复合地基压缩模量测试新方法

张路　赵姝彬　易志

摘 要：针对复合地基力学特性测试不便，设计制作了一台适用于复合地基的侧限压缩仪（固结压缩仪），本文首先简述了复合地基基本特性，并对比分析传统压缩模量测试方法的缺陷，最后简介了该仪器的构造，试验方法及仪器优势。

关键词：侧限压缩；复合地基；固结仪

0 引言

对于各类地基来说，压缩模量是设计必需的参数，然而当前实验室常使用的侧限压缩仪测定土样的弹性模量，所能测试的土样体积小，且忽略了侧壁摩阻力的影响，采用千分表测定应变稍显落后，数据较少而且实验数据有较大的误差，给科学研究带来了极大的不便。对于复合地基压缩模量评价主要依靠经验公式，未有针对复合地基的试验仪器和配套试验方法。

1 复合地基基本特性

复合地基一般分为砂石桩复合地基、水泥土搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基、土桩、灰土桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩复合地基柱、锤冲扩桩复合地基、多桩型复合地基[1]。复合地基在施工阶段的作用机理主要表现为挤密效应和排水固结效应，工作阶段的作用机理主要表现为桩体效应、垫层效应和加筋效应。

1）挤密效应：竖向增强体复合地基在施工过程中将桩位处的土部分或全部的挤压到桩侧，使桩间土体挤压密实。

2）排水固结效应：增强体透水性强，是良好的排水通道，能有效地缩短排水距离，加速桩间饱和软粘土的排水固结。

3）桩体效应：复合地基中桩体刚度大，强度高，承担的荷载大，能将荷载传到地基深处，从而使复合地基承载力提高，地基沉降量减小。

4）垫层效应：复合地基的复合土层宏观上可视为一个深厚的复合垫层，具有应力扩散效应。

5）加筋效应：水平向增强体复合地基，在荷载的作用下，发生竖向压缩变形，同时产生侧向位移。复合地基中的加筋材料，将阻碍地基土侧向位移，防止地基土侧向挤出，提高复合地基中水平向的应力水平，改善应力条件，增强土的抗剪能力。

6）协作效应：增强体与周围土体协调变形、共同工作、相得益彰。如竖向增强体复合地基，桩体强度高，刚度大，约束土体侧向变形，改善土体的应力状态，使土体在较高应力状态下不致发生剪切破坏。同时，土体也约束桩体的侧向变形，保持桩体的形状，提高桩的强度和稳定性。

2 传统复合地基压缩模量计算方法

2.1 第一种表达式

用桩体材料和土的模量的叠加来表达复合地基的复合模量，称其为第一种表达式。具体为：

Esp=mEp+（1-m）Es' （1）

式中，Esp为复合地基的复合模量；m为面积置换率；Ep为桩体压缩模量；Es'为加固后桩间土压缩模量。

2.2 第二种表达式

用土的模量的某一倍数来表达复合地基的复合模量，称其为第二表达式。具体为：

Esp=[1+m（n-1）]Es' （2）

式中，n為桩土应力；其余符合同式（1）。

《地基处理规范》中，水泥粉煤灰碎石桩和夯实水泥土桩复合地基的复合模量表达式为：

Esp=ξEs （3）

式中，Es 为天然地基土压缩模量；ξ为模量提高系数，ξ=fspk/fak（fspk为复合地基承载力特征值；fak为天然地基承载力特征值）[2]。

2.3 传统计算方法缺陷

复合模量法是目前应用最广泛的复合地基沉降量计算方法。该法把复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量Esp来评价复合土体的压缩性，用分层总和法计算加固区土层压缩量。因此，复合模量取值的正确与否对沉降量结果的准确性有决定性的影响[3]。

此外，（1）式在概念上存在许多不妥之处，首先未能考虑桩长的作用，碎石桩存在有效桩长，因而复合模量与桩长相关性较低，影响不大。但对于

粘结型桩，桩受土的摩阻力较大，桩长效应明显，影响较大。并且未能考虑桩的端阻效应，试验表明，桩端落在坚硬土层上的单桩承载力，复合地基承载力和复合模量比桩端落在在软土层上的要高，而式（1）求得的复合模量则是相同的，未能反映端阻效应。若使用（3）式计算则需要预先测出天然地基承载力特征值与复合地基承载力特征值，通常采用原位试验测试，较为复杂不便于操作，并且（3）式不适用于所有土体具有一定的局限性。

3 复合地基侧限压缩仪

3.1 传统压缩仪缺陷

侧限压缩仪（固结仪）是土工试验中测试土体压缩模量常用方法，我国标准固结试验所用的土样高为2cm，直径为6.18cm或7.98.cm[4]。只适用于小试样土体，不能用于复合地基试验，若想在试验室测出较为准确的压缩模量，就需要尽可能还原土样原状条件，也即是说应当扩大仪器口径，并加装更为精确的测试仪器。

3.2 复合地基压缩仪构造

如图1所示，该压缩仪土压力盒是一个壁厚为2cm的不锈钢环，环高35cm，内径50cm，在土样上下部分别为2块厚5cm的透水石，以便于压缩时水分排出，上方加设一块传压板，用于分散上方千斤顶的压力，使土体承压均匀。

3.3 仪器测试优势

该装置相比于原状试验具有如下优势：

1）可在实验室进行多次试验，无需到施工现场进行原状土试验，极大地方便了测试。

2）仪器采用了多个测试应变的原件，数据量大，多次试验后，可得到较为精确的数据，贴近于实际值。

3）试验仪器试样尺寸大，减少了复合地基的扰动，所测压缩模量更加准确。

4）采用了电子千斤顶施加荷载，可逐级加载，精确控制每级荷载大小和加载时间。

4 结语

综上所述，该仪器极大地方便了复合地基压缩模量的测试，相比于传统经验系数法，使用该仪器可得到更为精确的复合地基压缩模量，解决了复合地基研究中的压缩模量测试的困扰。因此，希望在相关理论研究和实践中，本团队研究成果能起到一定的作用。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）.北京：中国建筑工业出版社，2013（7）：35-60.

作者简介：

张路（1996-）男，汉族，陕西省陇县，身份证号：61032719960204001X，本科生，研究方向：桥梁工程

赵姝彬（1996-）女，汉族，河南省淅川县，身份证号：411323199606110028，本科生，研究方向：桥梁工程

易志磊（1995-）男，汉族，贵州省瓮安县，身份证号：522725199501160011，本科生，研究方向：道路与桥梁