劲扩复合桩竖向抗压承载特性对比试验

周威，包华,2*，彭杰，洪俊青

(1.南通大学交通与土木工程学院，南通 226019；2.江苏劲桩岩土科技有限公司，南通 226000)

中国沿江、沿海地区广泛分布着软土，软土具有强度低、压缩性高、渗透性差等缺点，传统工程桩型很难有效、经济地满足工程建设对承载力和沉降的要求。劲扩复合桩是近年来出现并发展一种新工艺，它是由刚性桩和外包水泥土组成的组合截面构件，通过在水泥土搅拌桩初凝前同心插入刚性桩，形成具有扩体形态和力学特性的一种复合桩型[1]。

劲扩复合桩是劲性复合理论[2]和夯扩工艺技术的有效结合，目前有关劲扩复合桩的研究较少。关于劲性复合理论桩型多方学者进行了试验探究：凌光容等[3]通过对45根原型桩进行现场和室内模型试验对比，初步掌握劲性复合桩的受力特性、设计和施工方法。肖昭然等[4]通过现场试验和理论分析，探讨了泥土搅拌墙(soil mixing wall，SMW)工法桩的受力特性。俞建霖等[5]通过数值模拟分析，进一步研究砼芯水泥土桩的沉降影响因素及荷载传递特性。朗德伸等[6]、Wonglert等[7]通过现场试验与数值模拟相结合，对不同参数下的管桩水泥土复合桩承载特性进行研究。李丹等[8]针对混凝土芯水泥土搅拌桩群桩承载特性进行了室内模型试验。宦雯等[9]通过现场静载试验，提出了管桩内芯劲性复合桩桩身破坏模式及桩身极限承载力设计计算方法。李立业[10]、刘维等[11]、闫南等[12]通过现场载荷试验结合数值模拟分析，提出劲性复合桩单桩极限承载力计算算公式及预测模型。上述研究为劲扩复合桩的研究打下了理论基础。

根据劲扩复合桩的芯桩长度(lcp)与水泥土桩长度(lcs)的关系可以分为长芯桩(lcp>lcs)、等芯桩(lcp≈lcs)、短芯桩(lcp

1 现场试验概况

1.1 试验场地工程地质概况

试验场地15 m×12 m，位于江苏省南通市平潮镇花坝村，地处长江下游三角洲平原北翼，地貌形态单一。根据现场地质勘探资料，地基土除表层素填土外，均属于第四纪全新世长江冲积层，地质剖面图如图1所示。现场各土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层分布和土体物理力学指标

图1 试验场地地质剖面图

1.2 试桩参数及试验内容

为确保试验数据的准确性开展了重复试验。试验共6根试桩，2根混凝土灌注桩，2根管桩内芯劲扩复合桩，2 根灌注桩内芯劲扩复合桩。混凝土灌注桩采用泥浆护壁水钻孔工艺，桩径850 mm，桩长12.0 m；两种类型劲扩复合桩外桩均为水泥土桩，采用SJW125单轴深层高压旋喷搅拌机，干喷工艺，掺灰量15%，桩径850 mm，桩长12.0 m；管桩内芯劲扩复合桩内芯采用静压沉桩工艺，桩径400 mm，桩长12.0 m；灌注桩内芯劲扩复合桩内芯采用柱锤内夯沉管浇筑工艺，桩径420 mm，桩长12.0 m。试桩设计参数如表2所示。

表2 试桩设计参数

为深入研究劲扩复合桩竖向抗压承载发挥特性，在桩身布置钢筋应力计和传感光纤，辅助测试桩身的应力分布情况。在灌注桩内芯劲扩复合桩内芯桩内埋设JTM-V1000正弦式钢筋应力计，每桩钢筋应力计设置在各土层交界面处，共6个截面，每个截面布置3个，呈120°布置，在灌注桩内芯桩侧壁及水泥土中部位置埋入传感光纤；在管桩内芯劲扩复合桩内芯桩侧壁及水泥土中部位置埋入传感光纤。测量设备布置如图2所示。

图2 桩身测量设备分布图

2 单桩静载试验

2.1 荷载分级

试验采取慢速维持荷载法，加、卸载方式依照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)相关规定[13]进行：加载分级时，分级荷载取预估极限荷载的1/10，其中第一级加载量取分级荷载的两倍，加载至桩顶位移达到40 mm或100 mm停止加载；卸载分级时，每级卸载量取加载时分级荷载的两倍。

