水泥土桩和水泥砂浆土桩的破坏与承载力研究★

冯喜俊 方光秀 * 应荣平

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)



·岩土工程·地基基础·

水泥土桩和水泥砂浆土桩的破坏与承载力研究★

冯喜俊 方光秀 * 应荣平

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

以劲性水泥土桩、劲性水泥砂浆土桩、加筋劲性水泥砂浆土桩三种形式的桩为研究对象，在试验室分别制作了三种形式模型桩，并依据其极限承载力试验，对比分析了三种模型桩的破坏形态与Q—S曲线以及竖向极限承载力，提出了三种模型桩的异同点以及变化规律，为工程应用提供参考。

水泥土桩，水泥砂浆土桩，土工格栅，破坏形态，极限承载力

0 引言

水泥土搅拌桩是通过单向或多向搅拌设备钻进地基深处，沿着钻孔将软土和水泥等固化剂强制拌和，使加固土体硬结进而提高地基强度[1]。随着建筑层数越来越高，规模越来越大，单一的水泥土桩往往不能满足工程要求，所以为了满足实际工程安全要求，出现了劲性水泥土组合桩(在水泥土初凝前，把预制芯桩打入水泥土桩的中心区域)、劲性水泥砂浆土组合桩(在水泥土桩搅拌时加入一定掺量的砂料，把预制芯桩打入水泥砂浆土桩的中心区域)、加筋劲性水泥砂浆土组合桩(在水泥砂浆土的中心位置插入芯桩，并在水泥砂浆土外侧包裹土工格栅等外箍材料)等。

上述方法是我国近年来广泛使用的处理软土地基的方法，具有经济安全、施工简便、工程质量容易控制等优点，对软粘土、淤泥质土、粉土等地质都有明显的加固效果。但是目前对三种类型组合桩的各种性能的对比性研究较少。本文把劲性水泥土组合桩、劲性水泥砂浆土组合桩、加筋劲性水泥砂浆土组合桩等三种模型桩作为研究对象，对比分析破坏形态、Q—S曲线、竖向极限承载力等，找出其内在规律，为工程应用提供理论依据。

1 试验设计

1.1 模型箱设计

试验布置如图1所示，图1a)为测点布置立面图，三种类型模型桩长均为800 mm，钢筋混凝土模型箱高为1 200 mm。图1b)为测点布置平面图。模型桩中心与钢筋混凝土箱内壁侧距离为175 mm，桩与桩中心间距为350 mm，地质层为粉质粘土。

1.2 模型桩截面形式

劲性水泥土桩的芯桩按截面形式可分为圆形、矩形、圆环、组合形状等，如图2所示，本试验采用的是圆形。劲性水泥土组合桩的长度可根据工程桩基础承载力和沉降条件进行调整，通常分为短芯、等长芯和长芯，如图3所示，本试验采用的是短芯桩和等长芯桩。

劲性水泥土组合桩、劲性水泥砂浆土组合桩、加筋劲性水泥砂浆土组合桩等三种模型桩的试验参数如表1所示。

2 试验结果分析

2.1 破坏形态分析

试验中的组合模型桩端作用在岩石上，桩周土是粉质粘土，属于端承桩。桩身破坏形态如图4所示[1-3]。

表1 模型桩试验参数列表

模型桩名称模型桩编号模型桩直径D/mm芯桩直径D/mm芯桩根数N芯桩离桩壁距离M土工格栅水泥土桩A21-0-155————劲性水泥土桩A21-0-2556415—劲性水泥土桩A21-0-3556415有劲性水泥土桩B20-0-110050125—劲性水泥砂浆土桩B20-20-210050125—加筋劲性水泥砂浆土桩C20-20-110050125有注:Ax-y-z,Bx-y-z,Cx-y-z中的A表示直径为55的水泥土桩和劲性水泥土桩;B表示直径为100的劲性水泥土桩和劲性水泥砂浆土桩;C表示直径为100的加筋劲性水泥砂浆土桩;x表示水泥掺量(%);y表示砂掺量(%);z为试件编号。水灰比均为1.3。A,C组采用等长芯桩,B组采用短芯桩。如A21-0-1表示直径为55的水泥土桩,水泥掺量为21%,砂掺量为0%,试件编号为1

