透水混凝土桩复合地基的承载特性模型试验 [PDF全文]
(1东南大学岩土工程研究所, 南京 211189)

为研究透水混凝土桩复合地基的承载特性, 采用模型试验获得了分级加载过程中的沉降、桩土应力比、桩身侧摩阻力和孔压消散规律. 结果表明,骨料粒径为3~5 mm、孔隙率为30%的透水混凝土模型桩可以兼顾强度和透水性. 处理饱和粉土地基时, 相比不透水混凝土桩复合地基, 透水混凝土桩复合地基使固结时间缩短30.3%,侧摩阻力平均提升0.12 kPa,并降低了荷载引起的超孔压峰值.水平方向越靠近桩体, 透水混凝土桩的排水减压作用越明显.对比不同深度的超孔压峰值, 靠近桩体时, 透水混凝土桩对上部地基的排水减压效果较好, 而远离桩体时, 透水混凝土桩对下部地基的排水减压效果较好. 透水混凝土桩可以快速提高桩周土体的承载能力.

Model test of bearing characteristics on pervious concrete pile composite foundation
Du Guangyin1,Cai Jun1,Sun Changshen2,Xia Han1,Zhang Dingwen1
(1Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design and Research, Hangzhou 310006, China)

To investigate the bearing characteristics of the pervious concrete pile composite foundation, the settlement, the pile-soil stress ratio, the side friction and the pore-water pressure during the multi-stage loading were obtained by model tests. The results show that both strength and permeability can be achieved for the model pervious concrete pile with the aggregate size of 3 to 5 mm and the porosity of pervious concrete of 30%. When treating the silt foundation, compared with the impervious concrete pile composite foundation, the pervious concrete pile composite foundation can shorten the consolidation time by 30.3%, and increase the side friction with an average value of 0.12 kPa. During the loading process, the pervious concrete pile can significantly reduce the peak value of the excess pore-water pressure. The closer the horizontal direction distance to the pile body, the more obvious the dissipation effect of the pervious pile. As for the peak values of excess pore water pressure at different depths, the pervious pile exhibits a better effect on the drainage decompression of the upper foundation when it is closer to the pile. However, the drainage decompression effect of the lower foundation is better when it is far from the pile. The pervious concrete pile can quickly increase the soil bearing capacity.

引言

江苏省沿海地区的饱和粉土层呈间断分布,且多为砂质粉土[1]. 该粉土层位于地下水位线以下,具有高饱和度、高含水量、高压缩性、低强度、低承载力的特点,因而在该地区建设前需要进行地基处理. 常见的地基处理方法主要包括复合地基法和排水固结法两大类.复合地基法工期短,但成本高; 排水固结法成本低,工期又长.Suleiman等[2-7]结合这2种方法的优点,提出了透水刚性桩的地基处理方法.

透水刚性桩是以透水混凝土孔隙、桩壁开孔或设置塑料排水板等作为排水通道,使桩体兼顾承载和排水功能的一种特殊桩型,根据透水刚性桩体结构形式和加固机理,可以将透水刚性桩分为以下3类:① 透水混凝土管桩[4-6,8],即桩体采用透水混凝土制作,桩顶设置砂或碎石垫层,土体中的水通过桩身混凝土孔隙流入桩体,然后向上排出,从而起到排水固结的作用; ② 开孔型管桩[9-11],即在普通混凝土管桩或预应力混凝土管桩桩身开孔,将管桩侧壁上的孔洞作为排水通道; ③ 抗液化排水刚性桩[12-13],即在刚性桩的侧面设置多个凹槽,并布设不同的工程材料以形成排水通道. 这种地基处理方法可以加快超静孔隙水压力消散,有效减轻沉桩挤土效应和地基液化,具有处理深度大、施工速度快、工后沉降小及承载力大等优点. 与其他2种类型的透水刚性桩相比,透水混凝土桩全身均可透水,排水减压效果好,随着透水混凝土材料的发展,其应用前景更为广阔.

透水混凝土是由特定级配的集料、水泥、水和外加剂等按特定比例拌制,经特殊工艺成型的具有连续孔隙结构的混凝土. 透水混凝土集料骨架间含有大量的贯通性孔隙,并多为直径超过1 mm的大孔,孔隙率通常为15%~25%,抗压强度通常为10~30 MPa,渗透系数通常为2.0~5.4 mm/s,甚至有时能够达到12 mm/s[14]. 文献[15-18]研究了不同种类和粒径下透水混凝土的力学性能,发现骨料的强度、粒径以及黏聚物强度均对混凝土强度产生较大影响. 文献[6,19-20]兼顾了透水混凝土的透水性能和强度的最优配合比,建立了强度-渗透性模型.

