素混凝土桩和搅拌桩处理城市道路路基的原位试验

摘要:在较差地质条件、不同填筑材料情况下,用素混凝土桩和搅拌桩进行了城市道路路基处理的原位试验,分析了超孔隙水压力、桩间土分层沉降、附加有效应力、路基深层土的侧向位移等数据。结果表明:在正常荷载作用下,素混凝土桩复合地基浅层应力向桩体集中,并通过桩向深层扩散,桩顶和桩底的刺入较为明显,有单桩效应;而对于搅拌桩,大部分桩间土和桩没有相对位移,形成了一个加固整体,应力在桩顶和桩底较集中,大部分荷载传到了桩底桩间土和下卧层中。

关键词:道路工程;城市道路路基;试验研究;素混凝土桩;搅拌桩;单桩效应;加固整体

中图分类号:U416. 1 　　　文献标志码:A

　　尺试验,研究了水泥搅拌桩的荷载传递规律,发现传到桩端的荷载占桩顶荷载的比例甚小;池跃君等[ 11 ]对素混凝土桩复合地基荷载传递机理进行了试验研究,得出了桩侧摩阻力的分布;宋法宝等[12 ] 介绍了低标号素混凝土桩在杭金衢高速公路中的应用,发现地基承载力大大高于设计要求。目前所进行的研究大都是单独针对素混凝土桩或搅拌桩加固地基进行的,对两者同时进行比较分析的研究却很少见。笔者以某工程为背景对这两种处理方式的路基在较差地质条件下进行了试验分析,研究对比了它们的受力和位移等性状。

1 工程概况

　　杭州市丰潭路北起育英路,南接天目山路。道路设计宽度为36 m ,地下铺设污水管和雨水管,道路西侧为规划绿化带和莲花港。路基处理采用搅拌桩和素混凝土桩。为研究搅拌桩及素混凝土桩在较差地质条件和不同的路基填筑材料下处理路基的工作性状,进行了土体的沉降、受力、超孔隙水压力和侧向变形的测试。

　　一个测试断面在桩号为K1 + 60 m 处,是半填半挖断面,路基填筑材料为粉质粘土,用Φ500 的10 m长的搅拌桩处理,桩距1. 3 m ,置换率0. 116 。搅拌桩的水泥质量分数为10 % ,桩身水泥试块90 d龄期单轴抗压强度为1. 05 MPa ,单轴承载力标准值达到68. 0 kN。

　　另一个测试断面在桩号为K1 + 610 m 处, 也是半填半挖断面,路基填筑材料为建筑垃圾,其中有较大的石块和混凝土块,最大粒径为400 mm ,进行碾压处理。用Φ426 的15 m 长的素混凝土桩进行处理,桩距1. 75 m ,置换率0. 045 。素混凝土桩的水泥质量分数为7 %。工程的地质情况见表1 。

　　测试方案如图1 所示。对于每个断面,在桩间土中间埋设5 根长14 m 的分层沉降管,对其依次编号为C1～C5 ,沿每根沉降管设3 个测点,分别位于桩顶、桩中和桩底。每个测点埋设土压力计、孔压计和分层沉降磁环。在路基两侧分别埋设测斜管,用于观测路基的深层土体侧向位移。本文试验中采用活动式测斜仪观测土体的深层侧向位移。观测时间为2002 年9 月2 日～2003 年1 月10 日,期间,道路从进行路面施工到通车,所加静荷载较小,但存在碾压荷载及车辆行驶的动荷载,所以荷载估算较为困难。由于地质情况较复杂,荷载施加不同,因此在不同测点处所得测试数据有差异;但是路基桩间土的土体分层沉降、土压力、超孔隙水压力、深层土体的侧向位移随时间的变化还是体现出了一定的规律性。

2 观测数据及分析

2. 1 桩间土超孔隙水压力

　　从进行路面施工到通车运营,总体上说素混凝土桩和搅拌桩的桩间土超孔隙水压力都是逐渐稳步消散的(图2 、3) ,这是由于进行路面施工所加荷载较小的缘故,也说明在施工过程中加荷速率和碾压吨位都比较合适,因此没有出现超孔隙水压力来不及消散而突然上升的情况。由于两个断面的填筑材料不一样,所以在各个断面2 m 测点处(桩顶处) 的超孔隙水压力状况各不相同,如图2 (a) 、3 (a) 所示。素混凝土桩断面填筑材料是建筑垃圾,其中有较大的石块和混凝土块,孔隙率较大,所以消散也较快,超孔隙水压力较小,在消散过程中超孔隙水压力有反复,这是由于建筑垃圾填料层力学性能较好,形成了硬壳层[13 ] ,对上部路面荷载及碾压的反应较为集中。相比之下,搅拌桩断面填料是粉土,其孔隙率较小,消散也较慢,超孔隙水压力较大,消散过程中超孔隙水压力基本没有反复。

