砼芯砂石桩复合地基排水固结的理论与试验研究.pdf

岩土工程界第 12卷第 2期地基基础工程 收稿日期6 砼 芯 砂 石 桩 复 合 地 基 排 水 固 结 的 理 论 与 试 验 研 究 * 王富永 1 唐彤芝 2 吴良冰 1 程万钊 2 陈俊生 2 ( 1. 深圳市治理深圳河办公室2. 南京水利科学研究院 ) 摘要对地基处理新技术 - 砼芯砂石桩复合地基的排水固结特性进行了理论分析, 结合深圳河一期治 理工程河口堤防软基处理的现场试验成果, 深入研究并揭示了砼芯砂石桩复合地基的孔隙水压 力、 深层土体压缩变形规律以及复合地基承载力随预压时间的变化规律。 关键词砼芯砂石桩排水固结孔隙水压力 1 砼芯砂石桩复合地基排水固结的理论分析 1 . 1 砼芯砂石桩复合地基固结度计算方法 理想竖井固结理论中有如下假设条件: 1)每个 竖井的有效影响范围为一圆柱体; 2)在影响范围水 平面积上的荷载是瞬时施加且是均布的; 3)土体仅 有竖向压密变形, 土的压缩系数和渗透系数是常数; 4)土体完全饱和, 加荷开始时, 荷载所引起的全部 应力由孔隙水承担。 设有直径为 de, 高度为 2 H 的圆柱体粘土层, 中 间是直径为 dw的砼芯砂石桩, 粘土层上、 下面均为 排水面 (图 1)。 在一定压力下, 土层中的固结渗流水沿径向和 竖向流动, 如以圆柱坐标表示, 设任意点 (r, z)处的 孔隙水压力为 u, 水平向渗透系数为 kh, 竖向渗透系 数为 kv, 则固结微分方程为: 5uz 5t = Cv 5 2u z 5z 2, 5ur 5t = Ch 5 2u r 5r 2 + 1 r 5ur 5r 式中 t为时间; Cv为竖向固结系数; Ch为径向 固结系数 (或称水平向固结系数 )。 根据边界条件对以上两式分别求解, 算出竖向 排水平均固结度和径向排水平均固结度, 最后再求 出竖向和径向排水联合作用时整个竖井影响范围内 土柱体的平均总固结度。 竖井地基总的平均固结度 Urz是由竖向排水和 径向排水共同作用引起的, 总的平均固结度由下式 计算: Urz= 1-(1- Uz) ( 1- Ur) = 1- 8 P 2e - 8Ch Fnd2e+ P2Cv 4 H 2 t ( 1) 平均孔隙水压力为: u - = 8u0 P 2e - 8Ch Fnd2 e +P2Cv 4H2 t ( 2) 当考虑井阻作用、 涂抹作用 (包括涂抹区渗透 性和压缩性两方面的影响 )等因素影响时, 竖井地 基平均固结度近似计算式为: Urz= 1- Ae - Brzt ( 3) 图 1砼芯砂石桩平面布置及排水固结剖面示意图 3 122008- 0 - 11 7 地基基础工程GEOTECHNI CAL ENG I NEER I NG WORL D VOL112No12 平均孔隙水压力为: u - = A u0e - Brzt (4) 式中A= 8 P 2; Brz= Bz+ Br; Bz= P 2C v 4 H 2; Br= 8Ch (Fn+Nw)d 2 e; Fn= n 2 n 2 - 1 ln( n) - 3n 2 - 1 4n 2; Nw= Fs+ F cr= kh ks - 1 ln S+ P 2H2 4 kh qcw, 称为竖井的非理想数。 当竖井未打穿整个受压土层时, 整个受压土层 的平均固结度按下式进行计算: U = QUrz+ ( 1- Q )Ucz(5) 式中 Urz) 竖井部分土层的平均固结度; Ucz) 竖井以下部分土层的平均固结度, 按单向固结理论 计算。 Q = A1 A1+ A2 (6) 式中 A1) 竖井部分土层起始孔隙水压力曲线 所包围的面积 (取附加应力 Rz分布曲线包围的面 积 ); A2) 竖井以下土层起始孔隙水压力曲线所包 围的面积 (取附加应力 Rz分布曲线包围的面积 )。 1 . 2 砼芯砂石桩与其他竖井地基固结特性对比分析 在砼芯砂石桩中, 由于砼芯桩的存在减小了竖 井的过水断面, 和同直径的普通砂井比较, 砼芯桩的 存在对竖井地基固结时间的影响见图 2 。图中 Th90 (r, s)和 Th90( i)分别为竖井地基径向平均固结度 Ur = 0 . 90时, 考虑井阻和涂抹效应和理想井条件之时 间因子。