多桩型复合地基在自重湿陷性黄土场地应用的试验研究

马安刚(甘肃众联建设工程科技有限公司，甘肃 兰州 730050)

多桩型复合地基在自重湿陷性黄土场地应用的试验研究

马安刚(甘肃众联建设工程科技有限公司，甘肃 兰州 730050)

通过原状土、预钻孔夯扩挤密地基、混凝土桩、多桩型复合地基（由挤密桩及混凝土桩两种增强体组成）的载荷试验，及桩身应力与基底土压力量测等，对多桩型复合地基在自重湿陷性黄土场地的应用进行了系统的试验研究，为该场地高层建筑地基选型提供了依据。

自重湿陷性黄土；高层建筑；多桩型复合地基

1 前 言

自重湿陷性黄土场地上的高层建筑通常采用桩基，以深部碎石类土或岩层作为桩端持力层。在湿陷性土层厚度很大的黄土塬、峁、梁及河流高阶地，往往碎石类土（或岩层）缺失或埋置深度大，若上部自重湿陷性黄土的厚度在可处理范围内时，可考虑采用由两种不同材料增强体组成的多桩型复合地基：采用土或灰土挤密桩增强体消除地基土的湿陷性；采用混凝土桩增强体提高地基承载力和对变形的适应能力，使之达到设计要求。本试验的主要目的：了解该类多桩型复合地基的承载与变形特性、混凝土桩与挤密地基的荷载分担比及桩土应力比等。

2 工程地质概况

拟建项目场地位于兰州市榆中县，场地原始地貌为黄土峁、梁及沟谷，经多次挖、填改造，场地西部形成了五级平台，场地东侧冲沟已回填整平。场地东西宽约1200m，南北长约1500m，大致呈梯形。勘察报告将拟建场地划分为三个工程地质分区，本次试验场地在Ⅱ区，地层自上而下依次为：

黄土状粉土：褐黄、灰褐色；层厚24.6m；含水率5.4%～11.8%、平均9.4%；干密度1.31g/cm3～1.47g/cm3、平均1.36g/cm3；孔隙比0.846～1.068、平均0.931；湿陷量△s>700mm，自重湿陷量△zs>350mm，属Ⅳ级自重湿陷性黄土场地；据击实试验，土体最大干密度为1.78g/cm3，最优含水率为14.8%；

离石黄土（Q2）：层厚21m，根据室内土工试验及现场浸水载荷试验，该土层湿陷起始压力≥600kPa，可按非湿陷性土层考虑；

卵石层（Q2）：勘察中未穿透，层厚大于6m；青灰色；主要成分为砂岩、花岗岩等，磨圆度及分选性好，粒径20mm～150mm，充填物以砂土为主；中密～密实。

勘察深度内未见地下水。

3 复合地基的设计与施工

本试验采用3:7灰土挤密桩消除黄土状粉土的湿陷性；采用混凝土桩增强体提高地基承载力和对变形的适应能力。

地基土含水率直接影响挤密处理效果，通常以含水率12%作为是否增湿的界限，本场地地基土含水率平均为9.4%，在挤密地基施工前进行了增湿处理，增湿停水25天后地基土含水率在10.3%～16.2%范围内，平均13.5%，基本满足要求。

灰土桩采用了预钻孔夯扩挤密工艺，桩孔按正三角形布置，桩长25m，预钻孔直径d为700mm，孔心距s为1.4m，本场地土体挤密前平均干密度ρd0为1.36g/cm3，最大干密度ρdmax为1.78g/cm3，考虑到基底压力较大且预钻孔夯扩挤密施工质量不易控制等因素，平均挤密系数取为0.97。依据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025，将上述参数带入式（1）可求得夯扩体直径D约为0.91m，灰土桩置换率为38.29%。

挤密地基预钻孔采用CFG-40型长螺旋钻机，夯扩采用JK-B型电动自行式夯实机，夯锤重2.78t，锤径500mm。

混凝土桩按正三角形布置，位于三根灰土挤密桩之间，桩长25m，桩径600mm，桩心距2.8m，混凝土桩置换率为4.16%。依据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012，有粘结强度复合地基增强体桩身强度应满足式（2）要求，式中单桩承载力发挥系数λ取0.9，桩截面积Ap为0.2826m2，单桩竖向承载力特征值取2355kN（仅考虑桩身摩阻力，极限摩阻力按100kPa计），桩体试块标准养护28d的立方体抗压强度平均值fcu为30MPa，试桩桩身混凝土强度等级取为C30。

