水泥粉煤灰碎石桩复合地基技术应用

1、2010年第5期(总第195期黑龙江交通科技HE I L ON GJ I A N G J I A O T ON G KEJ INo.5,2010(Sum No.195水泥粉煤灰碎石桩复合地基技术应用刘福生(黑龙江省收费公路管理局牡丹江处摘要:水泥粉煤灰碎石桩复合地基是一种新型的地基加固处理方法,和其他传统地基处理方法相比,水泥粉煤灰碎石桩具有显著的桩体作用、明显的挤密作用、应力集中与扩散作用、复合地基承载力提高幅度大、变形小、沉降稳定快等特点,能有效的调整桩体应力,充分发挥桩间土、桩体的承载力。目前,我国水泥粉煤灰碎石桩复合地基尚没有比较成熟的理论分析,特别是对复合地基重要的计算参数一桩土应力

2、比及沉降变形规律还缺乏深入系统的研究,目前国家和行业部门对水泥粉煤灰碎石桩复合地基也尚无正式的规范。关键词:水泥粉煤灰;碎石桩;复合地基中图分类号:U41611文献标识码:C 文章编号:1008-3383(201005-0014-02收稿日期:2010-06-211水泥粉煤灰碎石桩加固机理1.1置换作用复合地基置换作用的大小主要取决于桩体材料的组成,高粘结强度桩置换作用较大,加大桩长可使复合地基置换作用明显提高。水泥粉煤灰碎石桩复合地基就桩体和桩间土的材料特性而言,原天然土的泊松比较水泥粉煤灰碎石桩大,而桩体的强度和弹性模量远远大于桩间土,水泥粉煤灰碎石桩承担的荷载远大于桩间土,可见土被水泥粉

3、煤灰碎石桩置换是复合地基承载力得到提高的主要原因之一。1.2排水作用水泥粉煤灰碎石桩桩体材料的渗透性与混合料中粉煤灰和水泥的用量有关,经实验测试,水泥粉煤灰碎石桩桩体的渗透系数一般在10-310-1c m /s 范围内,而桩间自然土层的渗透系数一般在5×10-45×10-2c m /s,远比桩体的渗透性小,所以桩体具有良好的透水性,桩体的排水作用有利于孔隙水压力消散,有效应力增长,水泥粉煤灰碎石桩复合地基在成桩初期,桩体实际上已构成了固结排水通道,加速了桩周土的固结过程,桩体的排水作用较为明显。1.3桩间土的改良作用经过对水泥粉煤灰碎石桩复合地基加固前后桩间土的物理力学性质

4、的试验分析表明,桩间土的物理力学性质得到了较大提高,一般含水量降低14%19%,天然容重增加1.03%2.2%,孔隙比降低13%以上,压缩系数减小11%52%,而静力触探贯入阻力提高30%以上。同时发现,在加固范围内,水泥粉煤灰碎石桩对粘性土或粉土的工程性质改善较明显,而对砂类土基本没有改变,但振密效果比较显著。1.4桩对土的约束作用在群桩复合地基中,桩对桩间土具有阻止土体侧向变形的作用。相同荷载水平条件下,无侧向约束时土的侧向变形大,从而使垂直变形加大;由于桩对土体侧向变形的限制,减少了侧向变形,也就减小了垂直变形,使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。总之,水泥粉煤灰碎石桩对散、松砂体加固

5、效应主要表现为挤密效应、排水效应及预震效应;而对粘性土加固效应主要表现为桩体的置换、挤密作用,同时还有时间效应。2水泥粉煤灰碎石桩复合地基垫层技术垫层是复合地基的重要组成部分,是高粘结强度桩形成复合地基的必要条件,复合地基的许多特性都与垫层有关,因此,垫层技术是水泥粉煤灰碎石桩复合地基的一个核心技术。其主要作用有保证桩、土共同承担荷载;调整桩、土荷载分担比;减小基础底面的应力集中;调整桩、土水平荷载的分担。若基础下面不设置垫层,基础直接与桩和桩间土接触,在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。由于桩的沉降很小,桩上的荷载向土上转移数量很小,桩间土承载力很少发挥,桩、土应力比很大,桩对基础的应力集