1)从图4的A组合模型桩的试验破坏形态中可以看出，破坏集中发生在桩中部或桩上部1/3至桩顶部处，在破坏位置芯桩外侧部分水泥土破坏，芯桩与水泥土之间的粘结力失去作用(A21-0-3芯桩外侧水泥土的破坏程度较低)。从B组合模型桩的试验破坏形态中可以看出，混凝土芯桩下的水泥砂浆土被压碎，混凝土芯桩没有产生破坏。芯桩周边水泥砂浆土从芯桩底到芯桩顶1/2L区域内产生近似竖向的裂缝，水泥砂浆土和芯桩开始分离，直至脱落，芯桩与水泥砂浆土的粘结力完全失去作用。从C组合模型桩的试验破坏形态中可以看出，破坏发生在桩体上部，土工格栅网被胀裂，桩顶水泥砂浆土被压碎，水泥砂浆土并未产生纵向裂缝，混凝土芯桩与水泥砂浆土之间大部分粘结力仍然存在。

2)组合模型桩A21-0-1，B20-0-1，A21-0-3对比分析：与A21-0-1相比，B20-0-1和A21-0-3都在水泥土中插入芯桩。在施压时，破坏发生在芯桩外侧的水泥土上，致使芯桩与水泥土之间的粘结力失去作用，芯桩没有发生破坏，芯桩在提高极限承载力方面效果显著。A21-0-3采用中间设4根直径为6 mm钢筋且土工格栅围箍的芯桩，而B20-0-1采用中间设1根直径为50 mm的混凝土芯桩，其总面积是A21-0-3的2倍，极限承载力比A21-0-3提高了86%；假设截面面积相等时，水泥土桩采用中间设4根钢筋且土工格栅围箍的芯桩优越于中间设1根混凝土芯桩，而破坏形态则相同，如芯桩外侧的水泥土剥落使芯桩与水泥土的粘结力失去作用而破坏。另一方面，因B20-0-1采用短芯桩，A21-0-3采用等长芯桩，B20-0-1的芯桩下部水泥土被压碎，而芯桩未发生破坏，A21-0-2的芯桩底部未发生破坏，能够充分发挥芯桩的作用。

3)组合模型桩A21-0-2和A21-0-3，B20-20-2和C20-20-1对比分析：由于A21-0-3在A21-0-2的基础上在芯桩周围添加了土工格栅，促使极限承载力增加(11%)。从破坏形态中可以看出，破坏集中发生在水泥土桩的中上部(1/2～1/3)，但是A21-0-3外部水泥土没有脱落现象，而A21-0-2则发生脱落，使芯桩与水泥土的粘结力失去了作用。而C20-20-1是由于在B20-20-2的基础上在水泥砂浆土外围加设土工格栅，促使极限承载力增加(128%)。从两者破坏形态的比较分析，土工格栅在增加桩的承载力和保护芯桩的作用方面效果显著，能有效加强芯桩与外侧水泥砂浆土桩间的连接。

2.2Q—S曲线与极限承载力比较

当水泥掺入比为20%时，三种类型模型桩的Q—S曲线对比分析如图5所示。

从图5a)可知，加筋劲性水泥土组合模型桩与劲性水泥土组合模型桩相比，土工格栅的作用显著，其极限承载力可提高12.5%，降低沉降效果比劲性水泥土组合模型桩明显。

图5b)是在相同水泥掺入比为20%的情况下，掺砂量各为0%，20%时的劲性水泥砂浆土组合模型桩Q—S曲线比较图。掺砂量为20%的劲性水泥砂浆土组合模型桩与掺砂量为0%的劲性水泥砂浆土组合模型桩相比，其极限承载力增加了1.74%。在相同荷载(14 kN)下，其沉降增加了22.2%。

图5c)是在相同水泥掺入比为20%时，无芯水泥土模型桩、劲性水泥砂浆土组合模型桩和加筋劲性水泥砂浆土组合模型桩的Q—S曲线比较图。从图5c)可知，劲性水泥砂浆土组合模型桩B20-20-2与桩B20-0-1相比，其竖向承载力提高了116.7%，加筋劲性水泥砂浆土组合模型桩C20-20-1与劲性水泥砂浆土组合模型桩B20-20-2相比，其竖向承载力提高了167.7%。

