砼芯水泥土搅拌桩复合地基承载力试验研究

赵文政

摘 要：针对砼芯水泥土搅拌桩处理深厚软土地基的工程实例，根据现场复合地基载荷试验结果，研究了砼芯水泥土搅拌桩复合地基的荷载传递规律、侧摩阻力分布特点和桩土应力比。测试结果表明：复合地基的上部荷载主要由砼芯承担，随着荷载的增加由砼芯→水泥土搅拌桩外壳→桩周土体扩散；施工过程中砼芯挤入改良了搅拌桩与土体间的接触性质，使得搅拌樁外壳与土体间的侧摩阻力要远大于规范推荐的水泥搅拌桩侧摩阻力计算值；砼芯与搅拌桩外壳之间接触紧密，保证了荷载的向外地有效扩散；复合地基中桩土共同受力，能够同步发挥承载力。最后提出了砼芯水泥搅拌桩复合地基承载力计算方法。

关键词：砼芯水泥搅拌桩；复合地基；荷载传递；承载力

Analysis of Load Test of concrete-cored DCM pile composite ground

Zhao Wen-zheng

（Nanjing Quality Supervision Station of Transportation Engineering， Nanjing 210008， China）

Abstract： The load transfer mechanism， character of side friction distribution and pile-soil stress ratio of composite ground with concrete-cored DCM pile were researched by load test according to the engineering example for deep soft soil reinforced by concrete-cored DCM pile. The results indicate that the upper load is borne mainly by concrete-cored and transfer through concrete-cored→DCM pile→ soil with the load increasing. Not only the bearing capacity of surrounding soil but also the side friction are improved with the insertion of concrete-cored. The load transfer can be guaranteed by the high side friction between the concrete-cored and DCM pile. The bearing capacity of surrounding soil and concrete-cored DCM pile is played at the same time. Finally， the calculation formula of bearing capacity of composite ground with concrete-cored DCM pile is proposed.

Keywords： concrete-cored DCM pile ；composite ground ； load transfer ；bearing capacity

引言

随着我国高等级公路、铁路以及机场的大力建设，解决软土承载力不足以及沉降过大的问题十分紧迫。在各种地基处理技术中，复合地基以其工艺简单、施工方便、加固效果好等优势，在地基处理中得到了广泛应用[1]。在形成复合地基的各种桩型中：水泥土搅拌桩的桩身材料强度低，达到承载力极限时一般在桩身上部发生破坏，沉降量也可观[2]；而现浇薄壁管桩[3]以及广泛使用的灌注桩[4]，在达到极限荷载时桩周土体首先发生剪切破坏，而此时桩体强度还远远没有发挥，造成材料浪费。

砼芯水泥搅拌桩采用高弹模的预制砼芯作为受力核心，大表面积的水泥土搅拌桩外壳提供侧摩阻力，结合了刚性桩和柔性桩的优点，能够提供较高的承载力并有效减少沉降[5]。董平[5-6]等根据现场试验和有限元模拟，分析了砼芯水泥搅拌桩的荷载传递规律，并将单桩破坏模式分为砼芯压裂和桩周土体剪切破坏两种，提出了相应的计算公式。陈颖辉等[7]根据静载试验研究了含芯率和芯长比对承载力的影响，将单桩破坏分为渐进型和急进型两种类型，并提出了相应的单桩承载力计算公式。丁永君等[8]通过单桩静载试验发现，砼芯水泥搅拌桩的侧摩阻力要远大于水泥搅拌桩和钻孔灌注桩，有利于单桩承载力的提高。

现有的关于砼芯水泥搅拌桩的研究资料主要集中在单桩承载力方面，对于砼芯水泥搅拌桩复合地基承载性质研究较少，对其承载力机理的认识并不清楚。本文结合复合地基静载试验，进行了砼芯荷载传递规律、侧摩阻力分布特点以及桩土应力比测试。最后给出了砼芯水泥搅拌桩复合地基承载力计算公式。