6、中很显著,和桩基一样,需要考虑桩对基础的冲剪破坏,水平荷载作用下,水平传力方式为接触传力,水平荷载主要由桩来承担。若在基础下设置一定厚度的垫层,即使桩端落在好的土层上,也能保证一部分荷载通过褥垫作用在桩间土上,使桩、土共同承担荷载,桩土应力比逐渐减小,桩对基础底面产生的应力集中也显著降低,水平传力方式改为摩擦传力,桩承担的水平荷载较小。但当垫层厚度过大时,会导致桩土应力比等于或接近1,此时桩承担的荷载非常小,复合地基中桩的设置已失去了意义,复合地基的承载力较天然地基不会有太大的提高,反而建筑物的变形会增大。3水泥粉煤灰碎石桩复合地基承载特性复合地基由于发挥了桩间土的承载能力,在桩侧产生一个较大

7、的竖向增量,使得复合地基中桩的承载特性与自由单桩不同。对水泥粉煤灰碎石桩复合地基,当基础承受垂直荷载时,由于基础下设置了褥垫层,桩可以向上刺入,垫层材料不断调整补充到桩间土上,使桩和桩间土始终参与工作。给定荷载下,桩和土的荷载分担均为一常值,它不随时间变化而改变。通过现场试验测试得到桩的荷载承担比随荷载的变化规律为复合地基上施加荷载后,随着时间的延续,桩顶和桩间土顶面的平均接触应力有一个调适过程,当施加荷载小于复合地基的承载力标准值时,随着时间的延续,桩承担的荷载由上升趋势逐渐趋于稳定,而桩间土承担的荷载开始表现为下降趋势,这种现象说明,在复合地基受到荷载作用的初期,桩间土承担的荷载有向桩体转

8、移的现象。当桩间土承41第5期刘福生:水泥粉煤灰碎石桩复合地基技术应用总第195期担的荷载超过其标准承载力时,在施加荷载的短时间内,桩承担的荷载略有向桩间土转移的现象,但转移量较小,时间较短,桩土应力比很快就达到稳定,但随着荷载的继续增大,桩土应力比呈下降的趋势,因此在复合地基中桩的承载能力和桩间土的承载能力不能够同时完全发挥。研究表明水泥粉煤灰碎石桩复合地基在任一荷载下,桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及基础的沉降均不相同,在某一深度Z范围内,土的位移大于桩的位移,土对桩产生的摩擦力方向是与桩沉降方向一致的,即所谓的负摩擦力。Z0处桩的位移和土的位移相等,该断面所处位置为中性点。当Z>Z

9、0时,桩的位移大于土的位移,土对桩产生的是正摩阻力。在中性点以上,桩的轴向应力随着深度的增加而增大,中性点以下桩的轴向应力随着深度的增加而减小,桩的最大轴向应力就在中性点处。桩基中桩与承台刚性连接,在正常情况下,受垂直荷载后桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以及承台的沉降都相等。桩顶以下桩各部位的位移都大于相应部位土的位移,桩侧土体对桩产生与桩位移方向相反的侧阻力,即正摩擦力,桩的最大轴力发生在桩的顶部。通过有限元计算分析也得到类似的规律,中性点位于桩顶下0.5 1.2m之间,随着褥垫层厚度增加,桩身轴力相应降低。由于褥垫层的设置,无论桩端落在软土层还是硬土层上,从加荷一开始桩就存在一个负摩擦区。水

10、泥粉煤灰碎石桩复合地基土对桩的负摩擦作用,并非有害,它对提高桩间土的承载力、减少复合土层的变形起着有益的作用。刚性基础下群桩复合地基,桩所处的位置不同,受力的大小也不同,一般是角桩受力最大,边中桩次之,中心桩最小。通过对桩式复合地基的理论分析,认为在荷载一定、其他条件相同时,桩承担的荷载随桩长、桩截面面积增加而增大;随桩距减小而增大;土的强度越低,褥垫层越薄,桩承担的荷载越大。根据有、无边载情况下水泥粉煤灰碎石桩复合地基竖向静载试验结果,研究分析认为边载的作用主要是提高桩间土的承载力,而对桩的承载力影响不大,在同一荷载水平下,有边载条件下桩的荷载分担比低于无边载情况,在同一桩顶荷载水平下有边载