2. 2 桩间土附加有效应力

　　由于从进行路面施工到通车的过程中,加荷不大,可认为复合地基是在正常荷载( p ≤pu , pu 为复合地基的极限承载力) 状态下进行测试的。素混凝土桩桩间土的附加有效应力随时间的变化如图4 所示。由图4 可以看出:桩顶、桩中和桩底的附加有效

应力均随时间的增加而增加,但增加幅度不同,桩底的桩间土附加有效应力的增加幅度远大于桩顶和桩中,桩顶的增加幅度大于桩中。其原因主要有以下两个: ①由于素混凝土桩断面填筑材料力学性能相对较好,所以在复合地基的受力过程中形式了一层硬壳层,而素混凝土桩的桩顶位于这一层中,于是在受力过程中就引起应力向桩顶集中,从土质情况可看出,桩间土大部分是淤泥,呈流塑状态,力学性能很差,因而桩的侧向摩阻力很小,这一点从桩中的桩间土附加有效应力增加较小可看出,又由于素混凝土桩的桩身压缩量较小,可近似看作刚性桩,荷载是沿桩体全长传递的,所以大部分荷载通过素混凝土桩传到了桩底; ②由于填筑层的垫层效应,虽然建筑垃圾填筑层形成了硬壳层,但其刚度毕竟比素混凝土桩要小得多,所以从素混凝土桩复合地基受力开始,素混凝土桩的桩顶就发生了向上刺入的变形,形成桩与土共同受力的模式,同时在桩顶附近,桩与土有了相对位移,土的沉降量大于桩的沉降量,于是桩顶就产生了负摩阻力,这就把桩间土承担的一部分荷载传到了素混凝土桩,所以桩顶附近的桩间土压力增加不是很大(图4) 。这也引起了素混凝土桩的桩身最大应力点向下移动,即桩身最大应力点不在桩顶,这意味着复合地基的荷载向深处传递,使桩底桩间土附加有效应力增加较大。可见,建筑垃圾填筑层对桩顶有应力集中效应,使桩承担了较大荷载,桩底也刺入了下卧层中。

　　综上所述,素混凝土桩复合地基的受力性状可概括如下:浅层应力向桩体集中,并通过桩向深层传递,桩间土与桩有较大的相对位移,桩顶和桩底的刺入较为明显。这说明素混凝土桩复合地基中,素混凝土桩有应力集中和扩散的双重作用。

　　图5 为搅拌桩断面桩间土的附加有效应力随时间的变化。从图5 可以看出:搅拌桩桩间土在桩底附近的附加有效应力增加幅度较大,桩顶的桩间土的附加有效应力增加幅度有限,而桩中的桩间土附加有效应力几乎没有增加。桩顶的桩间土附加有效应力增加幅度有限,可用桩顶刺入填土层现象来解释(由于此断面填土层用的是粉土,所以刺入效应较为突出) 。搅拌桩的桩距为2. 6 倍桩径,置换率为0. 116 。可见桩距较小,置换率较大,在这样的小桩距情况下,搅拌桩和桩间土可以形成一个加固整体,即桩间土相对于搅拌桩的位移很小,即使有相对位移,也只在桩顶和桩底附近。搅拌桩桩间土附加有效应力数据也可解释这一情况,从图5 可看出,桩中的桩间土有效应力没有增加,说明桩中的桩间土受力很小。因为上层土的应力传递深度有限,所以可以推断桩中的桩间土与搅拌桩没有相对位移的趋势,否则搅拌桩的侧向摩阻力会传递给桩间土;但搅拌桩桩间土在桩底附近有效应力增加幅度较大。这说明在正常荷载下,小桩距的搅拌桩复合地基形成了一个较好的加固整体,除了桩顶和桩底附近的土体以外,其余的桩间土与搅拌桩没有相对位移,即受力后与搅拌桩同步下沉,应力主要集中在桩顶和桩底附近,特别是大部分的应力通过搅拌桩直接传到桩底土和下卧层中(这与文献[8 ]中的单桩情况有区别) ,这个加固整体很好地扩散了荷载。

　　根据以上分析可得在正常荷载下,两种复合地基的受力性状不一样,填筑材料为建筑垃圾的素混凝土桩复合地基桩距较大(4. 1 倍桩径) ,且桩的刚度较大,所以浅层应力向桩集中,并通过桩向深层传递,桩间土与桩有较大的相对位移,桩顶和桩底的刺入较为明显。对于填筑材料为粉质粘土、桩距较小的搅拌桩复合地基,大部分桩间土和桩没有相对位移,桩群和桩间土形成了一个加固整体,应力在桩顶和桩底较集中,大部分的荷载传到桩底土和下卧层中,很好地起到了扩散荷载的作用。由此可以判断,不同的填料虽然对复合地基的受力有影响,但对复合地基的受力起主要控制作用的还是桩的刚度和间距。

