旋喷桩复合地基承载特性的试验研究

崔双利，杨春普，史薇薇，王 斌，邢朝辉，刘瑞钾

(1.辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，沈阳 110003；2.辽宁江河水利水电设计院有限公司，沈阳 110003)

1 概述

旋喷注浆作为地基处理的一种技术，在国内外的地基处理工程中得到了广泛的应用。该技术在工艺流程、注浆材料以及机具设备等方面都有了很快的发展。旋喷桩桩身的特性与所在地层岩性，喷射成桩水泥用量及喷射参数密切相关。就旋喷桩单桩而言，砂土固结体的无侧限抗压强度最大可达10 MPa，粉质粘性土固结体无侧限抗压强度最大可达3 MPa，(均使用PO42.5级普通硅酸盐水泥)。对于连体群桩防渗，砂砾石层中整体渗透系数为i×10-5～i×10-6cm/s(i为1～10区间值)，破坏比降为860～980。在粘土层中其渗透系数达i×10-7cm/s，破坏比降为150～210[1]。因此高压喷射注浆处理地基完全可以满足各种建筑物对地基的沉降变形和稳定要求[2]，以及防渗稳定要求。多年实践证明，此技术最适合建筑物软弱地基的加固及透水地基的防渗处理[3-5]。但旋喷桩作为复合地基的特性研究及工程应用较少，需要在试验和工程实践中不断完善。

旋喷桩加固软土地基，桩体与被加固的土体所组成的地基称作旋喷桩复合地基。这种由两种不同性质的材料所组成的复合体在荷载作用下，保持共同承担荷载作用。为了深入了解这种复合地基的承载特性，我们以大量的工程实践为基础，采用模型试验的方法，对旋喷桩单桩和其构成的复合地基进行了系统的载荷试验，以探求在竖直荷载作用下，复合地基的承载特性及其加固原理。

2 模型桩材试验

旋喷注浆法在地下形成的桩体，是由所灌注的水泥浆液与地层土相互掺混而组成。旋喷柱状固结体有较高强度，外形凹凸不平，因此有较大的承载力[6]；形成的桩体不完整不均匀，在防渗和结构稳定性方面，有着独特的稳定性[7]。因此，要了解旋喷桩复合地基特性，首先了解旋喷桩自身特性。本试验对不同水泥掺量的旋喷固结体做了以下3组试验：① 不同水泥掺量的单轴抗压试验；② 不同水泥掺量的单轴弹性模量试验；③ 单一水泥掺量的高压三轴试验。

在数据处理中，将应力圆包络图简化为公切线，计算公式为：

(1)

式中：

τ——剪切应力；

C——内聚力；

σ——有效应力；

σ1——大主应力；

σ3——小主应力；

φ——内摩擦角。

影响旋喷桩性能的有地层颗粒组成、工艺参数、注浆材料等各种因素，为简化试验，选择浆材为变参量，其他影响参量不变的试验模式，以便于分析旋喷桩的基本性质。试验中的旋喷桩从不同水泥掺量进行高喷注浆试验获得，试验地层均为砂质地层，颗粒组成见表1。高喷注浆水压力为30 MPa，注浆管提升速度为12 cm/min，旋转速度为8 rpm，采用水泥粘土浆材料，水泥标号PO42.5级，旋喷注浆深度为7.5 m。龄期60 d后进行表面开挖，桩径为0.95～1.12 m。使用工程钻机取样。取样点选取桩半径1/2位置，代表桩体的平均性能。取样深度为6 m，岩心管直径108 mm，样品编号后置入岩心箱内(如图1所示)。送入实验室后经过二次钻取、切割、顶底面抹平及养护等制作过程后，形成直径40 mm、高80 mm标准样进行预先设计3组试验。旋喷试验中的浆液配合比及各组试验获得的旋喷桩性能指标见表2所示。

图1 旋喷桩取样岩心示意

表1 粗砂地层物理力学指标及颗粒组成级配

表2 模型桩材的性能指标

3 复合地基的模型试验

3.1 试验方案

为了使本试验纯化，应用了单因素试验方法，分别进行了以下几组试验(其参数见表3)：① 不同尺寸承台的天然模型地基载荷试验；② 不同桩长的单桩载荷试验；③ 不同承台不同桩长的单桩复合地基载荷试验；④ 群桩复合地基的载荷试验。