虽然国内外对透水混凝土的研究已经相对成熟,但是,将其作为一种桩体材料并应用于地基处理的研究相对较少. 因此,开展透水混凝土桩复合地基的承载特性研究,有助于其推广和应用. 本文采用模型试验的方法,通过对比透水和不透水混凝土桩复合地基,探究透水混凝土桩处理饱和粉土地基的加固效果和承载特性.

1 模型试验1.1 透水混凝土

本试验所用模型桩由透水混凝土制作而成.由于试验设定模型桩为预制桩,满足28 d强度即可,故未考虑添加剂,透水混凝土所用材料主要包括粗骨料、水泥和水. 考虑到模型槽尺寸和试验的桩径,选用3~5 mm和4~6 mm两种不同粒径的粗骨料来制作透水混凝土进行对比,粗骨料为磨细石灰岩,其物理指标见表1.

表1 粗骨料的物理指标

表1 粗骨料的物理指标

由于透水混凝土是由孔隙和骨架构成的多孔结构,故透水混凝土的强度由粗骨料颗粒间的机械咬合力和黏结料的黏结强度共同决定. 水泥浆的用量以刚好能够均匀包裹骨料为最佳标准.

《透水水泥混凝土路面技术规程》[21]要求采用强度等级42.5级及以上的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥. 为保证复合地基承载性能,本试验采用52.5级普通硅酸盐水泥,拌和水为普通自来水.

设计透水混凝土配合比时,一般使用体积法来确定各种原材料的用量,即透水混凝土体积等于制备的透水混凝土中各原材料体积与孔隙体积之和,一般以单位体积(通常为1 m3)的透水混凝土进行计算. 配置1 m3的透水混凝土,各原材料用量按下式计算[14]:

(mg)/(ρg)+(mc)/(ρc)+(mw)/(ρw)+p=1(1)

式中,mg、mc、mw分别为单位体积的透水混凝土中粗骨料、水泥和水的质量,kg; ρg、ρc、ρw分别为粗骨料、水泥和水的密度,kg/m3; p为设计的孔隙率,%.

参考文献[14],设计透水混凝土配合比,结果见表2.通过模具制作透水混凝土试块(见图1).

表2 透水混凝土的原料用量

表2 透水混凝土的原料用量

图1 透水混凝土试块照片

图1 透水混凝土试块照片

透水混凝土的一个重要指标为透水系数.采用定水头的方法测定透水混凝土的透水系数,透水系数测定装置见图2.文献[22]显示,水头差大于4 cm后透水系数趋于稳定,故透水混凝土透水系数的测定试验中取水头差为5 cm,测试结果见图3.

图2 透水混凝土透水系数测试图

图2 透水混凝土透水系数测试图

图3 不同孔隙率下透水混凝土的抗压强度和透水系数

图3 不同孔隙率下透水混凝土的抗压强度和透水系数

透水混凝土试块的28 d抗压强度按照标准[23]进行测定,结果见图3. 由图可知,随着孔隙率的增加,透水混凝土的透水系数增大,抗压强度减小,当孔隙率为30%时两曲线相交. 综合考虑,透水混凝土的骨料粒径选取为3~5 mm,孔隙率选取为30%.

1.2 试验装置和材料

本试验采用顶部开口、四周和底部密闭、尺寸为1 m×1 m×1.2 m(长×宽×高)的模型箱(见图4).通过布置不同的传感器,利用静态应变仪采集试验过程中的土压力、孔隙水压力、应变以及沉降数据.

图4 模型箱和静态应变仪照片

图4 模型箱和静态应变仪照片

模型试验所用的粉土取自江苏盐城大丰港的淮盐高速公路施工现场,土体的物理力学参数见表1. 粉土的颗分曲线见图5.由图可知,土样砂粒(粒径d>75 μm)的质量分数为14.5%,粉粒(5 μm<d<75 μm)的质量分数为76.8%,黏粒(d<5 μm)的质量分数为8.7%. 土样的基本物理性质指标见表3,按照《土的工程分类标准》[24],该粉土属于低液限粉土. 按照《建筑地基基础设计规范》[25]和《岩土工程勘察规范》[26],该粉土属于砂质粉土.

