复合地基压缩模量试验室测试方法

支伟

（陕西西建路桥工程有限公司，陕西 宝鸡 721004）

工程建设中常常会碰到一些承载力较低，压缩性过大，或渗透性不能满足设计要求的特殊地基，一般属于软弱地基。通常用复合地基对软弱地基加以处理，置换软弱土层，或配置钢筋等材料，增加竖向增强桩以共同承担建筑荷载，提高软弱土体承载力，降低沉降量，从而满足设计要求。复合地基主要由基体和增强体两部分组合而成，基体和增强体可采用各种散体材料和粘结材料等。在特殊地基处理中，复合地基具有广泛适用性，已在各类工程的地基处理中使用。

由于复合地基形式同实际场地土体、气候等条件息息相关，目前主要采用压缩模量来评价复合地基的变形性能。压缩模量是复合地基的一个关键参数，其能反映土体受力后的变形能力。对于常见土体，通常采用在试验室开展小土块的样本固结压缩试验，测定多组同一类土体的压缩模量以辅助设计。但复合地基形式复杂，往往存在多种处理方式，且复合地基与土体差异较大，无法进一步缩小为现有土体样本尺寸，无法基于现有试验室仪器开展压缩模量的测试，使得对复合地基受力性能的研究受到限制，难以选择性能更好的复合地基形式。本文基于传统固结压缩仪，研发了可以符合实际工况，开展复合地基压缩模量测试的大型固结压缩仪，以进一步在试验室开展各类复合地基效应研究，对工程应用有较大价值。

一、复合地基基本特性

自早期的散体材料类复合地基引入国内，复合地基便发展迅速，目前常使用的复合地基有砂石桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、土桩、灰土桩、夯实水泥土桩、水泥粉煤灰碎石桩、锤冲扩桩、多桩型等复合地基[1]。这些复合地基又可进一步区分为散体材料桩和黏结材料桩。相比于未处理的软弱地基，复合地基存在包括压实效应、桩端承载效应、应力扩散效应、加强效应和抗剪效应等主要特性。

二、复合地基压缩模量计算方法

（一）方法一

复合地基的压缩模量采用土体压缩模量与桩体压缩模量组合表达，可表示为：

（二）方法二

用某一倍数关系的土体压缩模量表达复合地基压缩模量，具体为：

式中，n为桩土应力；其余符合同式（1）。

《建筑地基处理技术规范》中复合地基的复合压缩模量为[2]：

（三）计算方法缺陷

以上两种方法分别基于分层总和法和修正系数法，但均需获取复合地基的实测压缩模量，以对最终的复合地基进行评价。

式（1）对于未考虑黏结型桩的桩长效应，由于桩纵向受到较大土体摩阻力，长度方向将产生不可忽略的阻力，桩长效应对复合地基压缩模量影响较大。除此以外，考虑到坚硬土层产生的桩端承载效应，桩承载力显著提升，而式（1）复合地基压缩模量未考虑这一加强效应。式（3）则需要先测出天然地基承载力与复合地基承载力，该法需采用原位试验测试，复杂且不便于操作，不适用于所有土体。由于复合模量与沉降量存在密切关系，以上计算方法不能准确计算实际复合地基沉降量[3]。

三、复合地基压缩仪

（一）传统压缩仪缺陷

压缩仪是土工试验中测试土体压缩模量的常用方法，我国标准固结试验所用的土样高为2cm，直径为6.18cm或7.98cm[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，即扩大仪器口径。同时，由于复合地基承载能力较土体强，需采用大吨位千斤顶施加压力荷载，并加装更为精确的测试仪器。

（二）复合地基压缩仪构造

笔者基于传统压缩仪，研制了一台可用于复合地基压缩模量测试的仪器，主要构造如图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，土样上下部分别为2块厚5cm的透水石，以便于压缩时复合地基的水分排出，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，竖向荷载通过承载框架上的电动千斤顶提供，千斤顶最大伸长为40cm，可施加最大荷载为100kN，可精确分级加载，千斤顶安装于不锈钢承载框架上，以提高测试精确度。

图1 复合地基压缩仪

除图示构件以外，由于土压力盒尺寸较大，试验过程中传压板上部可采用多组千分表测试总体压缩位移，测定总的位移变形。同时可在压力盒内壁布设多个应变计，方便测定不同深度土体的应变，通过多组仪器可测出多组数据方便对复合地基特性开展进一步研究。

（三）仪器测试优势

该仪器相比于原状试验具有如下优势：

可在试验室进行多次试验，无需到施工现场进行原状土试验，极大地方便了测试。仪器可依据试验土体布置应变计与千分表，经过多次试验可采集大量数据，能得到较为精确的数据，测出的压缩模量更贴近于实际值。试验仪器试样样本尺寸大，极大地减少了复合地基的扰动，确保实验室所测压缩模量更加准确。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，确保加载准确。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，解决复合地基研究中的压缩模量测试的困扰，在相关理论研究和实践中，本试验方法能起到一定的作用。

四、结语

工程实践中经常遇到软弱地基，其极大地影响建筑物的安全性，往往采用复合地基处理方法对原有软弱土体进行置换。为评价复合地基性能，需采用压缩模量对其进行评价，而当前现有试验方法复杂，可重复性差，基于经验公式，极大地限制了复合地基压缩模量的研究。基于传统小土样压缩仪研制的大型复合地基压缩模量测试仪器，可对大型复合地基样本进行测试，并增加了多个位移和应变测试仪器，准确测量复合地基压缩模量，方便对复合地基进行研究，为工程实践提供一定参考依据。