粉土和粉质黏土中夯实水泥土桩复合地基承载力研究

袁 波，冯 永，徐良明

(1.浙江省第十一地质大队，浙江 温州 325006;2.河南工业大学 土木建筑学院，郑州 450052)

随着地基处理技术的发展，复合地基得到越来越广泛的应用。而夯实水泥土桩是复合地基法加固地基所用桩型中的一种新桩型。该方法是利用水泥作为固化剂，采用人工洛阳铲或机械成孔，将水泥与现场地基土(成孔时掏出的地基土)按一定配比人工拌和均匀，机械夯实形成具有水稳性和足够强度的水泥土，制成桩体，并与桩间土共同作用，构成复合地基，提高了地基承载力。这一加固方法适用于粉土、粉质黏土，地下水位较低的地区，具有施工方便、无噪声、无振动、无泥浆废液等污染和造价较低等特点，而且在成孔时又能对土层的变化进行验证，保证施工时将桩端落在好的土层上。我国北方地区，尤其是河北、北京等地地下水位较低，且多为粉土和粉质黏土，因此水泥夯实土桩在这些地区得到了广泛应用［1］。

在夯实水泥土桩复合地基设计中，复合地基承载力是最重要的设计依据，关系到复合地基设计是否安全和经济，应由现场复合地基大型荷载试验确定。但复合地基大型荷载试验费用高、时间长，仅大型工程或特别重要的工程必须进行此项试验。目前，对一般夯实水泥土桩工程，主要通过规范公式计算得到，即根据单桩承载力、面积置换率以及地基土承载力的计算确定;或者根据单桩承载力、地基土承载力以及工程所要求达到的复合地基承载力来计算确定面积置换率。其中，夯实水泥土桩单桩承载力也是确定复合地基承载力的关键因素之一，也宜通过现场单桩荷载试验确定。只是在工程实践中一般较少单独对水泥土单桩承载力进行检验，而是通过桩身水泥土强度或桩侧摩阻力和桩端端阻力按刚性桩方法计算确定。

本文结合保定市某典型粉土和粉质黏土中的夯实水泥土桩复合地基工程实例，通过进行单桩及复合地基静载试验，得到桩与土荷载、沉降、应力比的试验数据，据此研究了复合地基的承载特性和破坏形式，并对桩与桩间土之间的荷载分担变化规律进行了探讨，以期为设计和施工提供有益的参考。

1 夯实水泥土桩复合地基承载力的理论确定

夯实水泥土桩复合地基的承载力是由桩间土和桩共同组成。目前，夯实水泥土桩复合地基承载力特征值可按以下公式(1)［2］进行计算

式中，fspk——复合地基的承载力特征值(kPa);

Ra——单桩竖向承载力特征值(kN);

Ap——桩的截面积(m2);

m——面积置换率;

β——桩间土承载力折减系数，是反映桩和桩间土共同作用的参数，可取0.9～1.0;

fsk——处理后桩间土承载力特征值(kPa)。

在式(1)中，夯实水泥土桩单桩竖向承载力Ra也宜通过载荷试验确定，但实际初步设计时，一般根据桩身水泥土强度或桩侧摩阻力和桩端端阻力按刚性桩方法计算(即按土的支承力)，取两者中的小值。

当土体的工程性质较好时，夯实水泥土桩桩身在达到地基承载力极限前即发生破坏，此时按式(2)计算Ra;当桩身强度较高，桩身在地基达到极限承载力后尚没有发生破坏，此时可按式(3)计算Ra。

式中，fcu——桩体混合料试块(边长150 mm立方体)标准养护28 d立方体抗压强度平均值(kPa);

Up——桩的周长(m);

n——桩长范围内所划分的土层数;

qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa);

li——桩长范围内第i层土的厚度(m);

qp——桩端端阻力特征值(kPa)，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007有关规定确定。

2 工程概况

某工程位于保定市市区中南部，为多层办公楼建筑，基础埋深1.5 m。根据勘察资料，场地地基土自上到下分布如下所述。

1)杂填土:土质不匀，杂色，稍密，层厚0.3～1.2 m。

2)粉土:黄褐色，稍湿～湿，中密 ～密实，层厚3.0～3.2 m，承载力值 fak=140 kPa，桩周侧阻力特征值22 kPa。

3)粉质黏土:灰褐色，可塑，层厚1.1～1.3 m，承载力值fak=120 kPa，桩周侧阻力特征值20 kPa。

4)粉土:灰褐～黄褐色，稍湿 ～湿，密实，层厚2.4～3.3 m，承载力值 fak=160～180 kPa，桩周侧阻力特征值26 kPa，桩端端阻力特征值500 kPa。

5)中砂:灰白 ～灰黄色，稍湿 ～湿，中密 ～密实，层厚2～4 m，承载力值 fak=210～250 kPa。

该工程采用夯实水泥土桩进行地基加固。设计圆桩直径为350 mm，选取第4)层粉土作为夯实水泥土桩桩端持力层，桩长4.7 m。按理论计算单桩承载力特征值为96 kN(受控于式(2))，要求加固后的复合地基承载力fspk=210 kPa，面积置换率m=10.1%。桩顶铺设厚100 mm的碎石褥垫层。

