CFG 桩复合地基室内模型试验研究

熊 熙，夏端林，夏念恩，谭正清

（黄冈职业技术学院 建筑学院，湖北 黄冈 541004）

为了模拟软弱的淤泥土地基进行CFG 桩加固后复合地基工作机理，模拟试验选取了软土地基段现场的淤泥质土。土料被运送至试验室后，经一系列程序处理，风干、碾压，过筛，除去2mm粗颗粒，最后成为模型试验用土。因为模型桩的直径相对较小，为了使集料与桩径的比例同工程实际保持基本一致，采用细砂、米砂、水泥和粉煤灰，分别模拟CFG 桩桩体材料，用2-5mm 粒径米砂来代替碎石； 用过2mm 筛剔除粗颗普通建筑砂粒代替细集料的砂料；胶结材料采用325普通硅酸盐水泥和1 级粉煤灰。模拟试验在某土工研究所试验大厅的模型槽内进行。

1 室内模型方案

1.1 模型设计

为了分析CFG 桩在不同条件下工作性能方面差异，共同制作了3 组试验模型见表1，整过实验中桩周围土都有同样条件下的桩，以保证被测试桩处于均匀的边界条件中。

1.2 模型制备

模型制备主要步骤，将风干碾碎后的土料加水，配置成含水量为25%-30%的湿土料，装入涂料槽并完全密置，使其含水量均匀，留作备用。为模拟天然地基土底部的硬土层，在模型槽底部铺垫200mm 一层土层，然后人工夯实。按不同模型试验要求在硬土层上竖立放置直径55mm，长120mm 的不锈钢管，作为贯穿软土层的CFG 桩的成桩导管。导管竖立放置好后，开始模拟现场软土层来分层填土，每层填土厚度100mm，填土时控制模型土体的密度，让它们保持一致。当填土厚度到达软土厚度1/2 时，再竖立放置55mm，长60mm 的成桩导管，然后再均匀分层填土，一直填土达到设计高度。模型各土层的物理指标和强度指标见下表2。

在成桩导管埋设之前，在成桩身设置变形测量装置和压应力传感器。为了保证感应面受力均匀，在埋设压力传感器时，应在感应面上铺上一层细砂。填土作业完成后，然后通过导管向填土内注入充足的水，使填土在水中充分浸泡，强度大大的降低，接近软弱淤泥土强度，同时也保证成桩后桩体的强度增长的环境与工程现场情况较接近。依据上述参考工程实际情况，选用CFG 桩材料的配合比为1：2.9：5.4：0.86：0.26（水泥：砂：米砂：水：粉煤灰）。如果在室内进行试验，完全模拟CFG 桩的施工过程的挤土作用是很难做到，为了试验模拟更接近现场成桩过程中的挤土效应，在成桩过程中分为数次向导管内填桩体料，然后采用振捣密试—提升导管—振捣密试—提升导管的成桩的方法，直至填满。提管后在振动挤压的作用下桩体产生横向扩张。试验完成后,取出桩体观察，发现桩体直径大小不一致，以导管上拨的次数形成类似串葫芦状，即每次提升导管后在管底形成明显的扩径，观察发现成桩最小直径为50mm 左右，最大直径可达70mm 左右，平均直径为60mm。成桩的直径比导管的外径增大了5.0mm。从表2 可见，成装前后的模型土体的密度和空隙比呈现出鲜明的变化，说明试验采用的成桩过程来模拟现场挤土是具有可行性的。

