁身壓縮。水泥土攪拌樁加固深厚軟土地基一般不會貫穿整個軟土層，由此形成的加固層和下臥層軟土的固結特性仍可用雙層地基一維固結理論來分析。從固結機理來看，加固層滲透性極低的水泥土攪拌樁（比原狀土低3到4個數量級[2]）設置減小下臥層軟土的排水固結；同時加固層豎向附加應力向水泥土攪拌樁集中而使樁間土所受應力大大減小，孔隙壓力也大為降低，因此在下臥層軟土和加固層樁間土之間形成較大的孔隙壓力差，加快下臥層軟土的固結。
    ⑶水泥土攪拌樁改善天然軟土的性質。流塑態(tài)軟粘土拌入固化劑后形成的加固土呈堅硬狀態(tài)。粘聚力和內摩擦角較原狀土增加，其抗壓、抗剪強度、變形模量等指標分別比天然軟土提高數十倍至數百倍。當固化劑摻入比αw>5%時，加固土無側限抗壓強度qu可達500～4000kPa，相應抗拉強度σ1=(0.15～0.25)qu，粘聚力c=(0.2～0.3)qu，摩擦角Ф變化于20o～30o之間，變形模量E50=(120～150)qu。加固土強度隨固化劑摻入比、水泥標號和加固土齡期的增加而提高。隨著水泥摻量的增加抗?jié)B系數由原狀土的10-7㎝/s下降為（10-7～10-11）㎝/s數量級。
    ⑷樁、土復合構成的地基形成了平面及豎向合適的剛度級配梯度和三維共同工作的應力狀態(tài)，達到對天然地基承載力的有效補強，滿足設計要求，減少地基的沉降。
    ⑸長剛性樁、短水泥土攪拌樁的布置，形成三層地基剛度，符合天然地基土層淺弱深強的規(guī)律以及地基應力傳遞特征，同時長剛性樁可以進入深層良好土層，減少復合地基的沉降。
    ⑹復合地基與上部結構通過褥墊層的柔性連接，在水平荷載作用下，有效地傳遞垂直荷載。
    ⑺復合地基與上部結構柔性連接的褥墊層調整復合地基的樁土荷載分配，發(fā)揮土體的承載能力特別是淺層土體的承載作用；墊層的作用歸納為：
    ①保證樁體和樁間土共同承擔荷載，在上部荷載作用下，樁體一定程度“剌入”褥墊層中，充分發(fā)揮樁間土作用。在實測的復合地基樁體和樁間土時程曲線（給定荷載下）中，樁、土受力始終為一常數；
    ②調整樁、土荷載分擔比，墊層越厚，樁間土承擔的荷載越多；荷載水平越高，樁承擔的荷載占總荷載的百分比越大。因此調整墊層厚度可調整樁土荷載分擔比，反之根據樁土應力的要求來確定墊層的厚度；
    ③緩解基礎底面的應力集中，樁頂對應的基礎應力與樁間土對應的基礎底面應力之比隨墊層厚度的變化而變化；據研究：當墊層厚度大于10㎝時，樁對基礎底面產生的應力集中已明顯降低；當墊層厚度為30㎝時，n只有1.2左右；
    ④調整樁土水平荷載的分配，未設置褥墊層時，水平荷載主要由樁承擔。隨著褥墊層的設置和增厚，樁頂承受的水平荷載逐漸變小。當褥墊層厚度大到一定程度時，水平荷載主要由樁間土承擔，樁體發(fā)生水平折斷的可能性減小，樁在復合地基中失去工作能力的機會減小。
    ⑤褥墊層的設置，復合地基中樁體存在向上的剌入變形，阻止樁間土的變形。

2.2 復合地基承載力計算

    剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基承載力計算的思路：⑴由天然地基和剛性樁復合形成復合地基，視為一種新的等效天然地基，其承載力特征值為fspk1。⑵將等效天然地基和水泥土攪拌樁復合形成復合地基，求得復合地基承載力即剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基承載力。
    具體推導如下[3]：

    天然地基土的承載力特征值為fak。剛性樁的斷面面積為Apl，平均面積置換率為m1，單樁承載力特征值為Ral，則剛性樁和天然地基形成的復合地基承載力特征值為

    式中：α1為樁間土承載力提高系數，與土性和剛性樁成樁工藝及樁徑、樁距等有關。對非擠土成樁工藝，α1=1；β1為樁間土承載力發(fā)揮系數，一般β1≤1。

    水泥攪拌樁的斷面面積為Ap2，平均面積置換率為m2，單樁承載力特征值為Ra2。水泥土攪拌樁與承載力特征值為fspk1的等效天然地基復合后的承載力，即

    式中：fspk為剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值；α2為樁間土承載力提高系數，與土性和剛性樁成樁工藝及樁徑、樁距有關。對非擠土成樁工藝，α2=1；β2為樁間土承載力發(fā)揮系數，一般β2≤1。

2.3 復合地基的復合模量

    復合模量表征的是復合土體抵抗變形的能力。由于復合地基是由土和增強體（樁）組成，復合模量與土和樁的模量密切相關。確定剛性樁－水泥土攪拌樁復合地基復合模量的基本方法為：⑴按單一樁型復合地基復合模量確定方法求得天然地基和剛性樁所形成復合地基的復合模量，并將其視為一等效天然地基；⑵按單一樁型復合地基確定方法，求得等效天然地基和水泥土攪拌樁形成復合地基的復合模量即為剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基的復合模量。
    圖1為剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基示意圖，剛性樁樁長L2，水泥土攪拌樁樁長L1。范圍為加固區(qū)A1，（L2－L1）范圍為加固區(qū)A2。L1以下為非加固區(qū)A3，計算深度范圍內共分五個土層，各層天然地基土壓縮模量分別為Es1，Es2，Es3，Es4，Es5，剛性樁和天然地基形成復合地基后的面積置換率為m1，第1層土天然地基承載力特征值為fak，剛性樁加固后復合地基承載力特征值為fspk1，模量提高系數ζ1= fspk1/fak，樁長為L2的水泥土攪拌樁復合地基面積置換率為m2（計算時不考慮剛性計的存在），復合地基承載力特征值為fspk，則樁長L2范圍內模量提高系數為ζ2=fspk/ fspk1。
    文獻[3]提出多樁型復合地基的復合模量計算方法；由此可推得剛性樁－水泥土攪拌樁的復合模量，加固區(qū)A1模量提高系數為η=fspk/fak。加固區(qū)A2模量提高系數為ζ1，非加固區(qū)A3模量不變。

