水泥土搅拌桩复合地基设计参数试验研究

朱艳萍

（广东冶建施工图审查中心有限公司 广州 510080）

0 引言

广州南沙开发区地处粤港澳大湾区地理几何中心，是粤港澳合作的重要平台，被国家和省、市赋予重要历史使命，战略地位十分重要。近年来，南沙的基础建设开展得如火如荼，为南沙招商引资垫定了坚实的保障基础。但南沙开发区的深厚软土层，对南沙的工程建设产生了巨大的影响。

1 南沙地区软土工程地质特征

南沙位于广州的南部，地处珠江三角洲沉积地带，根据场地地貌成因及形态特征，场地地貌单元表现为珠江三角洲海陆交互相沉积平原地貌，原始地貌为三角洲前缘的滩涂经围垦而成的陆地。南沙地区软土的工程普遍具有以下特征：天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、渗透性弱、固结系数小、粘聚力小、承载力低［1］，需对其进行处理方可达到工程需求。

2 南沙地区软土加固方式概述

根据南沙地区已有经验，市政道路最常用的软土地基处理方法有：预压法（包括天然地基、砂井或塑料排水板等载、超载预压和真空预压等）、复合地基法（包括水泥搅拌桩、CFG 桩、旋喷桩、管桩等）、换填及土工合成材料法等［2］。

水泥土搅拌桩通过搅拌机械将水泥等胶结材料与地基的软土搅拌成桩柱体，使它具有一定的强度和水稳性，达到提高地基承载力、增大地基变形模量、减少地基沉降的目的［3］。

水泥土搅拌桩具有成熟的设计理论和丰富的工程实践及经验积累，但在进行具体工程设计中，由于地质条件和岩土参数的差异，如何合理选择与确定具体设计参数，仍存在一些问题。本文基于广州南沙开发区某道路项目的基础上，在采用水泥搅拌桩处理的路段，通过室内和现场试验、检测、分析，为选择合理的设计参数提供依据。

3 水泥搅拌桩设计情况

南沙开发区南部某主干路全长19.924 km，双向六车道。K14+640 箱涵为4.0 m×2.5 m 钢筋混凝土箱涵，从上往下地层依次为填土厚度约3～4 m，淤泥20～24 m，以下为砂层。设计箱涵基础采用搅拌桩处理，桩长15.5 m，桩径50 cm，间距1.5 m，水泥掺量为17%，桩身28 d 设计的抗压强度为1.0 MPa，设计单桩承载力110 kN，复合地基承载力100 kPa，计算工后沉降0.08 m。

为了评价水泥搅拌桩处理方法对提高地基承载力和减小沉降量的效果等，在K14+640 箱涵复合地基进行了大型载荷试验和室内土工试验。

4 水泥搅拌桩试验情况

4.1 复合地基载荷试验分析

本荷载试验采用平板载荷法，承压板使用情况如表1所示。

表1 载荷试验承压板尺寸［4］Tab.1 Loading Pressure Test Plate Size

载荷试验在测沉降的同时埋设土压力盒对桩、垫层、桩间土的应力进行测量。

4.1.1 桩土应力分析

把载荷试验时测得的应力变化数据绘制成Q～σp、σs曲线，如图1 和图2 所示。图中σp为桩顶应力，σs为桩间土应力。

图1 单桩复合地基应力变化曲线［4］Fig.1 Stress Variation Curve of Single Pile Composite Foundation

图2 四桩复合地基应力变化曲线［4］Fig.2 Stress Variation Curve of Four Pile Composite Foundation

从图1、图2可以看出：

⑴起始阶段，当荷载Q由0 增加到25 kPa 时，σp与σs数值曲线几乎接近于水平线，说明此时的荷载量对桩和桩间土的影响较小；

⑵加载阶段，当荷载Q从25 kPa逐步加载到175 kPa，σp和σs均随荷载Q的增加而增加，但σp的增长速率较σs增加更快；当荷载Q达到175 kPa 时，σp进一步加速增大，而σs的增幅开始减缓，Q～σp的曲率较Q～σs的曲率更陡，表明此时搅拌桩承担了大部分的荷载增量，桩间土承载力已接近于极限状态，沉降量也在不断加大。