由图 2可见, 砼芯桩的存在对竖井固结速 率影响很小。 普通砂井、 袋装砂井和塑料排水板是目前工程 上最常用的排水体。理想井条件下, 塑料排水板、 袋 装砂井、 普通砂井和砼芯砂石桩的固结度时间关系 如图 3所示, 当考虑涂抹和井阻影响时, 塑料排水 板、 袋装砂井、 普通砂井和砼芯砂石桩的固结度时间 关系如图 4所示, 计算时所用参数的取值见表 1 。 表 1中 T( r , s)为考虑井阻和涂抹效应之时间因子, T( i)为理想井条件之时间因子。 表 1图 3和图 4计算时所用参数的取值 排水体类型 长度 /m 尺寸 /cm间距 /mn Ch/cm2# s- 1Fn S kh/ksFsFr F kh/kwT( r , s)/T( i) 备注 塑料排水板2210 0. 451. 218 . 9310- 32 . 203 . 032. 201. 595 . 992 . 7 袋装砂井2271. 218 . 0 310- 3 2 . 153 . 032. 203. 107 . 45 10- 5 3 . 4 普通砂井22502. 14 . 4 310- 3 0 . 831 . 831. 180. 612 . 61 10- 4 3 . 1 砼芯砂石桩22502. 14 . 4 310- 3 0 . 831 . 831. 180. 762 . 77 10- 4 3 . 3 塑料排水板纵向 通水量 30cm3# s- 1, 折减 系 取 8 , 土的 渗透系 数 2 10- 7cm # s- 1 从图 3和图及表可以看出, 在同样的时间 内, 为达到大致相同的固结度, 袋装砂井的渗透系数 比砼芯桩砂石壳的渗透系数约高一个数量级, 因此, 对于袋装砂井, 有条件时应尽量选用渗透系数大的 3 41 8 岩土工程界第 12卷第 2期地基基础工程 砂料作排水材料; 与袋装砂井和塑料排水板相比, 砼 芯砂石桩的井阻因子较小, 砼芯砂石桩的涂抹作用 比较明显, 而袋装砂井的井阻作用比较明显; 在达到 大致相同的排水效果的情况下, 砼芯砂石桩可以采 用较大的竖井间距。 2 砼芯砂石桩复合地基排水固结特性的试 验研究 2 . 1 试验场地概况 近年来由于深圳河河口过度填河开发, 造成河 口缩窄和淤塞, 致使深圳河防洪标准明显降低, 为此 对深圳河河口进行治理, 使深圳河河口段基本达到 50年一遇防洪标准, 并加强深圳河河口的排沙能 力。防洪堤工程为深圳河河口治理一期工程中的重 要内容, 位于深圳市福田保税区西南角, 即深圳河河 口的北岸, 堤线长约 860m。经研究论证, 引进砼芯 砂石桩复合地基技术用于深圳河河口治理一期工程 防洪堤软基处理, 为确保工程建设质量和预期加固 效果, 在加固区域内选取面积约 300m 2 的试验段进 行现场试验研究, 通过现场施工、 监测和试验研究砼 芯砂石桩的加固机理、 变形规律等, 以验证砼芯砂石 桩的有效性和可靠性, 为全线大面积推广应用提供 技术依据和科学合理的设计参数。 试验场地主要地层分布如下:素填土: 厚 0 . 5 11 . 6m , 分布广泛; 1中粗砂: 分布不连续, 层厚 1 . 1 3 . 9m, 松散 稍密状, 很湿 饱和; 2粉细 砂: 分布不连续, 层厚 0 . 7 4 . 7m , 局部夹淤泥质土, 稍密, 饱和; 3淤泥、 淤泥质粉质粘土: 分布较广 泛, 层厚 3 . 5 11. 9m, 埋深 0. 5 11 . 6m, 灰黑色和 深灰色, 部分地段夹薄层粉细砂, 局部富集, 含黑色 斑 点状腐殖质, 很湿 饱和, 流 - 软塑状; 4含砾 粉质粘土: 分布不连续, 层厚 1 . 1 3 . 1m, 灰黑、 灰褐 和深灰色, 局部夹薄层粉细砂, 湿, 可塑状; 5中粗 砂: 分布不连续, 层厚 1 . 0 2. 6m, 松散, 饱和; 6 含粘性土砾砂: 仅见于堤线中段和西段, 层厚 0 . 5 3 . 3m, 稍密, 饱和;砾质粉质粘土残积土: 分布广 泛, 埋深大于 12 . 0m, 可 硬塑状, 稍湿。场地地基 土主要物理特性见表 2 。 设计砼芯砂石桩桩径为 50cm, 其中砼芯桩为 20c m 20c m的预制方桩 (设计强度为 C20), 四周 用中粗砂灌注而成; 正三角形布置; 打设深度为 14m, 打穿软土层进入下部硬土层; 桩间距分别为 2 . 