2.2 试验结果

每次加载后测读时间为5、15、30、45、60 min，以后每隔30 min测读一次，直至桩顶沉降量达到相对稳定标准，进行下一级加载。卸载为加载级数的一半，每级卸载测读1 h，按5 min、15 min、30 min、60 min进行测读，即可卸下一级荷载。荷载卸至零时的测读时间为 5、15、30、60、90、120、150、180 min。试验桩的单桩极限承载力及沉降见表3。

表3 试验桩的单桩竖向极限承载力及沉降

6根试桩中，劲扩复合桩的单桩竖向承载力明显高于同直径混凝土灌注桩，约为其极限承载力的1.39～1.69倍，其中灌注桩内芯劲扩复合桩单桩竖向承载力最优，是管桩内芯劲扩复合桩的1.22倍；两类型劲扩复合桩达到承载力极限所对应的沉降量相当，略高于同直径混凝土灌注桩。

2.3 试验结果分析

图3为现场静载试验得到的载荷-沉降(Q-S)曲线图。可以看出，混凝土灌注桩(CZ-1、CZ-2)的Q-S曲线呈“缓降”型，试桩达到承载力极限时，传递到桩端土层的荷载大于桩端承载力极限时，发生桩端刺入破坏。管桩内芯劲扩复合桩(PZ-1、PZ-2)Q-S曲线总体呈“缓降”型，表现为大直径桩的承载特性，但在达到极限荷载时，沉降急剧增大，结合对其桩身后期检查和小应变检测分析，发现桩头压碎是沉降急剧增大的主因。灌注桩内芯劲扩复合桩(SZ-1、SZ-2)曲线呈“缓降”型，表现为大直径桩的承载特性，当试桩达到承载力极限时，沉降平缓，说明在达到承载力极限时芯桩和水泥土桩整体能够有效地协同工作。

图3 Q-S曲线图

从承载力角度分析，两类劲扩复合桩的单桩竖向极限承载力约为同直径钻孔灌注桩的1.39～1.69倍，灌注桩内芯劲扩复合桩承载力最优。从破坏模式分析，两类劲扩复合桩的Q-S曲线均呈“缓降”型，表现出大直径桩的承载特性，说明芯桩和水泥土可以有效地协同工作，尤其是灌注桩内芯劲扩复合桩，其“芯桩-水泥土”结合面可以更有效地保证劲扩复合桩的整体协同工作。国内相关学者研究表明，“芯桩-水泥土”结合面可以提供足够的抗剪强度以保证桩体整体协同工作[9-10]，与本文分析结果相符。因此，着重对“水泥土-桩侧土”结合面之间的变形协调机理进行研究。

3 劲扩复合桩桩身轴力

由于现场施工以及技术问题，传感光纤未能形成有效数据。因此，本文根据SZ-1、SZ-2所测数据，对劲扩复合桩竖向抗压承载特性进行研究。通过计算可知，SZ-1、SZ-2不同桩身轴力分布规律相似。以SZ-1为例，如图4所示，随着深度的增加，桩身轴力逐渐减小，整体表现为上部桩身轴力衰减较慢、中间衰减较快，底部衰减趋于平缓；上部荷载向下传递的过程中，荷载主要由桩侧阻力承担。因此，着重对劲扩复合桩桩侧阻力发挥特性展开研究。

图4 桩身轴力-深度曲线图

4 劲扩复合桩桩身侧阻力

4.1 桩身侧阻力计算方法

试验中，钢筋应力计是安装在灌注桩内芯内部，所测量值是内芯桩的受力情况，但是由于水泥土的弹性模量与内芯桩的材料模量相差数百倍，因此可以忽略水泥土的轴向承压能力，只考虑利用其抗剪强度传递作用[10]。如图5所示，取一桩的分析单元，假定同一截面处芯桩和水泥土环桩的单位侧阻力相等，即有

图5 桩单元内力图

U1qs1i=U2qs2i

(1)

式(1)中：U1、U2分别为劲扩复合桩在此截面处的周长；qs1i、qs2i分别为劲扩复合桩的单位侧阻力；i为桩检测断面顺序号，i=1，2，…，n,并自桩顶从小到大排列。

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)规定[13]，通过相邻两断面之间的轴力差结合桩身参数可计算不同位置桩侧土的平均侧阻力值，计算公式为

(2)

