静载试验在水泥搅拌桩复合地基承载力检测中的应用分析.pdf

总660期2023年第30期（10月 下）0 引言水泥土搅拌桩具有工期短、施工技术成熟、经济效益高等特点，在软土地基处理中应用较广泛。但水泥搅拌桩属于隐蔽工程，其施工质量不易控制。如果水泥搅拌桩复合地基承载力不满足设计要求，可能导致公路路基工后沉降大，造成路面开裂、边坡失稳、路基沉陷等病害，不利于行车安全。如何科学合理地进行水泥搅拌桩复合地基承载力检测是工程师需要解决的关键问题。因此，进一步研究静载试验在水泥搅拌桩复合地基承载力检测中的应用具有重要的工程意义。1 工程概况本文以莞番高速公路为依托，该公路的建设标准为双向六车道，设计速度120 km/h，路基标准横断面宽度 34.5 m，其中：行车道宽 233.75 m，硬路肩宽 23.0 m（含右侧路缘带宽20.5 m），中间带宽4.5 m，土路肩宽20.75 m。由地勘资料可知，公路沿线分布有厚度不均的软弱土。对于厚度大于3 m的软土，采用双向水泥搅拌桩复合地基处理，以减小路基工后沉降。水泥搅拌桩的施工工艺为浆喷桩，桩体用 42.5级普通型硅酸盐水泥，水灰比设计值为0.450.55，水泥掺入量设计值为12%18%，具体水泥掺入量和水灰比应结合室内配比试验和现场试桩试验确定。同时，水泥搅拌桩桩身28 d无侧限抗压强度应1.0 MPa、90 d无侧限抗压强度1.5 MPa、单桩竖向抗载力110 kN，复合地基承载力110 kPa。由于水泥搅拌桩为隐蔽工程，施工质量控制难度大，为了保证水泥搅拌桩的作用效应，进行静载试验，对其承载力进行检测。2 水泥搅拌桩复合地基承载机理2.1 两个重要概念1）面积置换率水泥土搅拌桩复合地基是由桩体和桩间土共同承担荷载，需注意两者对荷载的承担比例，故建筑地基处理技术规范（JGJ 792012）中提出了面积置换率。面积置换率是指水泥搅拌桩面积与其所加固区面积的比值，与桩径、桩间距、桩体布置形式等因素密切相关。不同桩体布置形式的水泥搅拌桩面积置换率的计算公式如下：等边三角形布置：m=d223 l3（1）正方形布置：m=d24l2（2）长方形布置：m=d24l1l2（3）式（1）（3）中：m为水泥搅拌桩面积置换率；d为水泥搅拌桩直径；l、l1、l2均为桩间距。2）压缩模量软土地基经水泥搅拌桩处理后，其压缩模量会有明显提升。目前，确定复合地基压缩模量有两种方法：一是利用静载荷试验直接测定；二是利用桩体压缩模量Ep、桩间土压缩模量Ec及面积置换率计算，如下：Ec=mEP+(1-m)Es（4）式（4）中：Ec为复合地基压缩模量。收稿日期：2023-06-29作者简介：罗春旺（1989），男，广东东莞人，工程师，从事路桥检测工作。静载试验在水泥搅拌桩复合地基承载力检测中的应用分析罗春旺（东莞市交业工程质量检测有限公司，广东 东莞 523000）摘要：为提升复合地基检测水平，依托莞番高速公路，分析了水泥搅拌桩复合地基承载机理，从加卸载方式、加载反力装置、终止加载条件、沉降测量等方面探讨了静载试验检测复合地基的技术要点，并对B1#号桩、B2#号桩、B3#号桩、D1#桩的检测结果及成因进行分析；利用ABAQUS软件模拟了水泥搅拌桩静载试验，并将模拟值和实测值进行对比，研究结果可为复合地基检测提供参考借鉴。关键词：复合地基；承载力；载荷试验；有限元分析中图分类号：U416.1文献标识码：B62交通世界TRANSPOWORLD大量工程实践表明，现场静载荷试验所确定的压缩模量更能反映出复合地基的实际抗变形能力，但试验工作量大，经济性较差。条件受限时，可使用第二种方法来确定水泥搅拌桩复合地基的压缩模量。2.2 承载力发挥水泥土搅拌桩复合地基由桩体、桩间土、褥垫层三部分组成，承载力发挥过程如下：上部荷载传递至褥垫层，褥垫层将荷载按一定的比例分配给水泥土搅拌桩和桩间土；桩体与桩间土组成的复合加固体将其四周承受的摩擦力向下扩散传递，直至桩端土层及下部地层。