0m和 2 . 5m。 砼芯砂石桩顶部铺设一层土工格栅 和 50cm厚的碎石作为褥垫层。施工结束后, 考虑 现场实际条件使用就近材料进行填筑 (采用混凝土 石块厚度为 1 . 0m, 相当填土高度 1 . 5m), 预压时间 为 2个月。 2 . 2孔隙水压力变化规律分析 现场实测预压过程中复合地基孔隙水压力变化 曲线如图 5 6 。 复合地基内上部测点的孔隙水压力在钻孔埋设 仪器和堆载过程中受荷载变化影响稍大, 其余各测 点孔隙水压力在整个堆载预压过程中变化很小, 说 明地基中外部荷载引起的超静孔压量值小, 消散速 度快, 这一方面是因为加载的荷载量小, 另一方面是 因为砼芯砂石桩提供了良好的排水通道, 上部荷载 引起的超静孔隙水压力能在很短的时间内迅速消 散, 砼芯砂石桩的这一特点十分有利于成桩过程中 桩间土强度的恢复和进一步固结密实, 提高桩间土 强度, 从而充分发挥桩间土承担荷载的能力和水平, 同时有利于高填方堆载过程中地基的稳定以及提高 地基深层的加固效果。 表 2 试验场地地基土主要土性指标一览表 土层wQ0Qde0a1- 2E1- 2UcKvKhfak 名称/% /g# c m- 3/g# cm- 3/MPa- 1 /MPa/b/kPa /cm# s- 1/ c m# s- 1 /kPa 碎块石38. 001 . 800E- 32. 500E- 3170 碎石土20- 3310. 02 . 500E- 43. 500E- 4155 砾质粘性土25. 01. 931. 570 . 7130 . 444 . 2616. 624. 24 . 882E- 64. 084E- 7130 表层淤泥75. 01. 520. 932 . 8501 . 861 . 651. 26. 52 . 500E- 73. 50E- 740 填土下淤泥63. 41. 580. 971 . 8091 . 511 . 941. 57. 33 . 561E- 75. 558E- 750 填土下淤泥质土47. 01. 711. 171 . 3220 . 992 . 493. 512. 01 . 726E- 61. 542E- 660- 70 粉质粘土37. 71. 831. 351 . 0490 . 584 . 5712. 520. 08 . 769E- 62. 386E- 6135 含砾粉质粘土42. 01. 851. 370 . 8750 . 453 . 5015. 517. 02 . 50E- 51. 50E- 5165 粉土16. 52. 121. 820 . 4790 . 1410 . 9021. 829. 12 . 047E- 6160 粉细砂55355666 中粗砂65 5666635 砾砂6 5566553333 3 2 . 91. 881. 470 . 8490 .94 . 022.2. 01 .18E -8. 729E-1 0 21. 22. 041.80 .80 . 27. 81.2. 01 .84E -17 2 .1. 81. 40 . 820 . 44 . 00. 00. 9 1E -180 9 地基基础工程GEOTECHNI CAL ENG I NEER I NG WORL D VOL112No12 2 . 3 深层土体压缩变形规律分析 现场实测深层土体分层沉降曲线见图 7 , 深层 土体压缩量对比分析见表 3 。从图表中可以看出, 上部荷载作用下地基土沉降沿深度逐渐减少, 但在 桩长范围内沿深度地基土沉降变化较为平缓, 说明 图 7土体深层沉降分布曲线 砼芯砂石桩能充分发挥全桩长范围内摩阻力和排水 固结作用, 增大了荷载的传递深度, 缩短了地基土超 静孔隙水的排出途径, 能有效减少、 消除地基的深层 沉降, 地基深层加固效果较好。由于砼芯砂石桩能 有效将上部荷载传递至地基深处, 导致下卧层附加 应力增大, 下卧层土体压缩量在复合地基总沉降量 中占有较大的比率。预压期内有效消除下卧层土体 的压缩变形量, 有利于减少地基工后沉降量。 2 . 