表3 载荷试验参数 mm

3.2 试验加载装置

静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。垂直载荷试验时，需在固结体的顶部0.50 m范围内，浇筑0.2～0.3 m厚的钢筋混凝土桩帽[9]。本试验为垂直载荷试验，主要为在模型地基中设置水泥土的旋喷桩模型，桩帽部分分别设置混凝土承台和钢板承台，承台是上部结构与桩或群桩之间相联系的结构部分[10]，通过承台利用油压千斤顶加载，量测承台沉降量、承台下地基的接地反压及桩侧应变等。试验装置高度为1.5 m，纵向长度为1.4 m。其中铁制土槽直径为1.0 m，高度为0.65 m。按要求上体(荷重传感器)抗压、抗剪强度均大于试件抗压、抗剪强度(试验装置原理见图2)。

1—荷重传感器；2—钢制反力架；3—位移传感器；4—千斤顶；5—承台；6—模型地基；7—模型桩；8—铁制土槽；9—土压力盒；10—应变片图2 试验装置原理示意(单位：mm)

3.3 加载及量测系统

试验中采用油压千斤顶加载，每级加载量由沉降量控制。利用荷载传感器和位移传感器来读取荷载及沉降值。承台下接地反压由埋设在承台下地基表面的土压力盒测量，桩轴力的测定是利用贴在桩身的3组共12枚应变片，由静态电阻应变仪读取应变来实现。

3.4 模型的选取

模型桩采用直径为5 cm的圆柱形旋喷桩，长度分别为30 cm、40 cm及50 cm。试验中共选用了3种尺寸的各式承台，即15 cm×15 cm×10 cm的混凝土承台、20 cm×20 cm×1 cm的钢板承台及42 cm×42 cm×2 cm的钢板承台。

3.5 模型地基的特性

天然土的力学特性可受到种种因素的影响，这些因素通常促使应力与应变现象呈现明显的非线性的、不可逆的以及随时间变化的特征。同时，还促使土体显示出各向异性及非均匀的材料性质。因此，试图考虑所有这些材料特性来解决土与基础相互作用的问题无疑是一项繁重的工作。为了获得土与基础相互作用实际问题的有意义且可靠的资料，考虑土性态的许多特殊方面以使其理想化实属必须[11]。据此本试验为简化模型地基特性，选用单一土壤粘土作为模型地基土。粘土颗粒较细(多数粒径小于2 μm)，含有高岭土和蒙脱石等矿物质[12]，是当地(沈阳地区)普遍地基土壤。选用粘土土粒比重为2.45，液限为60%，塑限为21%，塑性指数为39。

分层夯实制成的模型地基基本特性为：容重为1.81 kg/cm3、变形模量为43、贯入阻力为0.65、液性指数为0.843、含水量为20.0%～35.5%。

粘性土地基中含水量的大小往往决定着试验的成败，本试验中采用烘干法量测地基含水量，并通过挖孔量测模型地基的含水量与地基深度的关系(如图3所示)。

图3 含水量与模型地基深度的关系示意

4 试验结果

本试验共完成模型天然地基、单桩载荷、复合地基以及桩身应力、应变等20余组试验。本文仅选几组有代表性的载荷试验曲线，以期说明问题。分别为不同尺寸模型天然地基载荷与沉降曲线(见图4)；不同尺寸单桩复合地基载荷与沉降曲线(见图5)；群桩复合地基载荷与沉降曲线(见图6)；单桩(桩长L=30 cm)轴力(N)分布图(见图7)；单桩(桩长L=30 cm)摩阻力(f)分布图(见图8)。

图4 TH1、TH2试验P～S曲线示意

图5 FX2、FD2试验P～S曲线示意

图6 群桩复合地基P～S曲线示意

图7 FD1试验的轴力分布示意(曲线上的数字为对应的试验荷载值)

图8 FD1试验摩阻力分布(曲线上的数字为对应的试验荷载值)

5 试验结果分析

5.1 载荷试验对比

本试验可以互相对比的试验有以下几组。TH1、D1及FX1；TH1、D2及 FX2；TH2、D1及FD1；TH2、D2及FD2；TH3及QF。其中TH1、D1及FX1这组试验曲线对比见图9。

图9 3种试验的比较示意

从图9可以看出，沉降量相同的情况下，复合地基的承能力远比单桩的承载力高。随着沉降量的增加，天然地基(TH1)和单桩(D1)的承载力发生不增加或增加缓慢的现象，而复合地基(FX1)的承载力则随着沉降量增加而不断增大，直至产生破坏为止，在破坏之前甚至比单桩承载力及天然地基的承载力之和还要高，该现象体现了旋喷桩复合地基独特的承载特性。同时，承台的增大有利于地基参与承载，但增加桩长来提高承载力却效果不明显。