1.工程概况

某绕城公路沿线穿越深厚软土分布段，在里程桩号K9+260～K9+310段路基中心处打设三根试验桩。其主要地层分述如下：① 0～1.6m：粘土，灰黄色，湿，可塑，含铁锰质结核及其浸染，杂蓝灰色条纹。②1.6～3.1m：粉质粘土，灰色，湿，可塑。③3.1～5.9m：粉质粘土，灰色，湿，流塑，混粉土，含云母碎片。④5.9～12.7m：淤泥质粘土，灰色，湿，流塑，含腐殖质和泥质结核，粒径2-3cm。⑤12.7～19.9m：粘土，灰色，湿，软塑，含腐殖质。⑥19.9～23.6m：粉质粘土，灰色，湿，可塑，土质均匀。

试验区域土层物理力学性质如表1所示。

2.试验设计

2.1 试验目的

（1）确定砼芯水泥土搅拌桩单桩复合地基的竖向抗压极限承载力，研究承载力形成机理。endprint

（2）确定不同荷载水平下地表土体、搅拌桩外壳与芯桩的荷载分布规，研究砼芯水泥土搅拌桩的沉降控制机理。

（3）研究砼芯水泥土搅拌桩单桩复合地基竖向荷载传递规律。

2.2 试验区域布置

试验采用边长1.4m的正方形混凝土荷载板，水泥搅拌桩直径500mm，桩长20m，水泥掺量为15%。砼芯为桩径200mm的预制方桩，桩长9m，采用4Φ14配筋和C30水泥。

共设置3组试验桩，各试桩区的仪器埋设方法和数量相同。以A试桩为例，如图1所示：

（1）搅拌桩和桩周土表面各对称埋设两个土压力盒AT1～AT4，进行土压力和搅拌桩应力测试。

（2）砼芯内采用串联式预埋钢筋计AE1～AE18，埋设深度为0m、1.6m、3.1m、5.9m、7m以及9m，图2所示，进行砼芯应力测试。在0m、7m以及9m，每个深度对称埋设两个钢筋应力计，取其平均值作为最终读数。而1.5m、3.1m和5.9m属于土层交界面，为防止数据突变，界面上下共埋设四个钢筋计，同样取其平均值作为此深度处的轴力值。

2.3 试验方法

单桩复合地基静载试验步骤按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）附录A《复合地基载荷试验要点》进行。复合地基静载试验采用慢速维持荷載法。加载等级可分为8-12级。每加一级荷载前后均应各读记承压板沉降量一次，以后每半小时读记一次，当一小时内沉降量小于0.1mm时，即可加下一级荷载。

3.试验数据分析

3.1荷载-沉降分布特征

图3为三组含试桩复合地基的Q-S曲线，在整个加载过程中，复合地基沉降随荷载增大而发展平稳，对沉降控制效果明显。

由表2可以看出，达到设计荷载时，沉降仅为4mm左右，小于桩直径的1%，说明高弹模砼芯的插入对沉降控制效果十分明显。

3.2荷载传递规律

图4为试桩A的砼芯轴力在不同加荷等级下随深度的变化图。如图所示，随着深度增加，轴力呈直线状递减。这表明在刚性基础下，复合地基的上部荷载仍然主要由砼芯承担，并随着荷载的增加由砼芯→水泥土搅拌桩外壳→土体进行扩散，这与单桩静载试验的砼芯荷载传递规律是相同的[5-8]。

将相邻两个测点间作为一个桩段计算侧摩阻力，以每个计算桩段的平均侧摩阻力作为该桩段中点的侧摩阻力值，将相邻桩段中点的侧摩阻力顺次连接[9]，换算得出砼芯与水泥土搅拌桩外壳之间的侧摩阻力如图5所示。侧摩阻力分布规律比较复杂，这与地基处理后各地层的水泥土强度不同有关。砼芯顶端侧摩阻力发挥最快，说明顶端桩体首先达到塑性，随着荷载的增加，塑性区扩展从而导致复合地基破坏。