式(2)中:qsi为第i断面与第i+1断面间侧阻力；u为桩身周长，m；li为第i断面和第i+1层断面之间的桩长，m。

4.2 计算结果分析

根据图4各点位测得的桩身轴力数据，通过式(1)和式(2)计算得灌注桩内芯劲扩复合桩各点位桩侧阻力值，如图6所示。

图6 桩侧阻力沿深度的变化曲线

(1)桩身侧阻力发挥具有异步性，桩身上部侧阻力先于下部发挥。加载初期，荷载主要由桩身上部侧阻力承担。随着上部荷载的增加，桩身上部侧阻力完全发挥并趋于稳定，桩顶荷载逐步向下传递，桩身下部侧阻力开始发挥作用。

(2)试桩桩侧阻力沿深度方向呈现出中间大两端小，并在中部土层桩侧阻力达到峰值。芯桩的插入使桩身刚度变大，桩身整体压缩量变小，改变了水泥土桩与土体之间的变形协调，使得桩土之间相对位移增大，试桩桩侧阻力提高。

(3)试桩桩侧发生不同程度侧阻力软化。桩身上部侧阻力达到峰值后，其值随着上部荷载的增加而逐渐减小，最后维持在一个残余强度。桩侧阻力软化程度随荷载的增加而增加，软化程度越高桩身下部侧阻力越不易完全发挥，在一定程度上导致桩承载力降低。因此，在承载力计算时应考虑承桩身下部摩阻力折减。

(4)SZ-2在中部土层位置出现负摩阻力。初步分析认为，桩体在施工过程中的扰动导致原有土体结构破坏，成桩后桩周土发生固结沉降，对桩体产生下拉荷载，虽然这一负摩阻力被桩身下端的正摩阻力所抵消，但是在实际应用中会降低桩身承载力。因此，在施工过程中应避免对桩侧土的扰动。

4.3 桩侧阻力发挥特性

表4、表5为图6中极限状态下桩侧阻力计算值与地质勘查报告中桩侧阻力经验值的对比情况，由表4、表5可知，桩身各土层侧阻力发挥程度并不完全相同，但是各土层侧阻力分布的规律大体一致。从整体来看，除桩身底部侧摩阻力及桩身负摩阻力出现位置，劲扩复合桩桩侧阻力计算值与勘察报告中预制桩及灌注桩侧阻力经验值的比值平均值分别为1.54～2.31和1.67～2.50。劲扩复合桩之所以有较高的侧阻力，结合劲扩复合桩施工工艺，有以下几个原因。

表4 SZ-1桩极限侧阻力对比

表5 SZ-2桩极限侧阻力对比

(1)水泥土挤密扩散效应。水泥土桩施工搅拌过程中具有一定的喷浆压力，会在水泥土桩和桩周土层之间形成一个扩散层，使得水泥土桩-土结合面形成一种以机械互锁为主的界面粘结机制；在柱锤夯沉管浇筑过程中，对水泥土桩的挤密效应使得水泥土桩径向扩张，提高了扩散层的界面粘结强度；挤密扩散层的存在加固了桩侧土体，改变了水泥桩-土结合面，使劲扩复合桩获得较高桩侧阻力。

(2)水泥土重组强化效应。水泥土通过机械搅拌，将原有的土体和水泥以一定比例混合重组固化；同时通过插入芯桩，对周围的水泥土桩产生挤压作用，使得水泥土进一步加密，形成较致密和强度较高的水泥土桩。强度较高的水泥土桩能够有效地将芯桩上部荷载传递到桩周土体中，形成强-中-弱刚度渐变的结构，等效扩大了桩的有效直径，提高了劲扩复合桩的竖向承载力。

5 结论

(1)两种类型劲扩复合桩单桩竖向承载力明显优于同直径混凝土灌注桩，约为其极限承载力的1.39～1.69倍，其中以灌注桩内芯劲扩复合桩的承载力最高；两种劲扩复合桩单桩承载力极限状态下的桩顶沉降为26 mm左右，略高于同直径混凝土灌注桩。

(2)两种类型劲扩复合桩破坏方式相似。排除劲扩复合桩桩头压碎破坏的影响，劲扩复合桩Q-S曲线呈“缓降”型，表现出大直径桩的承载特性特性。灌注桩内芯劲扩复合桩在达到承载力极限时，桩身沉降更为稳定。

(3)劲扩复合桩侧阻力计算值与预制桩及灌注桩桩侧阻力经验值的比值平均值为1.54～2.50。水泥土挤密扩散效应和水泥土重组强化效应的存在，加固了桩侧土体，改变了桩-土结合面，等效扩大了桩的有效直径，从而使劲扩复合桩获得较高的侧阻力。