5.2试验荷载与承台下地基反力

为定量分析承台下地基承载问题，可从承台下地基的反力PC探讨。这里将PC定义为土压力盒读数乘以承台下地基的面积。试验中所得P～PC曲线见图10及图11。

图10 FX系列单桩复合地基P～PC关系曲线示意

图11 群桩复合地基P～PC关系曲线示意

从P～PC图中得出：承台的大小、桩的长短、桩的数量对承台下的地基参与承载都有影响，最为显著的影响因素是桩体的数量，在同等桩数的情况下PC与P的关系可以概括为：在加载初期，承台下地基发挥承载的效应很少，即PC小，超过一定限度后，则PC/P值趋近一常数。

5.3 平均应力与桩土的应力分配

承台下地基所承担的总荷载PC，利用应变片推断出作用于桩顶的荷载Pp，试验时所施加的荷载P，它们之间的定量关系见图12。

图12 FD1试验的P、PC、PP～S关系曲线示意

由图12可知，当复合地基加载初期，荷载主要由桩体承担，承台下地基承载较少，随着沉降值的加大，承台下地基渐渐参与工作而分担更多的荷载，直至桩、土所分担的荷载达到一定的协调。

由于桩体与土体的变形模量不同，在分配荷载时，荷载必然会向桩体产生应力集中，其集中系数即所谓桩土应力分担比：

n=σp/σc

(2)

式中：

σp——桩顶所受的平均应力；

σc——承台下地基的平均反力。

试验的应力分担比n与沉降S的关系曲线见图13。

图13 各试验的n～S关系曲线示意

图13显示出随着沉降值S的增大，应力分担比n值逐渐减小，最后趋近某一定值。在曲线的初期各组试验的规律有所不同，可以理解为由于承台的大小及试验误差所造成。

对于n值随沉降的增加而趋近某一定值可以这样解释：从n趋于定值的那点的沉降值起，地基、桩及复合地基都开始相继进入到塑性状态，但它们并非同步，这点从图11也可看出。桩率先进入塑性状态(极限状态)，然后是复合地基，再次是承台下的天然地基。

5.4 桩身轴力及桩侧摩阻力

从图7及图8可以看出，桩身轴力的分布比较均匀，随荷载的增加其变化也比较均匀，各组试验的最大桩身应力为2.1～2.3 MPa，本试验所采用模型桩的抗压强度为4～4.7 MPa。可见，复合地基中基本上发挥了桩身的强度。

桩侧摩阻力的分布变化比较复杂，在加载初期，上部桩身的摩阻力首先发展，荷载增大后，桩体下部的摩阻力增长很快，并且超过桩体上部的摩阻力。这主要是由于承台的参与工作限制了一定范围内的桩土相对位移，因而其规律与单桩的一般情况相背，可见承台对桩侧摩阻力有“削弱作用”。

6 结语

1)经以上试验及分析，完全可以肯定旋喷桩—土—承台共同工作构成复合地基的模式，得出复合地基承载力与承台及桩长定性关系如下：即大承台比小承台更易发挥承台下地基参与工作，增大桩长可以提高复合地基的承载力，但超过一定桩长后，其效果并不显著。

2)工程实践表明，旋喷桩复合地基由多个不相连的旋喷桩组成。旋喷时其主体为有一定直径和体形的旋喷桩，还有一部分连在旋喷桩外面的支体，支体是土的裂隙造成，其数量、粗细(厚薄)和长短与土的裂隙状况及喷射技术参数有关。也就是说，旋喷复合地基，不但有旋喷桩，在桩之间的土中还有若干支体固结体，它们在一定程度上改善了桩间土的物理力学性能，从而加大了复合地基承载力并减小了地基的沉降量[13]。

3)虽然旋喷桩复合地基强度明显高于原来地基土的强度。但实际应用中，旋喷桩作为复合地基应用却较少，因为国内其他旋喷桩复合地基试验表明，加固后的复合地基承载力存在着较大的差异，而造成这一差异的主要原因在于桩身加固体强度不均匀，离散程度较高，导致这种复合地基具有明显的不均匀性[14]。此外在工程造价上，比国内应用的粉喷桩及振冲碎石桩要高，这方面旋喷桩复合地基不占优势，不利于大面积加固地基使用。