軟土水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降特性試驗研究-

1、第40卷第3期中南大學學報(自然科學版 V ol.40No.3 2009年6月Journal of Central South University (Science and Technology Jun. 2009軟土水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降特性試驗研究胡賀松1, 2,彭振斌1,楊坪3,楊慶光4,彭文祥1(1. 中南大學地學與環(huán)境工程學院,湖南長沙,410083;2. 廣州市建筑科學研究院,廣東廣州,510440;3. 同濟大學地下建筑與工程系,上海,200092;4. 湖南工業(yè)大學巖土工程研究所,湖南株洲,412008摘要:為了分析軟土水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降特性,通過現(xiàn)場載荷試驗,對軟土單樁

2、和四樁水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降特性進行試驗研究。試驗結(jié)果表明:對于不同的荷載等級,單樁和四樁水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降可分為快速沉降和緩慢沉降2個階段;在快速沉降階段,沉降量可達到本級荷載下復(fù)合地基沉降量的90%左右,而在緩慢沉降階段,沉降量只占本級荷載下的10%;在不同荷載水平下,單樁沉降量比與時間的關(guān)系和四樁復(fù)合地基的沉降量比與時間的關(guān)系相似;其復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系可以用Hill模型進行描述。關(guān)鍵詞:軟土;水泥攪拌樁;復(fù)合地基;沉降中圖分類號:TU411 文獻標識碼:A 文章編號:16727207(200903080305Settlement characteristic of compo

3、site foundation forcement mixing piles in soft soilHU He-song1, 2, PENG Zhen-bin1, Y ANG Ping3, Y ANG Qing-guang4, PENG Wen-xiang1(1. School of Geology and Enviromental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangzhou Institute of Building Science, Guangzhou 510440, China;3

4、. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;4. Geotechnical Engineering Institute, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, ChinaAbstract: In order to analyze the settlement characteristic of composite foundation for cement mixing piles in soft soil, th

5、e settlement characteristics of composite foundation for single and four cement mixing piles in soft soil were analyzed by loading. The test results show that the settlement of composite foundation for single and four cement mixing piles, under different loads, includes two stages, i.e., quick settl

6、ement and slow settlement. At the stage of the quick settlement, composite foundation settles fast. 90% of the total settlement for the loading takes place during the quick settlement, and the remaining 10% of the settlement occurs during the slow settlement. In different load stages but in the same

7、 period, the relation of settlement ratio and time of composite foundation for single and four cement mixing piles is similar. The relationship between settlement and time can be described by Hill model.Key words: soft soil; cement mixing piles; composite foundation; settlement目前,人們對復(fù)合地基沉降的研究遠少于對復(fù)合地

8、基承載力的研究,也遠遠落后于工程實踐的需要,復(fù)合地基沉降計算理論還不成熟,因此,對復(fù)合地基沉降量進行計算和預(yù)測是現(xiàn)階段復(fù)合地基研究領(lǐng)域的收稿日期:20080620;修回日期:20080918基金項目:國家自然科學基金資助項目(50878212;上海市博士后科研基金資助項目(05R214145通信作者:胡賀松(1979,男,河南駐馬店人,博士研究生,工程師,從事巖土工程檢測與監(jiān)測;電話:135*;E-mail: hesonghu79中南大學學報(自然科學版 第40卷804一個重要課題。Pells等13認為復(fù)合地基沉降是一個多因素作用的綜合的復(fù)雜過程;喬京生等4通過模型試驗和數(shù)值模擬對復(fù)合地基進行

9、研究,提出樁體沉降法計算沉降量,并通過與工程實測對比分析,結(jié)果表明,采用樁體沉降法計算的沉降量與實測沉降量相吻合;王鳳池等56通過對復(fù)合地基沉降規(guī)律進行分析,得出復(fù)合地基沉降時間曲線具有單調(diào)遞增性、有界性和呈“S”形的特點,并利用復(fù)合地基的變形協(xié)調(diào)條件,推導(dǎo)了層狀土中樁體復(fù)合地基的荷載沉降關(guān)系及樁土應(yīng)力比公式,并結(jié)合工程實際對其精度進行了驗證;劉杰等7推導(dǎo)出路堤荷載作用下復(fù)合地基加固區(qū)樁及樁周土壓縮量計算的解析式;章定文等8通過二維有限元方法分析了路堤荷載下復(fù)合地基變形特性?，F(xiàn)有各種復(fù)合地基沉降計算方法中,由于對壓縮土層剖面分布、計算深度、計算模型、荷載條件等都進行了簡化,使沉降理論計算結(jié)果與