4复合地基承载力随固结时间的变化规律分析 分别在刚打完桩、 打桩后 7天和堆载预压 2个 月三种情况进行载荷试验, 用以分析复合地基承载 力特性及随排水固结历时变化规律。整理归纳试验 结果见表 4与表 5 , 载荷试验曲线见图 8 9 。 表 3 地基土深层压缩量对比分析 断面桩间距 /m时间总压缩量 /mm 桩长范围压缩量 /mm 下卧层压缩量 /mm 桩长范围压缩量与 总压缩量之比 下卧层压缩量与 总压缩量之比 K22. 5 2006. 2. 18 2006. 2. 24 136 141 43 50 93 91 0 . 32 0 . 35 0 . 68 0 . 65 表 4 不同固结时间单桩静载试验结果汇总 桩号桩间距 /m单桩竖向极限承载力 /kN 当安全系数为 2时, 单桩竖向承载力特征值 Ra/kN 试验阶段 A- 32. 0600300刚打完桩 C- 52. 0700350堆载预压 2个月 表 5 不同固结时间单桩复合地基静载试验结果汇总 试验点号桩间距 /m破坏荷载 /kN 陡降段起点 荷载值 /kN 复合地基极限 承载力 /kPa 复合地基承载力 特征值 fak/kPa 试验阶段 B- 12. 014401280320160打桩 7天 C- 32. 016001440360180堆载预压 2个月 C- 42. 016001440360180堆载预压 2个月 A- 12. 516001280320160刚打完桩 5636堆载预压个月 5636 堆载预压个月 C- 12.1 00144001802 C- 22.1 0014400180 2 40 岩土工程界第 12卷第 2期地基基础工程 本试验场地面积较小, 可认为场地内地层分布 较为均匀, 各试验点土质条件较为相似。分析上述 图表可以看出, 堆载预压前后间距 2 . 0m的单桩承 载力特征值由 300kN 增加到 350k N, 增幅约 17 % ; 打完桩后随着固结时间的延长, 复合地基承载力特 征值由 160kPa增加到 180kPa , 增幅约 12 . 5 %; 说明 砼芯砂石桩排水固结作用显著, 可迅速恢复施工受 损后桩间土的强度, 加快桩间土体中超静孔压的消 散和固结, 提高桩间土密实性和强度, 从而提高单桩 及复合地基承载力。 3 结语 排水固结是砼芯砂石桩复合地基法的一大技术 亮点, 本文围绕砼芯砂石桩复合地基的排水固结特 性, 从理论研究和现场试验两方面开展研究, 结果表 明: 砼芯砂石桩复合地基的排水固结特性与塑料 排水板或袋装砂井基本类似;砼芯砂石桩的排水 固结性能有效促进整个桩长范围内桩间地基土的固 结压缩, 增大了桩侧摩阻力, 提高地基深层的压缩变 形, 有利于减少地基工后沉降; 砼芯砂石桩复合地 基承载力随堆载预压时间的延长而逐渐增大, 表明 砼芯砂石桩排水固结作用显著, 可迅速恢复施工受 损后桩间土的强度, 加快桩间土体中超静孔压的消 散和固结, 提高桩间土密实性和强度, 从而提高单桩 及复合地基承载力。 参考文献 1中华人民共和国建设部. 建筑地基处理技术规范 ( J GJ79- 2002) S. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002. 2赵维炳, 施建勇. 软土固结与流变 J. 南京: 河海大学出版社, 1996. 3陈俊生, 唐彤芝, 赵维炳等. 混凝土芯砂石桩复合地基现场试 验研究 J. 岩土工程学报, 2007 , 29(7). 4陈俊生, 唐彤芝, 赵维炳. 混凝土芯砂石桩复合地基技术在处 理桥头深厚软基中的应用 J. 施工技术, 2007 ,36( 1). 5唐彤芝, 王芮文, 尹建斌, 陈俊生. 混凝土芯砂石桩复合地基排 水固结特性及试验研究 J. 公路, 2007 , (12). 6程万钊, 乐茂华, 王富永, 等. 混凝土芯砂石桩复合地基加固 堤防软基试验研究 J. 水利学报, 2007 , (10). 7南京水利科学研究院. 砼芯砂石桩复合地基处理深圳河河口 防洪堤深厚软基试验研究报告R . 2007, (12). 8南京水利科学研究院. 砼芯砂石桩复合地基加固深厚软基技 术研究结题报告 R . 2007 , (12). 第一作者通讯地址:南京市广州路 223号南京水利科学研究 院邮编: 210029 41