⑶极限阶段，随着荷载Q的增加，σp急速加大，沉降量继续加大，到某一数值时，桩间土被侧向挤出，进而导致桩间土应力下降，此时由桩来承担更多的荷载，地基处于即将破坏状态。

从试验数据可以看出，单桩复合地基曲线与四桩复合地基曲线变化趋势基本一致，在相同桩径与桩长的条件下，四桩复合地基的应力值要比单桩复合地基应力值大，这是因为作用在桩间土顶的荷载增加了桩体所受的侧压力，从而提高了地基的承载能力［5］。

4.1.2 桩土应力比分析

对载荷试验的测试土压力数据进行处理，绘出单桩及四桩复合地基桩土应力比n随荷载Q的变化曲线，如图3和图4所示。

图3 单桩复合地基桩n值变化曲线［4］Fig.3 Curve of n Value Variation of single Pile Composite Foundation Pile

图4 四桩复合地基n值变化曲线［4］Fig.4 N-value Variation Curve of Four Pile Composite Foundation

从图3和图4可看出：

⑴起始阶段，在荷载Q由0 增至50 kPa 时，桩土应力n值增加速率较快，曲线上表现为急剧的上升趋势，表明桩的应力发挥较多，桩间土的作用未能有效发挥；

⑵加载阶段，当荷载Q由50 kPa逐渐加大到175 kPa时，n值也随之加大，但总价体来说变化较为平稳，桩和土的应力在均衡作用；

⑶极限阶段，当荷载Q大于175 kPa时，n值的上升速率又急剧增大，曲线从平缓上升变为较快的上升趋势，说明桩与土的应力差在进一步拉大，桩间土的应力即将达到极限状态。

同时，从图3 和图4 中Q～n曲线的急剧上升—趋于平缓—急剧上升的过程说明，在水泥搅拌桩复合地基中，桩与桩间土的发挥是不同步的，他们不是同时达到极限状态，随着荷载的不断加大，首先达到极限状态和破坏的是桩间土，然后才是搅拌桩。

在水泥搅拌桩复合地基设计中，桩与桩间土的应力比n是一个非常重要的指标。现行地基处理方面的规范建议按地方经验取值，如《工程地质手册》［6］等给出的经验取值范围为2～4。在设计过程中，n取值越大，则意味着桩所需承担的荷载比桩间土需承担的荷载要大得多，桩间土的承载力未能得到发挥，造成浪费；n取值过小，则意味着桩所能承担的荷载与桩间土接近，桩身强度弱，造成复合地基的承载力低、沉降大，处理效果不佳。

4.2 复合地基沉降分析

根据试验结果绘制出载荷试验的荷载Q的和桩顶沉降s（mm）的关系曲线图，如图5所示。

图5 荷载-沉降曲线［4］Fig.5 Load and Settlement Curve

从图5可看出：

⑴当荷载小于50 kPa 时，沉降曲线增速均较为平缓，说明此时地基处于相对稳定状态；

⑵当荷载由50 kPa 增加到125 kPa 的过程中，沉降曲线上升的速率不断增大，天然地基在不断增加的荷载作用下出现破坏；并且可看出单桩复合地基的沉降比天然地基土的沉降要小。

⑶当荷载超过125 kPa 时，单桩和四桩复合地基沉降不断加大。

在复合地基设计中，当路堤填土高度较低（荷载低于50 kPa）时，复合地基的设计参数如桩间距、桩身强度等可适当降低标准，以降低造价。

4.3 单桩、单桩复合和四桩复合地基承载力关系分析

搅拌桩复合地基载荷试验较为复杂，在目前设计中，一般由单桩实测承载力推求复合地基承载力。根据《建筑地基处理技术规范：JGJ 79—2012》［7］上规定设计计算为：