由图5还可看出，水泥土搅拌桩外壳对砼芯的侧摩阻力远大于原状软土的极限侧摩阻力，这有效保证了砼芯应力向外地有效扩散，使得砼芯和水泥土外壳之间不会发生相对刺入而破坏。

根据砼芯与水泥土搅拌桩的侧摩阻力，忽略水泥土的轴向力[8]，可以换算出水泥土搅拌桩与桩周土间的侧摩阻力：

（3）

式中：qs为砼芯与搅拌桩外壳间的侧摩阻力；q为搅拌桩外壳与土体间的侧摩阻力；U砼芯和U搅拌桩分别为砼芯和搅拌桩外壳的周长。

图6为三根试桩达到表2所统计的复合地基承载力特征值时桩土之间的侧摩阻力沿深度分布图。如图所示，由于砼芯的插入，改良了搅拌桩外壳与桩周土的接触性质，桩土界面的侧

摩阻力大于规范推荐的普通水泥土搅拌桩的侧摩阻力特征值[10]。在进行砼芯水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值计算时，砼芯插入范围内桩土间的侧摩阻力特征值可根据试验结果取以下建议值：粘性土25～30kPa，粉性土20～25kPa，淤泥质土15～20kPa，淤泥土10～15 kPa。

3.3 荷载分布规律

砼芯水泥土搅拌桩桩体由砼芯和水泥土搅拌桩两部分组成，将砼芯水泥土搅拌桩的整体平均应力与桩周土应力的比值定义为桩土应力比：

（4）

式中：σ砼，σ搅拌桩以及σ桩周土分别为砼芯，水泥土搅拌桩外壳以及桩周土的竖向应力。S砼和S搅拌桩分别为砼芯和水泥土搅拌桩的截面积。如图7所示，在加荷水平初期，桩土应力比随着荷载水平的增加而增加，峰值能达到75～105，桩体是主要承载体。当超过峰值以后，随着荷载水平的增加，桩土应力比逐渐减小，最后稳定在20左右，桩体和桩周土协调受力，有效发挥了复合地基各部分的承载力。

天然地基承载力为120kPa，复合地基施工完成后对桩周土进行了三组静力触探试验，得到土体平均承载力为143kPa，桩周土体承载力提高系数α为1.19。当达到复合地基承载力特征值时，三根试桩桩周土体的竖向应力分别为50kPa，36kPa和39kPa，相对于处理后的天然地基承载力，承载力发挥系数β分别为0.35，0.25和0.27。

图8为三组砼芯水泥搅拌桩复合地基静载试验的地表荷载分担比随加载量的变化规律。如图所示，随着加载量的增加，砼芯所承担荷载比例逐渐减小，桩周土体承担荷载比例逐渐增大，说明随着加载量的增加，桩土共同发挥承载作用，越来越显现出复合地基的特性。但整个加载过程中，砼芯所承担的荷载依然是最大的，砼芯是主要的承载受力部分。搅拌桩外壳在整个加载过程的荷载分担比例基本没有变化，搅拌桩在整个桩土体系中并不是承担竖向荷载的主要部分，而是通过大表面积提供足够的竖向摩擦力。

5.结语

根据现场施工期监测以及单桩复合地基静载试验，研究了砼芯水泥搅拌桩复合地基的承载特性以及承载力机理，并提出了砼芯水泥搅拌桩复合地基的承载力计算方法，主要结论如下：

（1）砼芯水泥土搅拌桩能有效控制沉降，在达到设计荷载时沉降不到桩径的1%。在刚性基础下，复合地基的上部荷载仍然主要由砼芯承担，并随着荷载的增加由砼芯→水泥土搅拌桩外壳→土体进行扩散。endprint