图5 粉土的颗粒分布曲线

图5 粉土的颗粒分布曲线

试验过程中,先将粉土晒干后粉碎,根据试验要求制备成w(水)=30%的泥浆,制作过程中采用搅拌机进行充分搅拌,以此来减少土中产生的气

表3 粉土的基本物理性质指标

表3 粉土的基本物理性质指标

泡. 然后,将充分搅拌的粉土泥浆分层倒入模型箱内,按照每层10 cm进行模型箱内的分层铺设,每铺设完一层后,盖上塑料薄膜,防止水分蒸发,静置12 h以上,使粉土在自重作用下进行固结,以保证模型箱中每次试验土的均一性.表4为制样完成后土样的实测三相指标.

表4 制样后的土样实测三相指标

表4 制样后的土样实测三相指标

1.3 模型试验和传感器布置

通过对比透水混凝土桩(简称为透水桩)和不透水混凝土桩(简称为不透水桩),研究透水混凝土桩复合地基的承载特性. 试验过程中,在透水混凝土桩表面涂抹一层混凝土封闭透水孔,并于同等条件下养护成型,制成不透水混凝土桩. 桩体的尺寸选取参考规范[27]建议的桩径300~500 mm,桩间距为3~6倍桩径.考虑到模型箱的尺寸,本次模型试验的几何相似比取1:5,模型桩外径为70 mm,内径为20 mm,桩长500 mm(见图6),以保证试验中不存在边界效应.桩体制作完成后放入标准

图6 透水混凝桩和不透水混凝土桩(单位:mm)

图6 透水混凝桩和不透水混凝土桩(单位:mm)

养护箱养护28 d,再进行相关试验和测试.

设计的模型箱传感器布置见图7. 模型透水混凝土桩直径D=70 mm,桩间距根据规范[27]建议的3~6倍桩径,参考上限值,载荷板直径约为6D.为获得桩土应力比,取2个土压力传感器均匀地布置在桩顶测试桩顶压力,在荷载板下布置1个土压力传感器测试土压力. 孔压传感器按照编号1#~9#进行布置(见图7(a)),其中沿桩体径向布置的1#、2#和3#孔压计分别对应1倍、2倍和4倍桩径.

图7 模型试验传感器布置示意图

图7 模型试验传感器布置示意图

沉桩完成,待超静孔隙水压力完全消散后,布置一层土工织物,然后选取中粗砂制作砂垫层,砂垫层厚度为50 mm(见图8). 开始试验前,采用最大试验荷载的5%~10%进行预压,卸载调零后再放置载荷板,安装位移计,进行正式试验. 加载过程参考复合地基规范[28],采用慢速维持荷载法.试验荷载分为13级,逐级等量施加. 第1次加载量为分级荷载的2倍[28],设计最大荷载量为2.8 kN.

图8 复合地基加载照片

图8 复合地基加载照片

2 试验结果与分析2.1 沉降分析

图9给出了透水桩和不透水桩复合地基的加载沉降曲线.由图可知,透水桩和不透水桩复合地基沉降稳定的时间分别为34.5和49.5 h,前者相对后者缩短了30.3%. 随着荷载的增加,地基土越来越密实,渗透系数逐渐变小,2种工况的沉降稳定时间均有所增加,但不透水桩复合地基增加的时间更多. 在荷载相同的条件下,透水桩和不透水桩复合地基最终沉降几乎相等,分别为16.48和16.47 mm.因此,相比于不透水桩,透水桩能够加速复合地基的固结,缩短施工时间.

图9 模型试验加载和沉降曲线

图9 模型试验加载和沉降曲线

2.2 桩土应力比分析

根据桩顶和土体表面的土压力盒数据,得到复合地基的桩土应力比(见图 10).由图可知,2种复合地基的桩土应力比均从10增加到18左右,最后逐渐稳定为15,即整体呈现先增大后减小并逐渐平缓的趋势. 相比其他类型的刚性桩复合地基[29-32],其桩土应力比更小. 究其原因在于,荷载板直径较大,透水混凝土桩能快速排水,加速桩周土体固结,提高桩周土体强度,从而导致桩土应力比减小. 试验加载初期,桩土沉降差小; 随着荷载的增加,桩周土体固结沉降,桩土沉降差变大,桩土应力比迅速增长. 由于砂垫层的存在,桩顶向上刺入,砂垫层和土工布协调桩土变形,桩土共同承担荷载,同时桩周土固结以后强度提高,桩土应力比有所下降.