2. 3 桩间土分层沉降

　　本文中进行了桩间土分层沉降的测试。素混凝土桩断面的测试结果如图6 所示。图6 中,沉降值为正表示位移向下,为负表示位移向上,后文同。可看出桩顶的桩间土向下压缩沉降,桩中的桩间土没有沉降变化,桩底的桩间土产生向上的位移,其情形如图7 所示。这证实了由桩间土压力测试结果所推出的受力情况,即桩顶和桩底都有向填筑层和下卧层刺入的变形,特别是桩底刺入下卧层表现得很明显,这导致了桩底的桩间土被下卧层挤压,产生向上的位移。

　　搅拌桩的C5 处分层沉降测试数据如图8 所示。可见,在搅拌桩桩顶的桩间土、桩中的桩间土和桩底下卧层各点的沉降都很小,这验证了由土压力测试结果所推出的受力情况,即在正常荷载下,用小桩距搅拌桩加固的复合地基形成了一个加固整体,有效地扩散了荷载,减小了地基降。

2. 4 路基深层侧向位移

　　现场测试时,埋设了测斜管用来测量路基边缘的深层土侧向位移,搅拌桩断面的测试数据如图9(a) 所示( t 为时间) 。从图9 (a) 中可以看出,路基有向路外移动的侧向位移,在5 m 深度以上路基向外的侧向位移较大,且侧向位移随深度增加而减小,而在10 m 处又有稍微增大的趋势,其原因是: ①该测斜管位于填土路堤的边缘,填土深度大约为5 m ,所以在荷载作用下填土区有向外滑移的趋势; ②根据本文中所分析的搅拌桩复合地基受力性状,即搅拌桩复合地基形成了一个加固整体,应力在桩顶和桩底附近较为集中,因此在桩顶附近,即5 m 深度以上,在较大的应力作用下其侧向位移较大,在10 m深度的桩底附近也是如此,但是10 m 处土的侧向压力远大于5 m 处,抑止了侧向位移的发展,所以在10 m 桩底处侧向位移虽有增加的趋势,但位移量很小。

2. 4 路基深层侧向位移

　　现场测试时,埋设了测斜管用来测量路基边缘的深层土侧向位移,搅拌桩断面的测试数据如图9(a) 所示( t 为时间) 。从图9 (a) 中可以看出,路基有路外移动的侧向位移,在5 m 深度以上路基向外的侧向位移较大,且侧向位移随深度增加而减小,而在10 m 处又有稍微增大的趋势,其原因是: ①该测斜管位于填土路堤的边缘,填土深度大约为5 m ,所以在荷载作用下填土区有向外滑移的趋势; ②根据本文中所分析的搅拌桩复合地基受力性状,即搅拌桩复合地基形成了一个加固整体,应力在桩顶和桩底附近较为集中,因此在桩顶附近,即5 m 深度以上,在较大的应力作用下其侧向位移较大,在10 m深度的桩底附近也是如此,但是10 m 处土的侧向压力远大于5 m 处,抑止了侧向位移的发展,所以在10 m 桩底处侧向位移虽有增加的趋势,但位移量很小。

3 结语

　　(1) 在从路面施工到通车的过程中,搅拌桩和素混凝土桩复合地基路基的超孔隙水压力总体上都是稳步消散的,但路基填筑材料的不同影响了其超孔隙水压力消散的过程。

　　(2) 在正常荷载作用下,两种复合地基路基的受力性状不一样,填筑材料为建筑垃圾的素混凝土桩复合地基,桩距较大(4. 1 倍桩径) ,且桩的刚度较大,所以浅层应力向桩体集中,并通过桩向深层扩散,桩间土与桩之间沿桩全长都有相对位移,存在单桩效应,桩顶和桩底的刺入较为明显。对于填筑材料为粉质粘土、桩距较小的搅拌桩,大部分桩间土和桩之间没有相对位移,桩群和桩间土形成了一个加固整体,应力在桩顶和桩底较集中,大部分的荷载传到桩底的桩间土和下卧层中,很好地扩散了荷载。桩的刚度和间距对复合地基的受力起主要控制作用。

　　(3) 由于两种复合地基路基的受力性状不同,所以其受力后的压缩沉降也不同。素混凝土桩桩顶的桩间土有向下的压缩沉降,桩中的桩间土没有沉降变化,桩底附近的桩间土产生向上的位移,这表明桩与桩间土有较大的相对位移,桩顶和桩底都有向填土层和下卧层刺入的变形,特别是桩底刺入下卧层表现得很明显。搅拌桩复合地基的桩和桩间土却形成了一个加固整体,桩间土的沉降很小。

　　(4) 两种复合地基路基受荷后的深层土侧向位移不同。搅拌桩复合地基路基深层土有向路外侧的侧向位移,其变化和受力情况的分布一致。素混凝土桩复合地基路基深层土侧向位移在后期有回弹的趋势。

参考文献:

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