包裹碎石桩复合地基固结排水性能模型试验研究*

欧阳芳，吕文强，常光磊

1.湖北第二师范学院BIM技术应用工程中心，湖北 武汉 430205

2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430000

3.四川省冶勘设计集团有限公司，四川 成都 610000

软土地基具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、透水性差等特点，一般采用包裹碎石桩加固软土地基，加速地基的固结排水。德国汉堡飞机制造厂的填海围垦项目中，软土不排水时抗剪强度仅为0.4～10kPa，厚度为8～14m，采用包裹碎石桩加固软土后，相比原钢桩防渗墙方案，极大地加速了地基的固结排水，使施工周期由3年缩短至8个月[1]。1979年Yoshikuni[2]针对碎石桩提出了桩体应力集中概念，此后，几乎所有桩承复合地基的固结理论研究均考虑了该方面的内容。Han等[3-4]、Lorenzo等[5]、卢萌盟等[6]、Castro等[7]、Zhang等[8]发展了桩承复合地基固结理论。Zhang等[8]研究固结时，考虑了包裹碎石桩桩体变形，由此得出的平均固结度远小于以往不考虑桩体变形时的固结度。

试验是理论研究的重要依据，然而目前关于包裹碎石桩固结性能方面的试验研究较少。Almeida等[9]和陈贺等[10]研究了堆载下包裹碎石桩复合地基超静孔压的变化，Munfakah等[11]和Han等[12]等通过现场试验研究了碎石桩复合地基的固结沉降。为了定量研究包裹碎石桩复合地基的固结性能，文章利用模型试验，比较未加固地基、碎石桩和包裹碎石桩复合地基的含水率变化，分析复合地基内部不同位置排水情况，探讨包裹碎石桩复合地基的固结性能。

1 试验设计

1.1 试验整体布置

模型箱内部尺寸为1.0m×1.0m×0.9cm。模型箱底部为25mm厚钢板，侧壁为有机玻璃板，玻璃板外部固定槽钢，保证模型箱的绝对刚性。

考虑试验中土体为高含水量淤泥质软黏土，需对模型箱进行防水处理。利用玻璃胶、丁腈型液态密封胶、自黏型改性沥青船用封舱胶带和金属油漆对模型箱进行防水和防锈处理。处理后注水，以检查模型箱是否存在渗漏情况。

桩体直径为10cm，桩长为65cm，承压板直径为25cm。模型内土体分为两层，上层为65cm厚度的软黏土，下层为15cm厚度的坚硬土层，桩端支承于坚硬土层之上。模型箱及桩土布置如图1所示。

图1 包裹碎石桩复合地基模型（单位：cm）

1.2 试验模型制备

（1）软土取自宁波某海滨，经重塑后使软土含水量均匀，为46%。软土重塑方法如下：先将已风干的软土浸泡在水中2～3周，使软土饱和；将饱和后的软土摊放在土工滤布上，厚度约为5cm，通过风干使软土含水率降低至约45%；搅拌调整软土，将软土铺设至塑料膜上，厚度约为5cm，再覆盖一层塑料膜，定期喷洒水，精确调整含水率至46%。经重塑后的软土即可用于试验。

（2）软土之下为坚硬土层，软岩持力层物理参数如表1所示。

表1 软岩持力层物理参数表

（3）碎石材料选用自然级配碎石，考虑到桩径大小，控制碎石最大粒径不超过10mm，碎石密度为1.57×103kg/m3。套筒材料选用尼龙纱网，网孔宽度小于2.5mm，确保大部分碎石不会漏出。套筒材料有两种，一种套筒材料极限抗拉强度为6.5kN/m，对应的最大延伸率为19.0%，5%割线模量为95kN/m；另一种套筒材料极限抗拉强度为23.6kN/m，对应最大延伸率为24.3%，5%割线模量为200kN/m。考虑到试验过程中套筒材料的延伸率较小，材料始终处于弹性状态，故选用5%割线模量分别代表两种套筒类型。

（4）堆载预压。对土体模型进行堆载预压，允许扰动的软土固结。模型填筑后静置12h，在模型上铺设一块0.9m×0.9m的刚性板，板上堆载铁块预压24h，再静置12h。在靠近模型边界的位置取样测试软土性质，得到其材料参数如表2所示。

表2 软土材料参数表

（5）加载。最后在软土层上铺设5cm厚度的碎石褥垫层，并安装承压板、荷重传感器和千斤顶。承压板半径R为12.5cm，置于模型中心。根据设计逐级施加荷载，每一级荷载施加后第1个小时内，按照时间间隔5min、10min、15min、15min、15min分别读取承压板沉降读数，后续每次间隔30min读取沉降值，直至连续1h内累计沉降小于0.1mm，此时地基沉降视为已稳定，并可施加下一级荷载。当某一级荷载施加下沉降在2h内仍不稳定或沉降过大，则认为地基已破坏，停止施加荷载。

