软土地基水泥土搅拌法计算中的参数研究

[摘要]结合工程实例,分析了在高压缩性软土地区,采用复合地基载荷试验及计算方法确定水泥搅拌桩复合地基承载力计算存在的问题,并提出对确定软土水泥搅拌桩复合地基承载力计算的方法。

[关键词]软土水泥搅拌桩复合地基承载力

福州江阴港铁路支线位于福清市境内的兴化湾北岸。其港区站场位于江阴半岛南端滨海深厚大面积的软土地基上,且该软土地基在成因、分布和地质条件等方面均具有代表性,尤其是在以滨海相沉积软土为基本构成的东南沿海更是具有代表性,属于典型的福州软土。该软土地层的具有高压缩、低强度和低渗透等特性。目前该项目正进行施工,并开展了相关软土地基处理的试验研究。

1工程概况

1.1 工程地质条件 (见表1)

本项目所处地段属海积平原区,地势平坦开阔,主要地层有:Q4M淤泥,流塑,厚度10～22m左右,靠外侧海域厚度最大地段厚约25m;往下为含砾石粉质黏土。下伏基岩为强风化～弱风化J3nb凝灰岩,基岩面起伏变化较大。松散堆积物中地下水为孔隙潜水,基岩中地下水为裂隙水,地表水为海水,地下水对砼无侵蚀性,氯盐环境作用等级为L2。本段不良地质不发育,特殊性岩土为淤泥。

表1工程地质条件

地层岩性 各岩土层设计计算指标

①1填筑土:黄褐色,主要成分为细砂,松散,饱和;靠海堤地段上部填筑片石。 ①1填筑土(填砂):基本承载力σ0=80KPa,天然容重γ=17 KN/m3,内聚力C=10KPa,内摩擦角φ=12度,压缩模量Es=3.0 MPa,

③淤泥:深灰色,饱和,流塑。含少量中细砂。层厚度一般在15～20m之间。 ③淤泥:基本承载力σ0=50KPa,天然含水量w=40～65%(欠固),天然容重γ=16.3 KN/m3,内聚力C=6.0KPa,内摩擦角φ=4.0度,固结不排水剪φcu=15度,压缩模量Es=2.0 MPa,垂直固结系数Cv=4.3×10-3cm2/s,水平固结系数Ch=3.1×10-3cm2/s,搅拌桩桩周极限摩阻力fi=8.5KPa。

④粉质黏土:浅灰色,灰黄色,湿,硬塑。局部含角砾较多,厚度一般为3～6m左右。 ④粉质黏土:基本承载力σ0=150KPa,天然容重γ=17.5 KN/m3,内聚力C=15KPa,内摩擦角φ=18度,压缩模量Es=4.0MPa,搅拌桩桩周极限摩阻力fi=35KPa。

⑦1全风化凝灰岩:浅灰色,土状风化,可塑～硬塑。 ⑦1全风化凝灰岩(W4):σ=180KPa,γ=18.5KN/m3,C=17KPa, 内摩擦角φ=28度,基底摩擦系数f=0.35,压缩模量Es=6.5Mpa,岩土施工工程等级Ⅲ级。

1.2 工程建设情况

站场内有一般场地段和铁路线路段两种路基,分别对其进行地基处理。一般场地段采用大面积超载预压法、真空+堆载联合预压法施工,可以在潮汐侵扰的条件下展开施工;铁路线路段采用水泥搅拌桩复合地基加固法施工,首先应修建一道围堰,在无潮汐侵扰的条件下方可展开施工。软基处理的标准是工后沉降应小于0.3m。本文仅对水泥土搅拌法计算中的参数进行研究。

1.3 水泥搅拌桩复合地基承载力确定方法的分析

1.3.1综合计算确定复合地基承载力

水泥搅拌桩的有关参数计算套用《建筑地基处理技术规范》文献[1]第9.2.5条规定:搅拌桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定,初步设计也可以按下式计算:

式中: fspk复合地基承载力标准值;m面积置换率;Ap桩的截面积;fsk桩间天然地基承载力标准值;β桩间土承载力折减系数,当桩端土为软土时取0.5~1.0,当桩端土为硬土时取0.1~0.4,当不考虑桩间土的作用时取0;

这个公式本身就有不易确定的参数。(1)β值所给定的是区间值,相差很大,取值是否准确最终还要通过试验来检验。(2)桩间天然地基土的承载力标准fsk也是不易确定的值。确定方法不统一,有的取土层中最小值fk,有的凭经验取综合值,也有的采用厚度加权平均fk值作为fsk。但都不能反映地基土受力从上至下由强变弱导致土层变形差异的特征。比如软硬相间的土层,硬土层在上部与下部的地基变形总量是不同的,因此fsk也不同。此公式所计算出的复合地基承载力标准值并不准确,它只是一个估算公式,我们认为只能用于设计阶段估算复合地基承载力。