在此过程中，侧摩阻力先发挥作用，侧阻力达到极限值后桩端阻力才发挥作用；上部加固区承载力达到临界值后，下部非加固区开始承担附加荷载。3 水泥搅拌桩复合地基承载力检测方案3.1 静载试验加、卸载3.1.1 加、卸载方式水泥搅拌桩单桩静载试验最大荷载应不小于单桩竖向抗压承载力特征值的2.0倍，加载方式采用“慢速维持荷载法”，加载应分级进行，分级荷载取最大试验荷载的1/10，但是第一级荷载要取分级荷载的2倍。卸载也应分级进行，每级卸载量取分级荷载的2倍，逐级等量卸载。需注意，水泥搅拌桩在加、卸载过程中应确保荷载均匀、连续、不对桩体产生冲击，且每级荷载在维持过程中的变化幅度不大于分级荷载的10%。3.1.2 加载反力装置水泥搅拌桩静载试验反力装置采用压重平台反力装置，如图1所示。在进行静载试验之前，需先验算反力装置构件的强度和变形，确保其提供的反力大于最大试验荷载的1.2倍。静载试验过程中，反力装置应均匀、稳固地放置于平台上，且将压重在检测前一次加足。图1 压重平台反力装置示意3.1.3 终止加载条件根据 建筑地基基础设计规范（GB 500072011）可知，静载试验期间出现以下情况时可终止加载：某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的5倍，且桩顶总沉降量大于40 mm；某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到稳定标准；在未达到极限荷载的条件下，加载量已达到最大试验荷载，桩顶沉降速率达到相对稳定标准；荷载-沉降曲线呈缓变形时，可加载至桩顶总沉降量6080 mm。如桩端阻力未充分发挥，可加载至桩顶总沉降量80100 mm。3.2 单桩竖向承载力确定3.2.1 沉降测量根据相关研究成果，水泥搅拌桩单桩竖向承载力确定往往是基于荷载-沉降（Q-S）曲线。桩体沉降变形测量可借助位移传感器或百分表，具体安装数量取决于桩径或承压板面积。当水泥搅拌桩桩径大于 500mm或承压板面积大于1 m，应对称安装4个测量仪表；桩径小于等于500 mm或承压板面积小于等于1 m，可对称安装2个测量仪表。3.2.2 单桩竖向承载力对于陡降型Q-S曲线，单桩竖向极限承载力取出现明显陡降的起始点所对应的荷载值；对于缓变型Q-S曲线，应综合考虑桩顶沉降量、桩径、桩长等因素确定单桩竖向极限承载力：普通桩取桩顶沉降S=40 mm时所对应的荷载值；桩径 d大于 0.8 m的桩，可取 S=0.05 d且S80 mm对应的荷载值；桩长大于25 m时，单桩竖向极限承载力对应的桩顶沉降量S80 mm。同时，单桩竖向承载力特征值为极限承载力的50%。3.3 静载试验注意事项3.3.1 沉降偏差在前几级加载后，对称位置的沉降量可能偏差较大，甚至出现一正一负，这可能是由于偏心加载造成了不均匀沉降或一边翘起。此时，应立即停止试验，卸载后重新安装调整千斤顶的中心，以确保其与桩轴线或压板中心重合。3.3.2 沉降突变如果水泥搅拌桩在加载期间，桩顶沉降突然明显增大或减小，主要原因可能是：旁边有大型机械经过或作业产生震动；其他物体碰撞了基准梁，造成位移测点移位。出现这种情况后，应立即停止试验，并查明原因。3.3.3 位移计量程如果加载到后半阶段发现某个位移计的沉降量基本不变，而其他的位移计正常变化，应及时核查位移计安装情况，查看沉降是否超出了位移计预留量程。3.3.4 油压不足如果加载到最后几级时油压升不上去，一方面是由于沉降量较大，选择的千斤顶量程不足，需更换量程更大的千斤顶；另一方面是由于加载前千斤顶与主梁的预留空隙过大，造成空载范围过大，此时应在千斤顶上增加钢垫板，以降低预留空隙。