水泥搅拌桩复合地基承载力折减系数试验研究

齐善忠，付春梅

水泥搅拌桩复合地基承载力折减系数试验研究

齐善忠，付春梅

（黄河水利职业技术学院，河南开封475004）

《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79－2012）给出了含有折减系数λ和β的复合地基承载力计算公式，为了得到适用于本地区的λ和β的取值范围，为今后规范的修订提供参考依据，采用水泥搅拌桩对开封地区有代表性的软土地基进行加固处理，并分别进行了10组单桩和单桩复合地基的静载荷试验。通过对试验数据的分析和反算，对规范给出的承载力计算公式中折减系数λ和β的取值范围进行了修正。

水泥搅拌桩；复合地基；承载力；静载荷试验；折减系数

0　引言

水泥搅拌桩作为软土地基加固的一种方法，广泛应用于房屋建筑、公路、中小桥涵，以及油罐和重力式挡土墙等各类工程的软弱地基加固［1～2］。在水泥搅拌桩复合地基设计中，复合地基承载力的确定是一重要问题。因此，黄春霞等［1～8］围绕承载力进行了深入研究。在水泥搅拌桩复合地基设计中，承载力的计算主要依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79－2012）（以下简称《规范》）［9］。《规范》虽然给出了单桩承载力折减系数λ和桩间土折减系数β，但对折减系数λ取为1.0。即认为，在荷载作用下，复合地基的单桩承载力完全发挥。这与实际情况不符，需进行研究。如果λ不是1.0，则折减系数β也需重新进行定义。

笔者根据在开封市西区某住宅小区进行的单桩静载荷试验和单桩复合地基静载荷试验结果，对《规范》中折减系数λ和β的取值进行修正，重新确定其取值范围。

1　试验区地质概况和试验设计

1.1试验区地质概况

本试验区位于开封市西区，建筑场地属第四系黄泛冲积平原，场内地势平坦，并有南北向和东西向相交的两条排灌沟，沟深约2.2m。场内自然地面标高为35.6～35.9m，地下水位在自然地面下1.8～2.3m，其地基土物理力学性质描述如表1所示。

表1　地基土的物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical property index of foundation soil

项目工程设计基础埋深为2.8m，下有0.2m厚褥垫层。第②、③层土为主要受力层。第④层土为持力层。水泥搅拌桩桩顶位于天然地面下3.0m处，有效桩长为6.5m。表1主要给出了第②、③、④层土的物理力学性质指标。

1.2试验设计

本次试验分别设计了10组单桩静载荷试验和10组单桩复合地基静载荷试验。试验桩呈正方形布置，桩径为500mm，桩间距为0.9m，桩土面积置换率m＝24.17%。水泥搅拌桩采用强度等级为32.5级的新鲜普通硅酸盐水泥。水泥掺量为被加固湿土质量的15%，并掺入水泥用量0.05%的早强剂三乙醇胺，0.2%的减水剂木质素磺酸钙及1%的缓凝剂石膏，水灰比不大于0.50。

考虑到试验的可靠性和时间因素，试验均采用慢速维持荷载法加载；加载反力系统采用堆载法，由千斤顶加载。总加载量Pu取设计容许承载力的2倍，每级施加的荷载量为总加载量的1／15。沉降量由位移计测读。

2　试验结果分析

2.1理论计算

为了对现场实测值和理论计算值进行比较分析，对水泥搅拌桩以及单桩复合地基进行理论计算［9］。根据工程地质勘查资料，有关桩周各层土的侧摩阻力特征值、桩端承载力特征值及桩身范围内地层平均厚度如表2所示。其中，第④层粉土为桩端持力层。

表2　桩周各层土的侧摩阻力特征值、桩端承载力特征值Tab.2 Characteristic value of side friction and pile end bearing capacity of each soil layer around the pile

水泥搅拌桩单桩承载力特征值一般由桩体强度控制，其计算公式为公式（1），复合地基承载力的计算公式为式（2）。

式中：Ra为单桩承载力特征值，kN；η为桩身水泥土强度折减系数，根据《规范》取0.25；fcu为90 d龄期的水泥土立方体抗压强度平均值，MPa；Ap为水泥搅拌桩横断面面积，m2，根据设计取0.196m2；fspk为复合地基承载力特征值，kPa；λ为单桩承载力发挥系数，根据《规范》取1.0；m为桩土面积置换率，根据设计取24.17%；β为桩间土承载力发挥系数，根据《规范》取0.6；fsk为天然地基承载力特征值，kPa，根据地质报告取110 kPa。

根据室内试验结果，90 d龄期的水泥土立方体抗压强度平均值fcu不小于2.0MPa，取2.0M P a。由式（1）可计算出单桩承载力特征值Ra＝98 kN，由式（2）可计算出复合地基承载力特征值fspk＝170.9 kPa。

2.2静载荷试验结果

根据静载荷试验，得到了水泥土单桩和单桩复合地基的荷载与位移曲线各10组。通过分析各曲线，得到承载力特征值（如表3和表4所示）。

表3　单桩静载荷试验结果Tab.3 Single pile static load test results

由表3可以看出，单桩静载荷试验所得到的单桩允许承载力最大为111 kN，最小为91 kN，平均值为97 kN。其中，最大值可以达到理论计算单桩允许承载力的99.0%；最小可达到理论计算单桩允许承载力的91.9%。由表4可以看出，单桩复合地基静载荷试验所得到的复合地基允许承载力大部分已达到或超过复合地基允许承载力的理论计算值，少数小于理论计算值。