表1 3 组不同条件下桩复合地基模型

表2 模型土体性质指标

表3 不同模型复合地基极限承载力

在进行填土载荷试验时，三种模型的成桩时间都为2 天[1]，这样就保证所有模型在载荷试验桩体材料的成桩的龄期是一致的。

2 载荷试验

2.1 测量系统

进行荷载试验之前，首先对试桩桩头进行系列处理，使桩头保持平整，使试桩桩头周围的填土土面高度一致，再向填土平整面上均匀铺上薄层细砂，使平整面成为压力传感器的感应工作面。根据设计要求的位置把压力传感器安装好后，再按设计要求铺设细砂垫层，将传感器完全埋进砂垫层之中。砂层总厚度为13-16mm，砂层厚度相当于施工现场CFG 桩的垫层。用水平尺将砂垫层顶面缓缓刮平[2-3]，把载荷板对中安放且完全水平，接下来安置测力环、千斤顶，并保持荷载传递各组件的中心在同一铅垂线上共同作用与反力梁。测量装置安装同一般载荷试验。

2.2 载荷试验方法

本载荷试验的加荷分12 级加载[4]。加载后在保持荷载不变的条件下，每间隔半小时读取一次数据，收集桩体和桩间土各监测点的应力、载荷板和桩底的变形等相关数据。当加荷满足下条件其一，可试验终止，总变形量达到载荷板宽度10%以上时；变形速率无明显趋于稳定的趋势或。

3 试验结果分析

3.1 不同模型承载力载荷试验曲线

图1 为不同桩长模型载荷试验曲线及图2 为不同置换率模型载荷试验曲线，从图形变形关系曲线可见，曲线均有非常明显的拐点，从而可以容易的确定复合地基极限承载力。

图1 不同桩长模型载荷试验曲线

图2 不同置换率模型载荷试验曲线

3.2 不同模型复合地基极限承载力

通过对CFG 桩复合地基模型载荷试验，得知：不同模型的极限承载力及其他物理参数见表3。

结果进行对比分析，可以看出：

（1）CFG 桩复合地基承载力主要取决于CFG桩面积置换率。同样是单桩复合地基载荷试验，面积置换率为0.101 的c 模型与面积置换率为0.031 的b 模型相比，前者极限承载力是后者的2.23 倍。

（2）在同样的置换率条件下，a 模型CFG 桩未贯穿软土层60cm 的短桩与b 模型CFG 桩贯穿整个软土层的长桩的复合地基相比，贯穿软土层长桩承载力比未贯穿软土层承载力大1.92 倍，但两者差别的幅度比相同桩长不同置换率（b 模型与c 模型）的承载力差别小得多。这可能是因为桩的面积置换率很小的情况，在整个复合地基的承载力中，桩所承担的荷载比例也比较小，很难起到决定性的作用。

3.3 不同模型桩体应力随总荷载分布及其变化

图3 为b 模型5 倍间距桩体应力的变化和图4 为c 模型3 倍间距桩体应力的变化，从图形变形关系曲线可见，载荷试验过程中桩体内不同测点的应力随荷载的变化曲线。

图3 b 模型5 倍间距桩体应力的变化

图4 C 模型3 倍间距桩体应力的变化

从图中可以看出：在桩体不同位置的测点中桩顶应力是最大的，随着位置远离桩顶，其应力也随着变小，直至最小应力的桩底部。随着荷载的增加，桩体内各部分的应力也随之增加，但在沿桩身方向的应力变化规律是一致的，这说明CFG 桩桩身的摩擦作用是很显著的。

4 结论

通过对CFG 桩复合地基的室内模型试验研究可以得到以下几点认识：

（1）CFG 桩的面积置换率直接决定着CFG桩复合地基承载力。在置换率相同的情况下，桩的长度以及是否贯穿软土层，对于复合地基的承载力和变形的影响至关重要。提高复合地基承载力，减小桩间距增大置换率比提高桩长效果要好很多。

（2）在上部荷载不变作用下，CFG 桩桩身应力分布为倒梯形，桩体上部应力大，下部应力小，且同时随着上部荷载增大桩身应力也成正比例增大。

（3）由于室内模型试验的模型比尺较小，应力应变均会受到模型比尺的影响，因此，CFG 桩的工作机理与特性应通过现场试验进行进一步的研究与验证。