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水泥搅拌桩复合地基承载力时效特征分析

2015-07-13 198 0

1 引言
　　道路工程建设过程中，软土路基加固处处皆是，目前，常用的工程加固方法有排水预压法、强夯加固、复合地基处理、注浆加固、微型桩等有效措施，大都是沿用建筑地基处理方法。然而，软土路基加固有其独特性，不同于房屋建筑仅处理局部范围。路基工程是典型的条带工程，分布范围广，占地多，地质情况复杂多变，差异性大，加上施工周期长等特点，为便于分析和工程应用，可以把路基当做平面应变问题来处理，同时路基荷载随时间还在不断调整，具有其承载力具有时效变化特征，为此本文结合广东境内某城市道路软土路基处理工程，探讨水泥土搅拌桩复合地基处理技术和复合地基承载力时效特征，总结规律，指导实践。
　　2 水泥搅拌桩复合地基机理
　　泥土搅拌桩复合地基处理适用于正常固结的淤泥质土、淤泥、填土、粘性土和砂土等，是利用水泥等材料作为固化剂，通过搅拌机械，将软土和浆体固化剂强制搅拌，使水泥土具有一定的轻度，从而提高软土地基承载力和减小沉降。
　　用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。
　　（1）离子交换和团粒化作用
　　粘土和水结合时就表现出一种胶体特征，如土中含量最多的SiO2遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带钠离子Na+和钾离子K+，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子Ca2+，进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。
　　（2）硬凝反应
　　水泥的凝结与硬化是同一个过程的不同阶段。凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑形强度；硬化则表示水泥浆固化所建立的结果具有一定的机械强度的过程。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当其数量超过离子交换的需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的SiO2和Al2O3的一部分或大部分与Ca2+进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物，增大了水泥土的强度，其反应式如下：
　　SiO2+ Ca（OH）2+nH2O→CaO·SiO2·（n+1）H2O （1）
　　Al2O3+ Ca（OH）2+nH2O→CaO·Al2O3·（n+1）H2O （2）
　　（3）碳酸化作用
　　水泥水化物中游离的Ca（OH）2能吸收水和空气中的CO2，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙；其反应式如下：
　　Ca（OH +CO2→Ca CO3+H2O （3）
　　这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。
　　水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。初步设计时也可按式（4）估算。并应同时满足式（5）的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于（或等于）由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力：
　　（4）
　　（5）
　　式中：为桩身强度折减系数；
　　p为桩的周长（m）；
　　为桩长范围内所划分的土层数；
　　为桩周第层土侧阻力特征值；
　　为桩长范围内第层土的厚度（m）；
　　p为桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）；
　　为桩端天然地基土的承载力折减系数。
　　根据设计要求的单桩竖向承载力特征值和复合地基承载力特征值，计算搅拌桩的置换率m和总桩数n为：
　　（6）
　　（7）
　　式中：为地基加固的面积（m2）。
　　根据求得的总桩数n进行搅拌桩的平面布置。桩的平面布置要考虑充分发挥桩侧摩阻力和便于施工为原则。
　　当所设计的搅拌桩为摩檫型、桩的置换率较大（一般 20%），且不是单行竖向排列时，由于每根桩不能充分发挥单桩的承载力作用，故应按群桩作用原理，进行下卧层验算。假想基础底面（下卧层基础）的承载力为：
　　（8）
　　式中：为假想实体基础底面处的平均压力（kPa）；
　　为建筑物基础的底面积（m2）；
　　为假想实体基础底面积（m2）；
　　为假想实体基础自重（kN）；
　　为假想实体基础侧表面积（m2）；
　　为作用在假想实体基础侧壁上的平均允许摩檫力（kPa）；
　　sk为假想实体基础边缘的承载力（kPa）；
　　为假想实体基础底面修正后的地基土承载力特征值（kPa）。
　　竖向承载搅拌桩复合地基中的桩长超过10m 时，可采用变掺量设计。在全桩水泥总掺量不变的前提下，桩身上部三分之一桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数；桩身下部三分之一桩长范围内可适当减少水泥掺量。
　　（4）褥垫层设计
　　竖向承载搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200～300mm。其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。
　　在刚性基础和桩之间设置一定厚度褥垫层后，可以保证基础始终通过褥垫层把一部分荷载传到桩间土上，调整桩和土荷载的分担作用，充分发挥桩间土的作用，即可增大值。
　　3 时效特征
　　依据软土路基承载力不够失稳破坏的特点，自变形开始至破坏整个过程中，路基结构表现出过大的变形量或发生位移突变现象。然而，现实中即使软土变形量达到一定程度后也不一定导致软土路段整体性的失稳，由此可见，要对软土路基承载力失效进行科学地评判和有效地防治，减少工程不必要的开销，软土复合地基承载力的时效特性是不可忽略的。
文中用改进的西原蠕变模型来计算，该模型是由H-K模型、粘塑性模型、加速剪切非线性元件串联而成，塑性特性由M-C塑性屈服准则实现，如图1所示。
　　图1 改进的西原蠕变模型
　　图1中，为反映路基失稳破坏的安全滑动力（属亚稳定蠕变），该情形下软土路基出现安全塑性区，不会出现承载力失效，其值取长期强度值；为加速剪切力，出现地基失稳加剧的塑性区；为剪切弹性模量；为粘弹性剪切模量；为粘弹性粘滞系数；为粘塑性粘滞系数；为加速剪切蠕变体元件。
　　文中引入的非线性塑性蠕变元件，它具有典型的非线性牛顿体类似特征：
　　（9）
　　4 弹塑性计算
　　文中算例选用广东省境内某城市道路软土路基处理工程，采用水泥土搅拌桩复合地基加固，设计桩间距1.3m×1.3m，设计桩长进入持力层不小于1.0m，每延米水泥掺入量不少于70kg/m，复合地基承载力不小于130kPa，褥垫层采用0.3m厚级配碎石褥垫层。
　　图2 未加固塑性区分布（10d）
　　图3 加固后塑性区分布（加固后10d）
　　从图2和图3，可以很明显的看出，该路段未采用复合地基加固时，在路基底部已出现大范围的塑性区，有贯通的趋势，显然此范围内承载力不满足要求而首先发生失稳破坏。当采用复合地基加固后，路基承载已得到了很明显的改善，塑性区范围大大减小，主要集中在褥垫层局部问题，因此水泥搅拌桩复合地基加固褥垫层范围是监测的重点。
　　5 结论
　　水泥搅拌桩加固软土路基是一种有效的方法，可以明显地控制路基结构的塑性区贯通范围，但是随着时间的持续，塑性区慢慢延伸，处理好褥垫层，最终不会导致软土路基的失稳破坏。，
　　参考文献：
　　[1]刘吉福.路堤下复合地基桩土应力分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22（4）：674-677.
　　[2]牛志荣，李宏等.复合地基处理及其工程实例[M].北京：中国建材工业出版社，2000.
　　[3]中华人民共和国行业标准.建筑地基处理计术规范（JGJ79—2012）[S].北京：中国工业出版社，2012.
　　[4]刘起霞.地基处理.北京：北京大学出版社.2013.1.
　　作者简介：
　　王凌（1979年-），男，湖南人，工程师，主要从事道路工程的工作。

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