10、工程實測結(jié)果有不同程度的差異,特別是沉降過程及沉降量的預(yù)估誤差更大912。常見的指數(shù)曲線法、雙曲線法等沉降曲線擬合方法存在一些不足,如采用指數(shù)法時,在初期沉降預(yù)測誤差較大,采用雙曲線法所得預(yù)測值偏于保守。為此,本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上1317,通過現(xiàn)場載荷試驗,分別對軟土單樁和四樁水泥拌攪樁復(fù)合地基沉降特性進行分析研究。1土的基本性質(zhì)采用數(shù)理統(tǒng)計方法,對試驗場地軟土物理力學性質(zhì)進行統(tǒng)計分析,得到軟土的物理力學指標:含水量為65.96%,孔隙比為1.72,飽和度為94.95%,液限為48.96%,塑限為34.13%,液性指數(shù)為1.85,塑性指數(shù)為14.83,固結(jié)系數(shù)為1.29×103

11、 cm2/s,壓縮模量為1.98 MPa,凝聚力為5.82 kPa,內(nèi)摩擦角為4.69。2實驗方案分單樁復(fù)合地基和四樁復(fù)合地基進行實驗。選用水泥攪拌樁,采用濕噴工藝,樁長為15.5 m,樁徑為500 mm,四樁復(fù)合地基樁間距為1.5 m,呈正方形布置,設(shè)計承載力為100 kPa。單樁復(fù)合地基載荷試驗和四樁復(fù)合地基載荷試驗所采用的承壓板長×寬分別分別為150 cm×150 cm 和240 cm×240 cm,上部最大載荷均為200 kPa。試驗采用鋼梁和混凝土塊組成的壓重平臺作為施荷反力系統(tǒng),重物平臺總質(zhì)量為預(yù)定最大試驗荷載的20%以上,載荷在試驗前一次性加上平臺。

12、試驗時,由置于試驗承壓板上的油壓千斤頂逐級加、卸荷載,每級荷載所需的油壓讀數(shù)由千斤頂?shù)暮奢d油壓關(guān)系標定曲線經(jīng)換算得出,千斤頂作用中心線與承壓板中心線重合。在承壓板對稱位置垂直安裝4個WBD30型機電百分表,測讀承壓板在各級荷載作用下的沉降量,百分表精度為0.01 mm。載荷試驗參照建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 792002要求,分8級加載,每級荷載為25 kPa,卸載分4級進行,每級卸載減量為預(yù)定最大試驗荷載的1/4,即50 kPa。3試驗結(jié)果分析3.1 單樁和四樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系進行荷載試驗時,單樁復(fù)合地基在荷載為150 kPa 和175 kPa及四樁復(fù)合地基在荷載為100 kPa

13、和125 kPa時,單樁和四樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系分別如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出:單樁和四樁復(fù)合地基在小于地基允許承載力的荷載作用下,其沉降量與加載時間的關(guān)系相似,對于不同的荷載,只是沉降量不同,而沉降發(fā)展的規(guī)律相同。沉降曲線存在2個階段:快速沉降階段和緩慢沉降階段,分別見圖1和圖2中的AB段和BC段。在快速沉降階段,沉降速率快,沉降量可達到本級荷載下復(fù)合地基沉降量的90%左右。而 圖1單樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between settlement and time forsingle pile第3期 胡賀松,等:軟土水泥攪拌樁復(fù)合地