图 10 桩土应力比随时间变化曲线

图 10 桩土应力比随时间变化曲线

相比不透水桩复合地基,加载初期透水桩复合地基的桩土应力比较大,说明透水桩承担荷载较大. 由于透水桩的侧面本身较为粗糙,且桩周土体迅速固结后,桩土作用更为明显,因此桩体沉降相比不透水桩小,桩土应力比较大. 稳定后,桩土应力比随着加载的增大呈波动变化,但整体透水桩复合地基的幅动较小,说明透水桩复合地基完成固结速度快,承载更稳定.

2.3 桩身侧摩阻力分析

通过在桩身粘贴应变片(见图6),可以获取荷载作用下沿桩体分布的应变值.桩身应力的计算公式为

σ=Eε(2)

式中,E为桩的弹性模量,GPa; ε为桩身应变.

桩身轴力的计算公式为

Q=σA(3)

式中,A为桩身截面积,m2.

桩侧摩阻力的计算公式为

qs=(Q2-Q1)/(πDΔL)(4)

式中,Q1、Q2为桩身相邻2个测点的轴力,kN; ΔL为桩身2个测点的间距,m.

图 11给出了荷载为1 000、1 800、2 600 N时的桩身侧摩阻力. 由图可知,桩体侧摩阻力主要集中于下部,随着荷载的增加,上部侧摩阻力增长明显,而侧摩阻力的大小反映了桩土之间的相对滑移状态,因此桩体变形主要集中在下部. 整个加载过程中,透水桩的侧摩阻力要比不透水桩平均高出0.12 kPa,最大差值为0.21 kPa. 究其原因在于,对于透水桩,桩周土体在迅速固结过程中形成包裹硬壳层,增大了桩的侧摩阻力. 荷载较小时,2种桩的侧摩阻力均随着深度的增加逐渐增大. 随着荷载的增加,桩的上部侧摩阻力增长明显,而中部和下部的侧摩阻力变化不大,说明增加的荷载主要由上部侧摩阻力承担.

图 11 透水桩和不透水桩侧摩阻力对比

图 11 透水桩和不透水桩侧摩阻力对比

2.4 孔压消散分析

图 12为透水桩与不透水桩复合地基最后一级

图 12 第13级加载下复合地基超孔压变化曲线

图 12 第13级加载下复合地基超孔压变化曲线

加载下的超孔隙水压力变化曲线.由图可知,在加载瞬间,透水桩复合地基超孔压的峰值均明显小于不透水桩,且水平方向越靠近桩体,透水桩与不透水桩的超孔压值相差越大,即透水桩的排水减压作用越明显. 在该级荷载中,随着复合地基的排水固结,透水桩和不透水桩的差值逐渐减小,透水桩基本在3 h左右就能完成超孔压的消散.

分析2种复合地基的排水减压效果,对比1倍桩径不同深度的透水桩和不透水桩复合地基超孔压差值,最大超孔压差值为1.3 kPa,位于1#孔压计. 因此对于1倍桩径位置,透水桩对上部地基的排水减压作用更为明显. 而对于2倍和4倍桩径处不同深度的超孔压,透水桩对下部地基的排水减压效果较好. 这是因为在自重固结和加载作用下,下部土体相比上部土体固结度更高,应力主要由土骨架承担,即有效应力更大,则孔压更小. 此外,复合地基下部的竖向排水路径较长,附加应力较小,受其影响的超孔压也较小,故下部透水桩的径向排水路径能够有效加速超孔压消散.

3 结论

1)通过测定不同粒径(3~5 mm和4~6 mm)和孔隙率(20%、25%、30%和35%)下透水混凝土试块的强度和透水系数,综合考虑,透水混凝土的骨料粒径选取为3~5 mm,孔隙率选取为30%.

2)与不透水混凝土桩复合地基相比,透水混凝土桩复合地基能够加速地基土体固结,固结时间缩短30.3%.试验中,随着荷载的增加和桩周土体的固结,2种复合地基的桩土应力比以不同的速率从10增加到18左右,最后逐渐稳定为15.

3)桩体侧摩阻力主要集中在下部,但随着荷载的增加,上部侧摩阻力增长明显,中部和下部增长不明显. 整个加载过程中,透水混凝土桩的侧摩阻力较不透水混凝土桩平均增加0.12 kPa.

4)透水混凝土桩可以明显降低荷载引起的超孔压峰值,水平方向越靠近桩体,透水桩的排水减压作用越明显. 对比1倍桩径不同深度的超孔压峰值,透水混凝土桩对上部地基的排水减压效果较好. 而对比2倍和4倍桩径不同深度的超孔压峰值,透水混凝土桩则对下部地基的排水减压效果较好.

参考文献