确定的较小值作为单桩承载力的特征值，再用：

来计算复合地基承载力。

式中：hp为桩身强度折减系数；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配室内加固土试块90 d 龄期的抗压强度平均值（kPa）；n为桩长范围内所划分的土层数；up为桩的周长（m）；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值；li为桩长范围内的i层土的厚度（m）；qp为桩端端阻力特征值（kPa）；α为桩端端阻力发挥系数；λ为单桩承载力发挥系数；Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；m为面积置换率；β为桩间土承载力发挥系数；fsk为桩间土承载力特征值（kPa）。hp、qsi、α、λ、β、fsk按当地经验取值。

根据本项目试验数据，并用上述公式计算结果如表2所示。

表2 单桩、单桩复合、四桩复合地基承载力特征值与实测值对比［4］Tab.2 Comparison of Characteristic Values and Measured Values of Bearing Capacity of Single Pile, Single Pile Composite, and Four Pile Composite Foundations

从表2 中数据可看出，单桩实测承载力比按式⑴计算的结果要大，而采用式⑵计算所得单桩承载力与实测值较为接近，这说明在深厚软土中设置搅拌桩复合地基属于摩擦桩，承载力主要由桩体与桩周土的侧摩阻力控制。复合地基中单桩实际发挥承载力比单桩试验结果要大，这是因为作用在桩间土顶的荷载增加了桩体所受的侧压力，从而提高了工程桩的承载能力。

4.4 桩间土处理前后对比分析

为了检验和分析水泥土搅拌桩对桩间土的影响，通过现场试验分别获得了桩间土搅拌桩处理前后相关的物理力学指标如表3所示。

表3 处理前后桩间土物理力学性能指标［4］Tab.3 Physical and Mechanical Performance Indicators of Soil between Piles before and after Treatment

从表3 中可看出，处理前后的桩间土物理力学指标总体有改善，含水量虽有减少，但还是处于比较高的水平；孔隙比比处理前小，说明在搅拌桩的施工过程中存在一定的挤土作用；固结系数的变化不明显；压缩模量则有了较明显的提高，并且强度指标c值也有较为明显的提高。

5 结语

通过在广州南沙某主干路的水泥搅拌桩复合地基进行试验，包括复合地基载荷试验和搅拌桩处理后的取土试验，从试验测试成果中进行对比、分析、判断，可得到如下结论：

⑴由本项目的载荷试验曲线对比可看出，复合地基在载荷作用下的沉降变形较天然地基小。但当荷载小于50 kPa 时，天然地基与复合地基沉降量相差不大，因此，在低填浅挖路基的深厚软土路段，更多的是要考虑地基的协调变形和提高承载力，体现在设计桩长和桩间距上，建议考虑加大桩间距，或采用悬浮桩以及桩-网复合地基等处理措施进行优化［8］，以节省工程造价。

⑵桩土应力比n是地基优化设计的重要指标，是反映复合地基工作状态的重要参数，它与地基土的性质、桩身强度、荷载大小、桩间距等因素密切相关，目前仍以地方经验值取值。在复合地基的加载过程中，桩与土的应力在不断的变化、不断调整，桩间土先于桩身达到极限状态，最终在桩间土的应力得以最发挥时为最优。因此，设计时应合理确定桩土应力比n，充分发挥桩间土的作用，根据所需的复合地基承载力和沉降要求合理确定桩间距和桩身强度［9］。通过本项目试验证明，该地区桩土应力比n取4～6 较为经济合理［10］。

⑶通过对复合地基处理软土地基后桩间土的试验成果的分析可知搅拌桩的打入对桩间土存在一定的影响，使桩间土的性状得到了一定的改善，并且随着时间的变化而增强，因此，在搅拌桩复合地基施工完成后宜进行等载预压，预压时间不宜少于3 个月，更有利于发挥桩间土的作用［11］。