3 承载力试验及结果分析

随着复合地基的广泛应用，复合地基的承载力与沉降的确定一直是工程界关注的问题。而现场静载试验被公认为是最可靠的手段。

3.1 单桩载荷试验结果分析

单桩静载荷试验标准依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)［3］。单桩竖向承载力的特征值的确定可以按《建筑地基基础设计规范》中标准进行，即根据荷载一沉降(Q—S)曲线确定单桩极限承载力，再除以安全系数，就可得到单桩竖向承载力的特征值。本次试验的安全系数为2。试验设备采用千斤顶反力锚梁装置。

共进行了3组单桩静载荷试验，图1为1#、2#和3#单桩荷载与沉降关系曲线。

图1 夯实水泥土单桩荷载—沉降关系曲线

由图1可以看出，随着施加在桩顶荷载的增加，桩身沉降量不断增长。Q—S曲线上出现明显的拐点，表现为陡降型。曲线呈现出三段特点，第一段是初始直线段，为桩身弹性压缩阶段，此时桩身沉降小;随着荷载水平提高，桩身发生屈服，荷载与沉降关系曲线发生弯曲，这一曲线段较短;很快，桩身沉降量随荷载增加加快，桩身发生破裂破坏。

现场挖桩观测发现，桩身上端均发生了劈裂破坏，破裂面基本上与荷载作用方向一致。这是桩身受竖向荷载沿水平方向产生的次生拉伸应力而导致的桩身破坏。这也从另一个侧面反映了夯实水泥土类桩的黏结强度较低，故其在竖向荷载作用下易发生脆性张裂破坏。

夯实水泥土单桩的极限承载力应该由下述两方面的因素确定:一是桩体材料强度;二是桩极限侧摩阻力和极限端阻力。对于粉土和粉质黏土地基，由于地层条件较好，在桩体沉降量较小的情况下，土对桩的支承力(侧阻和端阻)不能充分发挥，而此时桩身材料的强度相对不够，已经首先发生破坏致使 Q—S曲线出现陡降。这一点不同于软土中的水泥搅拌桩的刺入破坏，而是类似于软土中超长水泥搅拌桩的桩体材料强度破坏［4］。所以，控制设计的是桩体本身的强度。桩长的增加并不能提高桩的承载力，提高桩身材料的配比(即提高桩身强度)可显著提高桩的承载力。

由图1可知，陡降点处的荷载约为200 kN。所以，其极限承载力即为200 kN，可相应得出单桩承载力特征值为100 kN，这与理论计算值(96 kN)较为一致，而理论计算值也是由式(2)体现的桩身强度控制的。

3.2 单桩复合地基载荷试验结果分析

复合地基载荷试验标准依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)［2］。复合地基承载力特征值的确定按《建筑地基处理技术规范》中的标准进行。

共进行4组单桩复合地基荷载试验，图2为S1～S4单桩复合地基荷载与沉降关系曲线。

图2 单桩复合地基荷载试验应力—沉降量关系曲线

由图2可以看出，荷载—沉降关系曲线仍表现为三段特点。在单桩复合地基承载力试验 P—S曲线上，表现为直线段较长，随荷载增加，复合地基沉降成线性增长，初始的直线段一直延伸到约300 kPa以上，说明单桩复合地基的弹性变形量较大，复合地基的承载力较高。随后，曲线发生弯曲，复合地基发生屈服，很快就出现了陡降段，而且，随荷载水平提高，沉降增加的速率加快，说明夯实水泥土桩复合地基在竖向荷载作用下发生破坏。曲线的特点显示了单桩复合地基发生脆性变形破坏的特点。试验结束后，挖桩检测发现桩头破裂，这进一步证明了夯实水泥土单桩复合地基的破坏方式为脆性破坏。

与单桩荷载试验的结果相比，复合地基承载力与沉降关系曲线的初始直线段明显比单桩要长得多，复合地基的承载力相比于单桩有明显提高，说明采用复合地基处理地基土比单纯采用桩处理地基土更经济合理。

由图2可知，陡降点处的荷载为450～500 kPa。所以，相应的承载力特征值为225～250 kPa，均大于设计要求承载力。因此，按规范公式设计值较安全。

4 复合地基荷载分配规律研究

由于复合地基桩间土、桩的相互作用问题较复杂，夯实水泥土单桩复合地基受荷载作用后，其桩身、桩间土会表现为不同的承载特性。为此，对复合地基桩与桩间土分担载荷的规律进行了研究。

布置在桩顶和桩间土的土压力盒可以测得竖向荷载作用下桩和桩间土的分担荷载。其中，桩间土的土压力盒分别布置于荷载板的四角，荷载板边的中心以及紧邻桩身。图3为 S2单桩复合地基桩或桩间土分担荷载与外加荷载的关系曲线。表1为单桩复合地基桩与桩间土分担荷载比较表。