1.3.2单桩竖向承载力标准值的确定

《规范》第11.2.4条规定Ra单桩竖向承载力标准值,应通过现场单桩载荷试验确定。本项目通过室内配合比试验,确定水泥标号、水泥掺量、水泥浆水灰比、外加剂等因素与水泥土加固体的立方体抗压强度fcu、变形模量Ep的关系。这里暂定fcu为1.3MPa(按90天龄期进行强度取值),Ep为50MPa作为以下设计的计算值。

根据式(11.2.4-1)由桩周土摩擦力确定的单桩承载力(对于柔性桩可不考虑桩端土承载力)

kN

根据式(11.2.4-2)计算由桩身材料强度确定的单桩承载力

kN

通常由桩身材料强度确定的单桩承载力,应大等于由桩周土和桩端土确定的单桩承载力,由此确定有效桩长为9.75m。同时复合地基承载力fsp与复合地基的变形模量Esp可分别通过以下两个公式估算(m和l分别为置换率和桩长)。

1.3.3采用复合地基载荷试验确定复合地基承载力

根据规范规定,作为工程设计使用的复合地基承载力应通过现场载荷试验确定。

1.3.3.1单桩复合地基载荷试验。一般通过面积置换率反求压板面积,用压板对桩土一起加载试验,按试验规程求得单桩复合地基承载力值。有人论证过,当面积置换率m>22%时,应考虑应力重叠作用,不宜直接将单桩复合地基承载力值作为复合地基承载力使用。此外压板载荷试验所测定的变形影响深度只是压板边长2倍深,显然单桩复合地基载荷试验不能反映桩土复合地基在建筑载荷下的真实承载性状,所测定承载力值不真实。

1.3.3.2复合地基载荷试验。有的专家认为,最好模拟路基宽度做大面积群桩载荷试验,这样可以排除应力重叠的影响,并且压板边长与路基宽度一致,能真实模拟地基受力变形情况。进一步分析,路基形成的地基土同时受力后,通过压力扩散,在一定深度内应力相互重叠,形成筏基作用的效果,所以实际地基土长时间的压缩变形的影响深度很深。

一般2 m基础宽的压板群桩载荷试验,其压缩变形影响深度也只是在4 m以内,并且按试验规程,其观测时间也是有限的,而路基的沉降时间长达几年甚至几十年。严格地讲,群桩载荷试验也不能模拟建筑物载荷作用下复合地基的真实承载性状,所测定承载力也不宜直接用于工程设计。

2结论

《岩土工程勘察规范》文献[2]第6.3.7条第2款规定,“软土地基承载力应根据室内试验、原位测试、当地经验,并结合下列因素综合确定:(1)软土成层条件、应力历史、结构性、灵敏度等力学特性和排水条件;(2)上部结构类型、刚度、荷载性质和分布,对不均匀沉降的敏感性;(3)基础的类型、尺寸、埋深、刚度等;(4)施工方法和程序。”这条规定充分说明,没有一种较为通用的方法来确定软土地基承载力值,只有根据当地同类场地土、同类建筑类型的工程实践经验来确定。因此对确定软土水泥搅拌桩复合地基承载力提出如下方法。

2.1 水泥搅拌桩处理只是对软土地基的部分加固,复合地基根本上还是软土地基

复合地基承载力和路基沉降量,也应根据对既有路基的长期观测取经验值。载荷试验可用于判别地基土的相对强度,仅作为确定承载力的参考依据,各地区应该通过大量的实践,结合多种试验手段建立起地区性、单元性的软土地基及各类复合地基的承载力和变形沉降经验值,作为工程设计的可靠依据。

2.2承载力的意义

主要是作为压缩变形量较小的一般地基土的受荷控制条件:一般载荷小于承载力值,不会出现地基土破坏现象,并能满足建筑物沉降要求。但高压缩性软土地基,按通常试验方法确定的承载力作为地基受荷条件,并不能满足路基的沉降要求。

现行规范规定软土地基基础设计必须满足变形和承载力双控要求。有的专家认为变形控制是第一位的,承载力仅作为验算指标。因此软土地基承载力在工程设计中的意义并不大。按承载力的计算公式,我们在软土地区还找不到一种有效的通用方法测定承载力值,使其同时作为地基土强度和路基变形沉降的控制参数。在软土地基勘察及地基处理中,工作重点应该直接放在稳定计算和研究变形沉降的控制措施上。

参考文献:

[1] JGJ 79―2002,建筑地基处理技术规范[S].

[2] GB 50021―2001,岩土工程勘察规范[S].

[3] 骆银辉.对粉喷桩软土复合地基承载力确定方法的探讨[J].探矿工程,2002,(5):18-19.