混凝土桩采用旋挖钻机成孔，导管法灌注桩身混凝土。

4 试验内容与方法

主要试验内容见表1，试验场地平面布置见图1。

图1 试验场地平面布置

混凝土桩单桩静载试验依据《建筑基桩检测技术规范》JGJ-106进行，天然地基载荷试验依据《建筑地基基础设计规范》GB 50007附录C进行，挤密桩单桩复合地基载荷试验依据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50025附录J进行，混凝土桩单桩复合地基载荷试验依据《建筑地基处理技术规范》JGJ-79附录B进行。单桩复合地基载荷试验板的面积为一根桩承担的处理面积，载荷板为现浇钢筋混凝土圆形板（C25），板直径与高度之比约为3，第一级加载量计入载荷板自重。

桩身应力测试采用JMZX-416A型弦式钢筋应力计，钢筋计量程200MPa，灵敏度0.1MPa，在桩身配置安装钢筋计的钢筋笼，每桩设置17个截面，每个截面沿直径方向对称安装两个钢筋计，第1及第17截面分别距桩顶及桩底0.5m，其余截面间距均为1.5m。

图2 土压力盒布置

在混凝土桩单桩复合地基DF1、DF2点载荷试验板下挤密地基中设置土压力盒，试验板下挤密地基总面积为6.5㎡,其中挤密粉土面积4.05m2，灰土桩面积2.46m2，压力盒布置见图2。基底压力测试采用JMZX-5020A型弦式土压力盒，土压力盒最大量程2MPa，灵敏度0.001 MPa。土压力盒安装前模拟现场条件在室内进行了砂标，并将此作为分析依据。

预钻孔夯扩挤密效果检验的方法是：开挖探井，在桩间及桩身取样进行土工试验并量测夯扩体直径。综合灰土桩三桩间土体密实度、压缩性、湿陷性、桩身密实度及夯扩体直径等资料对挤密效果进行评价。

5 测试成果分析

5.1 单桩竖向静载试验成果分析

表1 主要试验内容

对ZH1、ZH2、ZH3桩进行了单桩竖向静载试验，图3是其荷载-沉降（Q-s）关系曲线。其中ZH1、ZH2桩进行了桩身应力测试，采用钢弦式应力计，当应力计受压后，钢弦的自振频率发生变化，按照预先标定的应力与频率关系曲线，通过综合测试仪得到钢筋应力值，将应力值除以钢筋与混凝土弹性模量之比αE得到桩身换算截面应力，该应力与换算截面积相乘即为测试截面轴力，相邻两截面轴力之差除以截面间桩身表面积得到该段桩身摩阻力，图4为ZH2桩桩身轴力及摩阻力分布图。

图3 ZH1、ZH2、ZH3桩Q-s曲线

图4 ZH2桩桩身轴力及摩阻力分布

如图3所示，加载过程中ZH1、ZH2、ZH3桩的Q-s曲线未出现整体剪切破坏的征兆，为缓变型，最大加载时，3根桩的累计沉降分别为15.92mm、19.4mm及14.03mm，单桩承载力特征值取最大加载之半2275kN。如图4所示，桩身摩阻力、端阻力的发展符合荷载传递的一般规律：由上至下、由小到大、先摩阻后端阻，最大加载时桩身下部摩阻力未达极限，端阻力较小，桩顶荷载主要与桩身摩阻力相平衡，基桩为摩擦型桩，桩身平均极限摩阻力可取为100kPa。

5.2 地基静载试验成果分析

通过载荷试验确定天然地基、灰土桩或混凝土桩单桩复合地基的承载力特征值时，应符合下列规定：当p-s曲线有比例界限时，取该比例界限对应的荷载值；当极限荷载小于对应比例极限荷载的2倍时，取极限荷载值的一半；当p-s曲线是平缓的光滑曲线时，按相对变形确定，天然地基取s/d＝0.01～0.015对应的荷载、灰土桩单桩复合地基取s/d＝0.006～0.008对应的荷载、刚性桩取s/d＝0.008～0.01对应的荷载，按相对变形确定的承载力特征值不应大于最大试验荷载之半；复合地基载荷试验，当承压板直径d大于2m时按2m计算。

图5为T1、T2、T3三个黄土状粉土地基载荷试验的p-s曲线，曲线上近似后直线起点依次为300kPa、350kPa、350kPa，将其作为各自的极限荷载，平均值为333kPa，黄土状粉土地基的承载力特征值取为160 kPa。由室内压缩试验黄土状粉土的压缩模量Es0.1-0.2为12MPa，Es0.2-0.3 为 14MPa。

图6为JF1、JF2、JF3三个灰土桩单桩复合地基载荷试验的p-s曲线，曲线上近似后直线起点依次为720kPa、630kPa、720kPa，将其作为各自的极限荷载，平均值为690kPa，灰土桩单桩复合地基的承载力特征值取为345kPa。依据《建筑地基处理技术规范》JGJ-79，复合土层的压缩模量等于该天然地基压缩模量的ζ倍，ζ为复合地基与天然地基承载力特征值之比，ζ＝345／160＝2.16，灰土挤密桩复合地基的压缩模量Es0.2-0.3可取为30MPa。

