劲性水泥砂浆土组合模型桩的极限承载力试验研究

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随着经济的发展现代高层建筑规模不断扩大,对桩基础要求越来越高。水泥土搅拌桩的单桩承载力低,沉降和桩身变形大等缺点,往往不能满足高层建筑或深基坑支护的工程要求,因此,水泥土桩向组合桩形式发展是必然趋势。劲性水泥土组合桩就是一个典型例子,它有单桩承载力较高,且具有施工时打桩噪音、振动小的优点,具有较好的机遇和发展空间。我国对劲性水泥土组合桩的应用和研究逐渐增多。为了改善水泥土强度较低引起的劲性组合模型桩的Q-S曲线差别大、砼芯与水泥土之间的粘结性差,影响劲性水泥土组合桩的使用范围和承载力。在水泥土中掺入适量的砂子来提高水泥土的抗压强度。砂子与其他添加剂相比,价格低廉,取材来源广泛。本文制作了3种水泥掺入比为15%、20%、25%和5种掺砂量为0%、5%、10%、20%、30%的15组试块,并在此基础上,制作了如下劲性水泥砂浆土组合模型桩:①在水泥掺入比为20%的情况下,掺砂量为0%、5%、10%、20%、30%的5种配合比的劲性水泥砂浆土组合模型桩;②在水泥掺入比为15%的情况下,掺砂量为10%的1种配合比的劲性水泥砂浆土组合模型桩;③在水泥掺入比为25%的情况下,掺砂量为10%的1种配合比的劲性水泥砂浆土组合模型桩等,模型桩数量为总共7个。通过水泥砂浆土的抗压强度试验,研究分析掺砂量、龄期、水泥掺入比对水泥砂浆土抗压强度影响和变化规律。通过劲性水泥砂浆土组合模型桩的静载荷试验,得到了在各种配合比情况下组合模型桩的极限承载力,采集Q-S曲线以及应力-应变曲线,分析在工作状态下的组合桩应力、内力的分布情况、破坏形态,其研究结果如下:(1)当水泥掺入比为15%、20%时,在水泥土中掺入一定比例的砂,可以大幅度提高早期强度,7d强度可提高50%左右。当水泥掺入比为15%、20%、25%时,在水泥土中掺入最优掺砂量并形成水泥砂浆土时,后期60d强度将提高20%左右。当水泥掺入比分别为15%、20%、25%时,相对应的最优掺砂量分别为10%、10%和5%。(2)水泥砂浆土的养护龄期对抗压强度的影响较大,经试验分析研究,在7d-60d之间随着养护龄期的增长,水泥砂浆土的强度将显著的提高。水泥砂浆土抗压强度与龄期大致呈对数函数关系,其建议方程式为qu=alnT+c。(3)当掺砂量为0%、5%、10%、20%、30%条件时,在水泥掺入比小于20%情况下,水泥砂浆土抗压强度随着水泥掺入比的增加而增大,在水泥掺入比大于20%情况下,水泥砂浆土抗压强度反而随着水泥掺入比的增加而减小。本文建议的极限水泥土掺入比为20%。在此情况下水泥砂浆土抗压强度与水泥掺入比呈一元二次函数关系,其建议方程式为qu=a(aw)2+b(aw)+c。(4)在Q—S曲线图中可以看出,在水泥掺入比为20%情况下,对比分析掺砂量各为10%、0%的劲性水泥砂浆土组合模型桩的极限承载力,前者比后者增加了16.3%。在相同竖向荷载下,前者比后者沉降值降低了22.2%。(5)在水泥掺入比为20%,掺砂量为10%的劲性水泥砂浆土组合模型桩的破坏形态中可以看出:在砼芯底处的水泥砂浆土被压碎,砼芯桩没有产生破坏,水泥砂浆土竖向裂缝被延伸到砼芯高度的中部外围周边,有一部分被粘接、有一部分被脱落,脱落部分表明砼芯桩与水泥砂浆土之间已无粘结力。(6)在荷载一应变图中可以看出,水泥砂浆土的抗压强度越大,组合模型桩桩顶处水泥砂浆土与砼芯的荷载分担比越大。(7)通过5根劲性水泥砂浆土组合模型桩静载试验,并参考国内外学者的研究成果,提出了劲性水泥土组合模型桩极限承载力修正计算公式:(8)在劲性水泥砂浆土组合模型桩的ANSYS有限元分析中,在外芯水泥砂浆土中掺入最优掺砂量10%情况下,可提高劲性水泥砂浆土组合模型桩的极限承载力,同时降低其沉降值,与试验分析结果相符合。本文研究了不同掺砂量、不同水泥掺入比对水泥砂浆土抗压强度影响和变化规律,并把水泥砂浆土,应用在劲性水泥砂浆土组合桩中,研究了组合桩承载力、破坏形态、内力分布情况等,为类似工程应用提供参考依据。
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