分析其原因，是由于混凝土抗压强度大，使大部分荷载由混凝土芯桩承担，再通过芯桩周边水泥砂浆土传递给桩周土，所以可较大程度地提高组合桩的承载力；加筋劲性水泥砂浆土组合桩，在劲性组合桩基础上在水泥砂浆土外围再围箍土工格栅，利用土工格栅的围箍作用，使其在劲性水泥砂浆土组合桩基础上又提高水泥砂浆土的抗压强度及组合桩的整体性，故其竖向承载力得到了进一步提高。

在工程应用上，当沉降量为已知时，可通过下列关系，得出劲性水泥土、劲性水泥砂浆土、加筋劲性水泥砂浆土竖向承载力的相互比值，供类似工程借鉴。

1)当沉降量均为6 mm时，桩C20-20-1承载力为桩B20-0-1的165.5%，且为桩B20-20-2的133.3%；2)当沉降量均为8 mm时，桩C20-20-1承载力为桩B20-0-1的391.6%，且为桩B20-20-2的222.2%；3)当沉降量均为10 mm时，桩C20-20-1承载力为桩B20-0-1的411.2%，且为桩B20-20-2的249.8%；当沉降量为其他数值时，可用插值法计算得出。

3 结语

1)通过室内模型试验得出，在水泥土、劲性水泥土、劲性水泥砂浆土、加筋劲性水泥砂浆土等类型的模型桩中加入砂浆、芯桩、土工格栅可提高桩的强度和刚度，可显著提高桩身的承载力；并且在相同荷载作用下，可减少桩的沉降量；芯桩的类型及数量将影响桩的承载能力及破坏形态；土工格栅加强了桩的整体性和芯桩与外侧桩的粘结作用；和短芯桩相比，等长桩更能发挥芯桩与外侧桩的共同作用，桩底部不易出现压碎等现象。

2)从破坏形态中可以看出，劲性水泥砂浆土组合模型桩(采用中间设4根钢筋且土工格栅围箍的芯桩)，破坏常发生在距桩顶1/2～1/3处。因此，建议在此处增设加固措施来提高桩身整体的极限承载力。

3)在工程应用上，当沉降量均为已知时，通过本文提出的劲性水泥土桩、劲性水泥砂浆土桩、加筋劲性水泥砂浆土桩等竖向承载力的相互比值关系，用插值法可算出承载力，为类似工程应用提供借鉴。

[1] 吴海花.劲性水泥土单桩极限承载力预测值的研究[D].延吉:延边大学硕士学位论文，2013.

[2] 郑洪军.劲性水泥砂浆土组合模型桩的极限承载力试验研究[D].延吉:延边大学硕士学位论文，2014.

[3] 金正超.加筋劲性水泥砂浆土组合模型桩的竖向承载力试验研究[D].延吉:延边大学硕士学位论文，2015.

[4] 袁 雁.水泥砂浆土力学性质试验研究[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2012,20(2):47-51.

[5] 席培胜.水泥砂浆土无侧限抗压强度影响因素试验研究[J].地基与基础,2012,26(4):527-529.

Study failure and the bearing capacity of cement-soil and cement mortar soil model piles★

Feng Xijun Fang Guangxiu* Ying Rongping

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Based on the three forms piles of strength cement-soil, strength cement mortar soil, reinforced cement mortar soil as the research object, it respectively fabricates three kinds of model pile in the tab, and follows its ultimate bearing capacity test, the damage form,Q—Scurve and vertical ultimate bearing capacity of pile of comparison and analysis for three kinds of model pile, and puts forward three kinds of model of the similarities and differences as well as the changing law, provide a reference for engineering application.

cement-soil pile, cement mortar soil pile, geogrid, fracture morphology, ultimate bearing capacity

1009-6825(2016)05-0068-03

2015-12-08★：延大土木工程建造技术教学资源库建设资助项目(项目编号：802014010)

冯喜俊(1989- ),男,在读硕士

方光秀(1967- )，男，博士，教授

TU473.11

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