63总660期2023年第30期（10月 下）4 水泥搅拌桩复合地基承载力检测结果分析本文主要针对莞番高速公路的B路段和D路段的水泥搅拌桩复合地基进行静载荷试验，分析其荷载-沉降（Q-S）曲线变化规律。4.1 B路段静载试验结果B路段共检测3根水泥搅拌桩，分别命名为B1#号桩、B2#号桩、B3#号桩，桩径均为0.5 m，设计承载力特征值均为110 kN。B1#号桩、B2#号桩、B3#号桩的长度分别为9 m、11 m、13 m，Q-S曲线见图2。（a）B1#号桩（b）B2#号桩（c）B3#号桩图2 B路段静载试验结果由图2（a）可知：B1#号桩加载到176 kN时，Q-S曲线明显陡降，总沉降量为65.30 mm。根据 建筑地基检测技术规范（JGJ 3402015），B1#号桩的极限承载力取前一级荷载154 kN，则其承载力特征值取1540.5=77 kN，不满足设计要求，且卸载后回弹率仅15.68%，回弹效果差。由图2（b）可知：B2#号桩试验加载到220 kN时，总沉降量为50.53 mm，Q-S曲线平缓，无明显陡降段。则B1#号桩的极限承载力取S=40 mm对应的荷载值，即202 kN，该点承载力特征值取2020.5=101 kN，不满足设计要求，但卸载后回弹率高达76.71%，回弹效果较好。由图2（c）可知：B3#号桩试验加载到220 kN时，总沉降量为19.26 mm，Q-S曲线平缓，无明显陡降段。经分析，B3#号桩极限承载力220 kN，承载力特征值2020.5=110 kN，满足设计要求，卸载后回弹率为81.78%，回弹效果好。对于B1#桩，加载前七级沉降均匀，加到第八级时沉降位移出现陡降，推测是桩长较短，摩阻力不足，桩周土剪切破坏。同时，从Q-S曲线看卸载后回弹率很小，说明该桩桩身发生了破坏或者桩端持力层地质较差造成沉降剧增；对于B2#桩，整个加载沉降均匀，且回弹效果也较好，但是总体沉降量超过了40 mm，这证明了该桩不合格是由于桩长不够，摩阻力不足，但没有发生剪切破坏或桩端刺入破坏。B3#比B2#桩长2 m，摩阻力充足，沉降不大。4.2 D路段静载试验结果D路段检测1根水泥搅拌桩，命名为D1#桩，桩径0.5 m，桩长 13.5 m，设计承载力特征值为 140 kN，其Q-S曲线见图3。（a）D路段桩头处理前（b）D路段桩头处理后图3 D路段静载试验结果由图3可知：D1#桩开始加载后，前四级沉降均匀，但当加载第五级时，沉降量突然增大，超过前一级的5倍且总沉降量超过40 mm，故终止试验。根据建筑地基检测技术规范（JGJ 3402015）可知，D1#桩的极限承载力为 112 kN，承载力特征值取 1120.5=56 kN，不满足设计要求。在拆除反力平台后，检测人员发现桩头发生了破坏。经各方商议，拟对桩头不密实且破损部位进行凿除加固后重新试验。加载到 220 kN 时，总沉降量为4.76 mm，Q-S曲线平缓，无明显陡降段。经分析，D1#桩的极限承载力不小于280 kN，承载力特征值取2800.5=140 kN，结果满足设计要求。第一次检测结果不满足设计要求，是由于桩头部位水泥土质量较差，加载后桩头破坏。为解决这一问题，技术人员在开始检测前，检查每一根桩的桩头是否满足检测条件。同时，向业主反馈具体情况，提醒建设单位加强把控水泥搅拌桩的桩头质量，以提升水泥搅拌桩复合地基的施工质量。5 水泥搅拌桩复合地基静载试验模拟由上可知，水泥土桩复合地基的静载荷试验费用较高、耗费时间长等特点，在工期紧张的条件下适用性差。随着计算机技术的发展，很多公路工程计算时开始应用有限元法。5.1 有限元模型5.1.1 计算参数综合考虑模型的边界效应和计算速率，水泥搅拌桩复合地基的计算范围如下：平面上为桩边向外10倍桩径，竖向为水泥土桩桩端向下2倍桩长，各种材料的计算参数如表1所示。