图3 S2单桩复合地基承载力与桩间土分担荷载曲线

表1 S2单桩复合地基桩与桩间土分担荷载比较 kPa

由图3可知，当施加荷载后，随着总荷载的增加，桩和桩间土分担的承载力同时增加。桩分担的承载力大于桩间土所分担的承载力。在总荷载<450 kPa时，桩和桩间土分担的承载力曲线近于直线。在此过程中，上部荷载被均匀分配到桩和桩间土中，但是，桩承载力增加幅度大于桩间土承载力增加幅度(体现在图中为斜率较大)。在总荷载达到450～500 kPa时，桩和桩间土的分担承载力曲线出现了拐点，此时，桩身荷载达到极限值，桩身发生屈服;继续施加荷载，桩身分担的承载力产生下降，而桩间土分担的承载力则急剧增加。随后，桩身荷载达到一个相对稳定的值，此值可以看成是桩身的残余强度值，而桩间土分担承载力则达到一个较高的荷载水平。继续施加外荷载，虽然桩间土分担的荷载量还在增长，但复合地基沉降量却急剧增加，预示复合地基已发生破坏，此时，即使桩间土还能继续承担荷载，而分担的承载力已没有工程意义。

比较位于荷载板下不同位置埋设的压力盒所测出桩或桩间土所分担的荷载量，可以发现，桩身在发生破坏前到破坏后，其承担的承载力最大，这说明夯实水泥土桩的材料性质远比未处理的天然地基土好。就荷载板下各处桩间土所分担的承载力来说，在荷载水平比较低时，各处桩间土分担的荷载差异并不大。而在荷载水平比较高的情况下，特别是桩身发生破坏后，位于荷载板边的中心部位桩间土分担承载力最大，荷载板四角次之，位于桩身边缘处的压力盒分担荷载最小。

图4为S2单桩复合地基的桩土应力比随承载力的变化曲线图。

图4 S2单桩复合地基桩土应力比随承载力变化曲线

由图4可知，桩土应力比随承载力变化的关系曲线总体上呈上凸单峰曲线。随承载力的增加，桩土应力比表现出先增加后减小的规律。在该曲线上，大致有一个曲率变化最大的点，该点所对应的荷载为450～500 kPa。荷载超过该值后，桩土应力比不再发生大的变化，可以认为此时桩体已达到其极限荷载。当荷载超过该值后，复合地基因桩体破坏而失去整体性，桩土应力比不再发生大的变化。因此，在夯实水泥土桩复合地基中，水泥土桩桩体的破坏，将引起整个复合地基的破坏。

5 结论

通过以上研究，对于该市以粉土和粉质黏土为主的夯实水泥土桩复合地基的承载力特性，可得出如下结论:

1)由于地基土层土质相对较好，夯实水泥土单桩的破坏表现为桩体材料强度破坏，其单桩荷载试验Q—S曲线表现为桩体材料破坏的陡降型，因此，单纯提高桩长对承载力的提高效果并不明显，而提高桩体强度(即提高桩体材料配比)能显著提高其单桩的极限承载力，进而可以提高复合地基承载力。

2)单桩复合地基受荷后的破坏为桩体材料的脆性破坏，其P—S曲线表现为陡降型曲线，这与夯实水泥土桩本身承载力不高，且分担荷载较大有关。

3)夯实水泥土桩复合地基是由桩体和桩间土体共同承担上部荷载。在施加荷载的初期，由于桩身材料性能好于桩间土，桩体分担大部分的荷载。当桩身发生屈服破坏后，桩身分担荷载量减小，而桩间土分担的荷载量急剧增加。桩土应力比不是定值，而是随着外加荷载的增大而变化。对于试验的粉土及粉质黏土中的单桩夯实水泥土桩复合地基，桩土应力比的变化范围为1.1～4.1。

本次现场载荷试验由于时间和经费所限，只研究了特定桩径、桩长、水泥掺入比条件下夯实水泥土单桩复合地基的承载特性，没有考虑桩长、桩径、桩身刚度等情况，对变强度桩、变桩长等条件下复合地基的承载和变形特性有待于进一步的试验研究。

［1］龚晓南.复合地基设计和施工指南［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］中华人民共和国建设部.JGJ79—2002 建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［3］中华人民共和国建设部.GB50007—2002 建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［4］郑刚，王长祥，顾晓鲁.软土中超长水泥搅拌桩复合地基承载力研究［J］.岩土工程学报，2002，24(6):675-679.

［5］秦建庆，叶观宝，费涵昌.水泥土桩复合地基桩土分担荷载的试验研究［J］.工程勘察，2000(6):32-34.

［6］郭忠贤，杨志红.夯实水泥土桩荷载传递特性［J］.岩土力学，2000(3):284-288.

［7］刘丽芬，纪江海.高效夯实水泥土桩的设计施工和计算参数的反演［J］.勘察科学技术，2003(3):72-75.

［8］闫明礼，腾延京，杨焕玲，等.夯实水泥土桩复合地基的工程应用研究［J］.建筑科学，1997，13(6):20-24.