14、基沉降特性試驗研究 805 圖2 四樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between settlement and time for four piles在緩慢沉降階段,沉降速率很小,沉降量只占本級荷載下的10%。3.2 復(fù)合地基沉降規(guī)律單樁和四樁復(fù)合地基在不同荷載水平作用下,沉降量與時間的關(guān)系相似,只是沉降量不同,為了便于分析,將某級荷載水平作用下不同時間的沉降量進行歸一化處理,即將某級荷載水平作用下某時刻的沉降量除以本級荷載水平作用下的最大沉降量,得出沉降量比與時間的關(guān)系曲線。單樁復(fù)合地基沉降量比與時間的關(guān)系如圖3所示。四樁復(fù)合地基沉降量比與時間的關(guān)系同圖3

15、相似。對圖3中的點采用Matlab 軟件編程擬合,得出沉降量比與時間的關(guān)系式為:nnn t tm t ks s +=0/。 (1 圖3 單樁復(fù)合地基沉降量比與時間的關(guān)系 Fig.3 Relationship between settlement ratio and time forsingle pile式中:s t 為t 時刻的沉降量;t 為時間;s 0為該級荷載下的最大沉降量;k 為修正系數(shù);m 和n 為試驗參數(shù),與復(fù)合地基的性質(zhì)有關(guān),其中,m 的量綱與t 的量綱一致,n 為無量綱。式中擬合參數(shù)見表1。其中,R 2為相關(guān)系數(shù),該值越大,說明相關(guān)性越好。表1 擬合參數(shù) Table 1 Regr

16、ess parameters類型 k m n R 2 單樁復(fù)合地基1.110.017 18 0.247 94 0.927 89四樁復(fù)合地基1.030.329 990.563 820.847 46從圖3及表1可知,擬合曲線與實測點具有良好的相關(guān)性。因此,可以用式(1來描述復(fù)合地基的沉降發(fā)展過程。對式(1進行變換,便可得沉降量與時間的關(guān) 系式:nnn t tm t ks s +=0。 (2因此,可以用式(2來描述軟土水泥拌攪樁復(fù)合地基的沉降發(fā)展過程,即復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系可以用Hill 模型進行描述。圖47所示是在荷載為75 kPa 和175 kPa 時,用式(2計算的計算值與實測值的數(shù)值對

17、比結(jié)果?？梢?無論是單樁復(fù)合地基,還是四樁復(fù)合地基,在不同荷載作用下,在不同時刻,計算所得的沉降量與實測沉降量基本一致,說明用式(2描述復(fù)合地基的沉降發(fā)展過程是正確的。圖4 75 kPa 時單樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系 Fig.4 Relationship between settlement and time for singlepiles under 75 kPa中南大學學報(自然科學版 第40卷806 圖5 175 kPa時單樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系Fig.5Relationship between settlement and time for singlepiles under

18、 175 kPa 圖6 75 kPa時四樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系Fig.6Relationship between settlement and time for four pilesunder 75 kPa 圖7 175 kPa時四樁復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系Fig.7Relationship between settlement and time for four pilesunder 175 kPa 4結(jié)論a. 對于不同的荷載等級,單樁和四樁水泥拌攪樁復(fù)合地基沉降可分為快速沉降階段和緩慢沉降階段。在快速沉降階段,沉降量可達到本級荷載下復(fù)合地基沉降量的90%左右;而在緩慢沉降階段,沉降

19、量只占本級荷載下的10%。b.當荷載小于復(fù)合地基允許承載力時,在不同荷載下,單樁沉降量比與時間的關(guān)系和四樁復(fù)合地基的沉降量比與時間的關(guān)系相似。c.利用現(xiàn)場試驗得到的單樁和四樁復(fù)合地基的沉降量比與時間關(guān)系曲線,采用Matlab軟件編程擬合,得到復(fù)合地基沉降量與時間的關(guān)系可以用Hill模型描述。對于單樁和四樁復(fù)合地基,在不同荷載水平作用下,利用Hill模型計算的沉降量與實測沉降量基本一致。參考文獻:1 Pells P J N, Turner R M. Elastic solution for the design andanalysis of reek-rocketed pilesJ. Canad

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