64交通世界TRANSPOWORLD表1 水泥搅拌桩复合地基计算参数材料类型水泥搅拌桩地基土荷载板黏聚力/kPa25内摩擦角/28弹性模量/MPa1307.5200 000泊松比0.250.300.205.1.2 本构模型地基土本构模型采用Mohr-Coulomb模型，即作用于某点的剪应力大于其抗剪强度时，此点就会产生破坏。M-C模型的屈服面方程F可用式（5）表达：F=Rmcq-ptan-c=0（5）式（5）中：Rmc为偏应力系数，无量纲；q为 Mises等效应力，单位kPa；p为等效压应力，单位kPa；为材料内摩擦角，单位；c为材料黏聚力，单位kPa。5.1.3 网格划分和边界条件有限元方法可以将任何物体划分成若干个小单元，且微小单元之间可以传递位移、应力、温度等作用。因此，水泥搅拌桩复合地基模型的网格尺寸越小、数量越多，模拟效果越准确。但网格数量不宜过多，否则计算模型可能不收敛。鉴于此，水泥搅拌桩及周边的网格适当加密，尺寸取0.1 m，其他部位网格尺寸取0.3 m，共划分了868个单元，1 028个节点，如图4所示。图4 水泥搅拌桩静载试验模型边界条件与实际情况相符，才能确保模拟结果的准确性。模型的底面对 X、Y、Z 方向位移进行约束，四周仅约束X方向位移，顶面为自由边界，可在空间内任一方向变形。5.2 有限元模型ABAQUS软件可利用时间步实现桩体逐级加载、逐级卸载，每级加载量和卸载量与现场静载试验相同。软件计算结束后，提出了不同荷载作用下水泥搅拌桩沉降值，并将其绘制在B1#号桩的Q-S曲线上，见图5。为了验证有限元法对水泥搅拌桩静载试验的模拟效果，利用误差W来评价，W值越小，模拟效果越好。W值的计算可用式（6）：W=M-SS 100%（6）式（6）中：Y为模拟值，单位kN；S为实际值，单位kN。图5计算结果表明：荷载为44 kN、66 kN、88 kN、110 kN、132 kN、154 kN、176 kN、198 kN时，ABAQUS软件模拟误差分别为-12.4%、8.5%、-2.9%、-8.4%、2.8%、2.0%、1.1%、1.3%。在加载初期，有限元法对静载试验的模拟误差较大，最大值达到了-12.4%。随着荷载作用的增加，模拟误差呈减小趋势，误差最小值为1.1%。出现上述现象的主要原因在于：荷载较小时，Q-S曲线基本呈线性关系，水泥搅拌桩处于弹性阶段；随着荷载增大，Q-S曲线开始骤降，水泥搅拌桩进入塑性变形。6 结论本文依托莞番高速公路，研究了水泥搅拌桩复合地基承载机理、静载试验技术要点，并利用 ABAQUS软件对现场试验结果进行验证，得到以下结论：1）在上部荷载作用下，水泥搅拌桩桩侧摩阻力先发挥作用，达到极限值后桩端阻力再发挥作用。2）静载试验检测水泥搅拌桩承载力时，需明确加载和卸载方式、终止加载条件、承载力确定方法等，并注意试验过程中是否存在沉降偏差、沉降突变、位移计量程、油压不足等问题。3）造成水泥搅拌桩单桩竖向承载力不合格的主要原因有桩身破坏、桩侧摩阻力不足造成土剪切破坏、桩端土刺入破坏等。4）ABAQUS软件对水泥搅拌桩静载试验的模拟值可能高于实际值，也可能低于实际值。初期加载阶段，模拟误差大，随着荷载增加，模拟误差减小。参考文献：1 卜美飞，杨洪祥，罗海程，等.长螺旋压灌桩复合地基在粉细砂地基中的应用J.中国水运(下半月)，2022，22（10）：164-166.2 陈建强.素混凝土桩复合地基综合检测技术分析J.江西建材，2022（8）：50-51，56.3 靳炎.CFG桩复合地基承载特征及沉降计算方法研究D.北京：北方工业大学，2022.4 周强.复合地基承载力试验分析J.中国资源综合利用，2022，40（1）：55-57.图5 静载试验模拟值和实测值对比65