地基破坏后，立即卸除加载装置，开挖软土并测量不同位置软土的含水率。具体试验过程如Ouyang等[13]和欧阳芳[14]文章中所述。

1.3 试验分组

试验共分为5组，所有复合地基中桩体长度均为65cm，桩径为10cm，A#组和B#组为重复组。ESC-95kN/m表示套筒5%割线模量为95kN/m的全长包裹碎石桩；ESC-200kN/m表示套筒5%割线模量为200kN/m的全长包裹碎石桩；ESC-60%l所示桩体套筒5%割线模量为200kN/m，套筒长度为40cm；SC表示传统碎石桩。试验分组情况具体如表3所示。

表3 试验分组情况表

2 试验结果分析

静载试验完成后，监测复合地基中桩顶深度，以及距承压板中心0.6R（承压板之下）和距承压板中心2.8R位置地基土体的含水率，以研究在竖向荷载作用下包裹碎石桩对软土地基排水固结的影响，结果如表4所示。其中，荷载为静载试验最后一级荷载，承压板沉降为最后一级荷载对应沉降。含水率变化是指开挖时相较于填筑时土体的含水率变化，含水率减小记为正值，含水率增加记为负值。由表4可知，随着施加荷载的增大，地基含水率变化量并未呈现明显的增大趋势，这是因为加载后固结排水时间较短，而软土地基渗透系数过低，故荷载对地基固结排水效果的影响较小。另外，不同地基的变形情况对其固结也有一定影响。

表4 不同地基含水率变化情况表

包裹碎石桩复合地基含水率沿不同深度（0cm、30cm和60cm）的变化情况如图2所示。由图2可看出，复合地基的固结排水性能优于软土地基，而试验加载过程中包裹碎石桩与传统碎石桩的含水率变化差异较小。桩顶部和桩底部深度的固结排水效果较好，桩体中部位置含水率变化量较小。对于软土地基，这是因为水分可在重力下向下渗流，上部土层又具有迎空面，水分也可向上排出，所以上部土层含水率变化最大。桩底部深度附近水分可向下渗流至坚硬土层，因此该位置含水率变化次之。中部软土层的含水率变化较小，甚至出现含水率上升的情况，这可能是因为上部土层的水分在重力下向中部土层渗流，且中部土层排水路径最长。对于复合地基，桩中部固结排水效果弱于桩顶部，碎石桩/包裹碎石桩是良好的排水路径，故复合地基中桩中部深度土体的含水率变化大于未加固软土地基的含水率。

图2 不同深度土体含水率变化情况

同一深度（距桩顶0cm、30cm、60cm），距承压板中心0.6R和2.8R位置含水率变化情况如图3所示。由图3可知，地基内同一深度，靠近承压板中心线（或者桩中心线）处的含水率降低量较多，地基排水效果较好。这是因为越靠近中心线，地基中的附加应力越大，地基中固结排水较明显；若存在桩体，桩体是良好的排水通道，则近桩土体的排水距离较短，排水越快，含水率降低幅度较大。

图3 平面土体含水率变化

试验完成后，对地基进行开挖发现复合地基顶部的褥垫层充满了积水，如图4所示。另外，桩体内也充满了水。这说明碎石桩体有效发挥了排水通道的作用。开挖过程中还发现传统碎石桩和包裹碎石桩的桩体碎石材料都掺杂有少量软土，且传统碎石桩内掺杂的软土较多，这些软土可能是在施工过程中挤入桩体内，或加载时挤入桩体内，或渗流过程中进入桩体内的。若在实际工程中，必然也将存在软土进入桩体内的情况，导致桩体的固结排水效果降低。周志刚等[15]建议在碎石桩外部围裹一层土工布作为滤布，避免软土挤入桩体内，增强桩体排水性能。

图4 加载完成后桩体排水现象

3 结论

文章通过室内模型试验初步研究了软土地基、包裹碎石桩软土复合地基、碎石桩软土复合地基含水率变化情况，探讨了包裹碎石桩复合地基固结排水性能。

碎石桩或包裹碎石桩是良好的排水通道，可有效缩短排水路径。试验加载后开挖桩体发现复合地基顶部褥垫层充满了积水，桩体内也充满了水。桩顶部所在深度固结排水效果较好，桩中部深度土体的含水率变化大于未加固软土地基的。靠近承压板中心线（或者桩中心线）处的含水率减小量较多，地基排水效果较好。这是因为该位置地基中的附加应力较大，且桩体是良好的排水通道，近桩土体的排水距离较短。

试验加载后传统碎石桩和包裹碎石桩均掺杂着少量软土，且前者掺杂的软土较多，这些软土可能是在施工过程中或加载过程中挤入桩体内的，该问题也存在于实际工程中。为此，可在包裹碎石桩外围裹一层土工布作为滤布，避免软土挤入桩体内，确保其排水性能。