11、情况的总荷载水平要大于无边载情况。试验表明水泥粉煤灰碎石桩复合地基,荷载较小时,土承担的荷载大于桩承担的荷载,随着荷载的增加,桩间土承担的荷载占总荷载的百分比逐渐减少,桩承担的荷载占总荷载的百分比逐渐增大。通过水泥粉煤灰碎石桩复合地基桩土应力比试验研究,得到桩土应力比与试验点的荷载关系为先增后减,而桩间土分担荷载百分比则正好相反。4水泥粉煤灰碎石桩复合地基变形特性研究表明在同一荷载水平下,桩越长、褥垫层越薄、下卧层越硬,上刺入量及下刺入量越小,桩间土荷载分担比越高,桩间土的压缩变形越大。同一桩长在不同的荷载作用下,加固区的压缩变形和下卧层的压缩变形占总压缩变形的百分比基本不变。基础宽度越大,沉

12、降变形越大。复合地基的沉降曲线与天然地基的沉降曲线相比较,复合地基沉降曲线浅部比较平缓,但由于复合地基中桩将一部分荷载传递到深层,深部沉降相对于天然地基沉降大。荷载相同时,复合地基中桩的变形比自由单桩的变形大,群桩复合地基沉降曲线呈加工硬化型,有边载的情况下,荷载板下部沉降小于无边载情况,荷载板以外则相反,同一深度的变形趋于均匀化。复合地基基础总沉降由三部分组成,其一为桩长范围土层的压缩量,其二为下卧层的压缩量,其三为褥垫层的压缩量。复合地基的桩长、褥垫层的厚度和弹性模量、基础的宽度、下卧层土性、桩侧阻力的分布等因素对基础总沉降都有较大的影响。5水泥粉煤灰碎石桩一土工格网复合地基为适合在天然软

13、土地基上快速建造路堤类构筑物的需要,保证路基及路堤的稳定和防止地基不均匀沉降,使路堤的填土荷载均匀作用于桩顶及桩间土上,在桩顶上设置一桩帽(或称桩承台,并在其上设一加筋土垫层,代替刚性基础,可采用桩网复合地基这种新型地基处理方式,桩网复合地基是网桩土协同作用、桩和土共同承担荷载的人工地基。与目前单一的水平向增强体型和竖直向增强体型这两种单一型复合地基相比,桩网复合地基是水平向增强体型+竖直向增强体型的联合型复合地基,简称为桩承堤或桩承堤加筋垫层。其作用主要是发挥桩和土的共同作用,提高地基的承载力,减少沉降。工程实践证明,不论变形和稳定性都获得良好的效果。(上接第13页佳养生条件下才能达到最佳强

14、度,而且不裂缝或少裂缝,实际全面达到最佳状态是件很难的事情,略一疏忽就出现偏差。当两种以上偏差同时出现在同一路块时,通车后很容易出现早期的局部破坏。沥青混凝土材料的不均匀性也造成路面的早期破坏,一是矿料离析引起强度不足,当严重离析时其回弹模量只有均匀的30%左右;再是空隙率大,渗水,引起水害;三是油石比不均匀,油小时易松散,油大时形成油泡、搓板、波浪等;四是压实度的不均匀,当压实度小时,形成空隙率大的病害,总之,不论什么结构层,不论什么材料的不均匀都能造成强度不足,引起路面的早期破坏。(5设计上的不合理给路面的质量留了隐患。设计是工程的第一步,是质量的灵魂,有的路面在设计时对当地客观条件数据分析不好很容易引起路面的早期破坏。再是将超载车的轴载按标准轴载进行换算,从道理上讲并不完全合理,现在的超载车轴重很多达到200k N以上,最高的达到310k N,超过标准轴重的1倍多。超载车通过一次所产生的弯沉就造成基底的拉应力超过了设计的极限值。分析沥青路面早期破坏原因,关键是知道沥青路面早期破坏的原因后