圖1  剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基示意圖

Fig.1 Nigid pile－deep mixing pile composite foundation

2.4 剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基檢測

    樁身質量檢測，可依照各類樁的檢測方法分別進行檢測，如剛性樁可采用低應變檢測，水泥土攪拌樁可采用輕便觸探或抽芯檢測。
    對于一般的復合地基加固效果檢測，《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—2002)規(guī)定采用復合地基靜載荷試驗，單樁復合地基載荷試驗的承壓板可用圓形或方形，面積為一根樁承擔的處理面積；多樁復合地基載荷試驗的承壓板可用方形或矩形，其尺寸按實際樁數所承擔的處理面積確定。
    在確定剛性樁－水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值時，當Q～S曲線上有明顯的比例極限時，而其值不小于對應比例界限的2倍，可取比例界限；當其值小于對應比例界限的2倍時，可取極限荷載的一半；當Q～S曲線是平緩的光滑曲線時，可按相對變形值確定；即取沉降比s/b或s/d等于0.006所對應的壓力。

3 現場靜載荷試驗
3.1  PTC＋水泥土攪拌樁復合地基

    某教學樓工程，地基土物理力學指標如表1。工程采用PTC＋水泥土攪拌樁復合地基，PTC樁徑Φ500，樁長37m，樁端進入⑨層礫石；水泥土攪拌樁樁徑Φ500，樁長15m，樁端進入③層淤泥質粘土，1根PTC與4根水泥土攪拌樁組合成一個處理單元；現場靜載試驗Q～S曲線如圖2。

表1   地層的物理力學指標

Table2  Physical and mechanical parameters of the soil

土層
 層頂標高/m
 fk/kPa
 qs/kPa
 qp/ kPa
 
①粘土
 
 65
 11
 
 
②淤泥
 1.00～1.50
 50
 5.5
 
 
③淤泥質粘土
 21.50～27.80
 80
 11
 
 
④圓礫
 28.60～29.30
 220
 30
 1000
 
⑤淤泥質粘土
 30.10～31.30
 80
 11
 
 
⑥粘土
 20.90～34.50
 140
 20
 450
 
⑦圓礫
 26.85～35.50
 220
 30
 1000
 
⑧淤泥質粘土
 25.80～35.90
 100
 13
 
 
⑨礫石
 ≥31.40
 300
 45
 1500
 

   (a)水泥土攪拌樁Q～S曲線    (b)PTC及復合地基Q～S曲線

       圖2  靜載試驗曲線圖

    Fig.2   Loading  test  curves

3.2　預制樁＋水泥土攪拌樁復合地基

    某地下水池工程，場地巖土主要工程特性指標如表2。地基采用水泥土攪拌樁復合地基，樁徑Φ500，樁長16.0m，按1000×1000mm縱橫雙向均勻布置，設計單樁豎向承載力標準值不小于150kN，單樁復合地基承載力標準值不小于180kPa；施工后抽檢8根樁進行載荷試驗，水泥土攪拌樁單樁或單樁復合地基承載力標準值均未達到設計要求。

表2  場地的巖土主要工程特性指標

Table 2  Physical and mechanical parameters of the soil

土名
 fk/kPa
 Es/MPa
 qs/kPa
 qp/kPa
 
①粘土
 90
 3.5
 12
 
 
②淤泥
 45
 1.0
 6
 
 
③粘土

④粘土混碎石
 155

180
 4.5

6.5
 20

25
 700

1100
 

    采用預制鋼筋砼樁加固，樁身截面200×200㎜，砼強度C30，主筋4ф16，箍筋φ6@200；樁長20m，分五段澆制，底段帶樁靴。樁段間用焊接法接樁(或硫磺膠泥)；布樁采用每4根水泥土攪拌樁間插入1根預制樁，形成復合地基；在樁頂鋪設一層厚為350mm的天然級配卵石墊層，改良地基中樁土荷載分配，充分發(fā)揮地基土的承載力。施工完畢后，選擇4組復合地基進行靜荷載試驗；結果見圖3，試驗得到的復合地基承載力標準值均大于200kPa。

(a)水泥土攪拌樁Q～S曲線 (b)預制樁＋水泥土攪拌樁Q～S曲線

圖3  復合地基靜載試驗曲線圖

Fig.3   Loading test curves of the composite foundation

4 結束語
    ⑴ 剛性樁—水泥土攪拌樁所形成的復合地基可得到較高的復合地基承載力，改善地基的平面剛度組合與豎向剛度梯度，提高樁間土的參與作用，使復合地基承載力大幅度提高；減少復合地基的沉降量，具有較好的技術和經濟效益；
    ⑵ 剛性樁—水泥土攪拌樁組成的復合地基，其承載力發(fā)揮與樁的類別、強度、長度、置換率、樁端土及樁間土的類別及強度有關；
    ⑶ 剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基靜載荷檢測時，其壓板宜采用方形或矩形，尺寸按實際樁數所承擔的處理面積確定