2.3折减系数取值分析和修正建议

目前，在计算复合地基承载力时，一般认为，水泥土单桩能完全达到其理论计算承载力值，而桩间地基土承载力只发挥了其中一部分。《规范》规定，单桩承载力宜通过单桩载荷试验确定。但是，在实际设计中，水泥土单桩承载力大多仅是根据地质条件通过公式计算而得到的，很少事先进行单桩载荷试验。

表4　单桩复合地基静载荷试验结果Tab.4 Single pile com pound foundation static load test results

虽然复合地基在发生与水泥土桩容许承载力值相对应的应变值时，天然地基土所提供承载力可能小于其允许承载力，但水泥土桩本身在复合地基中很难达到其设计值或理论计算允许承载力值。由表3和表4实测数据可知，试验过程中，承载力判读时，沉降量的标准不一样。一般情况下，单桩静载荷试验的沉降量大于单桩复合地基试验时的沉降量。根据文献［3］分析，其承载力并不能完全发挥。因此，在复合地基承载力计算过程中，需对单桩理论计算值进行折减。折减系数λ根据桩端土的软硬程度取0.8～1.0。当桩端土为软土时，取0.8；当桩端为硬土时，取1.0。

根据工程地质情况，本次试验单桩承载力折减系数λ可取0.9，fspk取表4中的承载力特征值，其他参数同式（2）。由式（3）计算出桩间土承载力折减系数β值，如表5所示。

由表5可以看出，计算出的桩间土承载力折减系数β的最小值为0.66，最大值为0.8，平均值为0.74。由于试验过程中受到加荷速率、沉降量和施工对土体的扰动程度等因素影响，建议桩间土承载力折减系数β取0.6～0.9。当桩端为软土时，取0.9；当桩端土为硬土时，取0.6。

3　结语

通过对静载荷试验结果分析，可以得出如下结论：

表5　桩间土承载力折减系数β值Tab.5 Bearing capacity reduction coefficien tβof soil among the pile

（1）在实际工作状况中，水泥土单桩承载力比根据地质条件计算得到的单桩承载力要低。因此，在复合地基承载力的计算中，应做适当的折减。

（2）对于复合地基，桩间地基土承载力比理论计算值大。因此，在进行复合地基承载力计算时，应做适当的增加。

（3）在《规范》给出的计算公式基础上，进一步提出了对折减系数λ和β的修正，修正后的表达式能反映出复合地基承载力的实际工作状况及结果。但是，这只是从开封市西区试验所得出的结果，对其他地区需更多的实践加以检验。

［1］黄春霞，张鸿儒，桂国庆.水泥搅拌桩复合地基承载力公式中折减系数β取值的分析［J］.工程地质学报，2003，11（4）：385－389.

［2］林奕禧，张伟丽，黄良，等.水泥搅拌桩复合地基承载力折减系数α和β的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（增2）：3815－3820.

［3］段继伟，龚晓南，曾国熙.水泥搅拌桩的荷载传递规律［J］.岩土工程学报，1994，16（4）：1－8.

［4］欧俊峰.水泥搅拌桩复合地基承载机理及其影响因素研究［D］.重庆：重庆大学，2013.

［5］叶三霞，徐光黎.桩网复合地基承载力公式参数β取值分析［J］.土工基础，2010，24（1）：58－61.

［6］徐超，叶观宝.水泥搅拌桩复合地基的变形特性与承载力［J］.岩土工程学报，2005，27（5）：601－603.

［7］张亮，阳令明.水泥搅拌桩复合地基承载力研究［J］.公路与汽运，2012（4）：168－170.

［8］张布永，顾长存，刘浩斌，等.盐渍土水泥搅拌桩折减系数β研究［J］.低温建筑技术，2015（2）：102－104.

［9］JGJ 79－2012，建筑地基处理技术规范［S］.

[责任编辑杨明庆]

Experimental Study on Reduction Coefficient of Com pound Foundation Bearing Capacity of Cement－m ixed Piles

QI Shan－zhong，FU Chun－mei
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

＜Technical code for ground treatment of buildings＞（JGJ 79－2012）shows the calculation formula of compound foundation bearing capacity with reduction coefficientλandβ.In order to get the value ranges ofλandβwhich are suitable for this region and provide reference data for future code revision，it processes the reinforcement treatment of representative soft foundation in Kaifeng area by using cement mixing pile，and conducts 10 groups static load tests of single pile and single pile compound foundation.Through the analysis and inverse calculation of test data，it modifies the value ranges of the reduction coefficientλandβof bearing capacity calculation formula was given by the code.

C ement－mixed piles；compound foundation；bearing capacity；static load test；reduction coefficient

TU473.11

A

1008-486X（2016）01-0028-04

2015－09－16

黄河水利职业技术学院科技项目：水泥搅拌桩复合地基承载特性研究（2015KXJS001）。

齐善忠（1979－），男，山东单县人，讲师，硕士，国家注册岩土工程师，主要从事岩土特殊施工技术方面的教学与研究工作。