（2）承载力机理为：施工过程中砼芯挤入提高了桩周土体的天然承载力，改良了搅拌桩与土体间的接触性质，使得搅拌桩外壳与土体间的侧摩阻力要远大于规范推荐的水泥搅拌桩侧摩阻力计算值；砼芯与搅拌桩外壳之间接触紧密，保证了荷载的向外地有效扩散；复合地基中桩土共同受力，能够同步发挥各自的承载力。

参考文献

[1] 闻世强、陈育民、丁选明，左威龙路堤下浆固碎石桩复合地基现场试验研究[J].岩土力学，2010，31（5）：1559-1563. WEN Shi-qiang， CHEN Yu-min， DING Xuan-ming， ZUO Wei-long Application of grouted gravel pile in soft subgrade improvement of expressway [J]，Rock and Soil Mechanics，2010，31（5）：1559-1563（in Chinese）.

[2] 段继伟、龚晓南、曾国熙.水泥土搅拌桩的荷载传递规律[J].岩土工程学报，1994.16（4）：1-8.DUAN Ji-wei，GONG Xiao-nan，ZENG Guo-xi. Load Transfer of Cement-soil Mixing Pile[J]，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16（4）：1-8（in Chinese）.

[3] 费康、刘汉龙、高玉峰、丰土根. 现浇混凝土薄壁管桩的荷载传递规律[J]. 岩土力学，2004，25（5）：764-768.FEI Kang，LIU Han-long，GAO Yu-feng，FENG Tu-gen. Load transfer mechanism for field pour concrete thin wall cased pile （PCC）[J]，Rock and Soil Mechanics，2004，25（5）：764-768（in Chinese）.

[4] 韩选江、徐炳锋.复杂古冲沟场地人工挖孔桩的承载性状[J].岩土工程学报，2000，22（1）：77-82.HAN Xuan-jiang，XU Bing-feng. Study on the bearing capacity behavior of the excavated belled piles on the complicate old gully site[J]，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（1）：77-82（in Chinese）.

[5] 董平、陈征宙、秦然.砼芯水泥土搅拌桩在软土地基中的应用[J]. 岩土工程学报，2002，24（2）：204-207.DONG Ping，CHEN Zheng-zhou，QIN Ran. Use of con-crete-cored DCM pile in soft ground [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering.2002.24（2）：204-207（in Chinese）.

[6] 董平、秦然、陈征宙.混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元分析[J].岩土力学，2003，24（3）：344-348.DONG Ping，QIN Ran，CHEN Zheng-zhou. FEM study of concrete-cored DCM pile [J]. Rock and Soil Mechanics，2003.24（3）：344-348（in Chinese）.

[7] 陈颖辉、许晶菁、杨坤华、鲁忠军.加芯搅拌桩单桩承载力的分析[J].昆明理工大学学报（理工版），2006.31（4）：58-64. CHEN Ying-hui.XU Jing-jing，YANG Kun-hua，LU Zhong-jun. Analysis on the Load Capacity of the Concrete-Cored DCM Pile [J]. Journal of Kunming University of Science and Technology （Science andTechnology），2006，31（4）：58-64：1-6（in Chinese）.

[8] 丁永君、李进军、刘峨、李辉. 劲性搅拌桩的荷载传递规律[J]. 天津大学学报，2010，43（6）：530～536. DING Yong-jun，LI Jin-jun，LIU E，LI Hui. Load Transfer Mechanism of Reinforced Mixing Pile[J]. Journal of Tianjin University，2010，43（6）： 530-536（in Chinese）.

[9] 張伟丽、蔡健、林奕禧、黄良机.水泥土搅拌桩复合地基荷载传递机理的试验研究[J].土木工程学报，2010，43（6）：116-121. ZHANG Wei-li ，CAI Jian，LIN Yi-xi，HUANG Liang-ji. Experimental study of the load transfer mechanism ofcement-soil pile composite foundation [J]. China Civil Engineering Journal，2010，43（6）： 116-121.

[10] JGJ79—91，建筑地基处理技术规范[S].endprint