图5 T1、T2、T3点P-s曲线

图6 JF1、JF2、JF3点P-s曲线

图7 DF1点p-s曲线

图7～图9分别为DF1、DF2、DF3三个混凝土单桩复合地基载荷试验的p-s曲线，对其中DF1、DF2两点的混凝土桩进行了桩身应力测试，图10为DF2点桩身轴力及摩阻力分布图。

表2 多桩型复合地基荷载分担比与桩土应力比

表3 灰土桩挤密地基桩土应力比

图8 DF2点p-s曲线

DF1、DF2、DF3三点的p-s曲线均为缓变型，可拟合为图中所示的幂函数，单桩复合地基的承载力特征值按相对变形确定，取s/d＝0.008，承压板直径d按2m计，s＝16mm，三点p-s曲线上与16mm对应的荷载分别为901kPa 、948kPa、1023kPa，均大于最大试验荷载之半，多桩型复合地基承载力特征值取600kPa。由图10可见，复合地基中混凝土桩桩身荷载传递规律与前述单桩类似，桩身下部摩阻力未达极限，端阻力未充分发挥，基桩为摩擦型桩。当多桩型复合地基基底压力为其承载力特征值时，桩顶荷载为2160kN，接近单桩承载力特征值。多桩型复合地基的压缩模量等于天然地基压缩模量的ζ倍，ζ＝600／160＝3.75，压缩模量可取为50MPa。

图9 DF3点p－s曲线

图10 DF2点桩身轴力及摩阻力

5.3 荷载分担比与桩土应力比

桩土荷载分担比与桩土应力比是复合地基的重要设计参数，它与桩土模量比、桩土面积置换率、荷载水平、桩长、垫层种类与厚度等因素有关。表2为依据实测桩顶所受荷载计算的混凝土桩与挤密地基的桩土荷载分担比与桩土应力比。表3为依据挤密地基中实测应力计算的灰土桩与挤密粉土的桩土应力比。由表可见，随荷载增加、变形发展，荷载逐渐向桩体集中。当上部荷载为多桩型复合地基承载力特征值时，混凝土桩与挤密地基的荷载分担比约为1.13，桩土应力比约为26，灰土桩与挤密粉土的桩土应力比约为1.63。在挤密效果检验时，《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025规定，当基底压力大于300kPa时，测定湿陷系数δs的试验压力宜用实际压力，本试验承载力特征值取600kPa时，挤密粉土上土压力平均值为237kPa，试验压力仍用200kPa。

5.4 预钻孔夯扩挤密地基处理效果检验

开挖探井，在桩身及挤密桩三桩间取样进行土工试验并量测夯扩体直径，结果表明：夯扩体直径平均为910mm，压实系数基本达到0.97，三桩间土体的最小挤密系数平均为0.88，湿陷性全部消除，土体由中等压缩性变为低压缩性，地基处理达到预期效果。

6 结 语

1）在湿陷性土层厚度很大的黄土塬、峁、梁及高阶地，当碎石类土（或岩层）缺失或埋置深度大，且上部自重湿陷性黄土可处理时，高层建筑采用由灰土挤密桩及混凝土桩两种增强体组成的多桩型复合地基是可行的。

2）采用本试验各项设计参数时，多桩型复合地基的承载力特征值可取为600kPa，压缩模量可取为50MPa。与多桩型复合地基承载力特征值对应的混凝土桩与挤密地基的荷载分担比约为1.13，桩土应力比约为26，灰土桩与桩间挤密粉土的桩土应力比约为1.63。

3）试验及试算表明，初步设计时，在设定多桩型复合地基各项参数后，利用《建筑地基处理技术规范》JGJ-79推荐公式，预估复合地基的承载与变形特性是可行的。

[1]中华人民共和国国家标准，建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）[s].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]中华人民共和国国家标准，湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）[s].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]中华人民共和国国家标准，岩土工程勘察规范（GB50021-2001）（2009年版）[s].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]中华人民共和国行业标准，建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）[s].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]中华人民共和国行业标准，建筑地基处理技术规范（JGJ79-2008）[s].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6]中华人民共和国行业标准，建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2014）[s].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[7]中华人民共和国行业标准，建筑地基检测技术规范（JGJ340-2015）[s].北京：中国建筑工业出版社，2015.

Expeimental study on application of multi-type-pile composite foundation in self-heavy collapsible loess ground

Through load test on Undisturbed soil, pre-drilled rammed compaction, concrete piles,multi-pile composite foundation(It is composed of compacted pile and concrete pile),and measurement of pile stress,base earth pressure,a systematic experimental study was carried out on application of multi-type-pile composite foundation in self-heavy collapsible loess ground,it provides the basis for the selection of high-rise building foundation.

self-heavy collapsible loess; high-rise buildings; multi-pile composite foundation

TU473

B

1003-8965(2017)05-0086-04