水泥土搅拌桩承载力及沉降现场试验分析

姚伟伟 （山东胜利建设监理股份有限公司，山东 东营 257000）

0 引言

水泥土搅拌桩常应用于软土地基及复合地基的加固，为研究其加固效果及其力学及变形特性，近年来，许多专家学者针对水泥土搅拌桩的力学特性开展相关研究。

贾剑青等[1]以某高速铁路为研究对象，结合现场监测与有限元模拟，分析水泥土搅拌桩对地基的加固效果，研究其变形及承载特性。周身平等[2]以某公路为研究对象，建立其有限元模型，计算其安全系数，分析水泥土搅拌桩对其地基的加固效果。郑帅恒等[3]以水泥土搅拌桩为研究对象，建立三维有限元模型，分析不同因素对其桩深强度及稳定性的影响。商庆坤等[4]以某复合地基为研究对象，开展室内模型试验，分析水泥土搅拌桩加固下，其地基的承载特性及变形规律。费大伟等[5]开展室内水泥土标准试验，分析不同因素对水泥土搅拌桩强度的影响规律，结果表明，成桩工艺对其强度的影响较大。

本文以渤中19-6凝析气田I期开发工程为研究背景，以该工程的水泥土搅拌桩为研究对象，分析水泥土搅拌桩的承载力及加固效果，采用修正双曲线模型对水泥土搅拌桩的承载力进行预测。

1 工程概况

该项目位于山东省滨州市临港高端石化产业园南部用地处，北海大街以北，疏港路以东，其东侧为现有汇泰化工园，用地现状为存量建设用地，场地东西总长600m，南北宽556m，合约33.33hm2。该项目桩基施工主要为水泥土搅拌桩施工，水泥土搅拌桩采用42.5 级抗硫酸盐硅酸盐水泥，掺量12%～20%，桩径500mm，长约14.5m。该地区的土层分布情况如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

2 试验方案

以该工程的水泥土搅拌桩为研究对象，为分析水泥土搅拌桩的承载力及加固效果，采用单桩静载试验分析水泥土搅拌桩的极限承载力，采用载荷试验分析水泥搅拌桩对地基的加固效果。当最大沉降大于40mm 或本级沉降大于上级沉降的5 倍时，即停止加荷，其试验方案如表2所示，桩位布置图如图1所示。

图1 桩位布置图

表2 试验方案

3 试验结果及分析

为分析水泥土搅拌桩的承载特性及变形规律，开展单桩静载试验，其荷载（Q）-沉降（s）曲线如图2 所示。由图可知，不同试桩间的荷载-沉降曲线变化趋势具有一致性，随着桩体所受荷载的增大，其沉降逐渐增大，当试桩所受荷载较小时，不同试桩的沉降量差异较小，随着试桩所受荷载的增大，不同试桩间的沉降量差异逐渐增大。其中，CP3 试桩的沉降量最大，其最大沉降量为34.81 mm，试桩CP2 的沉降量最小，其最大沉降量为12.7mm。当试桩所受荷载为336 kN 时，试桩的荷载-沉降曲线发生突变，此时加载结束，各试桩的最大沉降均小于35 mm，低于规范所规定的限值，说明该工程的水泥土搅拌桩强度符合设计要求。

图2 水泥土搅拌桩荷载-沉降曲线

各试桩及地基的抗压静载实验结果如表3 所示。由表可知，试桩CP3 与地基CPF8 的沉降量最大，其值分别为34.81mm、39.60mm，但其回弹率较低，桩的弹性工作特征不明显，分别为21.4%、22.3%；而试桩CP2 与试桩CP6的回弹率较高，其值分别为40.1%、44.1%。这是由于试桩CP2 与试桩CP6的桩端持力层为全风化花岗岩，其强度小于水泥土搅拌桩，在试桩加载过程中，其桩端的岩层发生沉降，随着试桩所受荷载的增大，桩端岩层的变形逐渐由弹性变形转变为塑性变形。

表3 抗压静载实验结果

为分析水泥土搅拌桩对地基的加固效果，开展载荷试验，其荷载（Q）-沉降（s）曲线如图3 所示。由图可知，随着地基体所受荷载的增大，其沉降逐渐增大，当其所受荷载为1340kN 时，停止加载，此时地基沉降有最大值，CPF7、CPF 的最大沉降值分别为39.6mm、36.1mm。以上地基的极限承载力均为360kPa，故其地基承载力特征值为180kPa，大于规范所规定的限值，说明采用水泥土搅拌桩对地基进行加固的强度符合设计要求。当地基所受荷载较小时，其沉降增大趋势较为平缓，且两地基间的差距差异较小，随着地基所受荷载的增大，其沉降增长趋势较为显著，且两地基间的沉降差值逐渐增大，说明当地基所受荷载大于1340 kN 时，其沉降仍会继续增长。为分析持续加载后，水泥土搅拌桩的极限强度，需对其极限承载进行预测。

图3 地基荷载-沉降曲线

为分析持续增大荷载后水泥土搅拌桩及其地基的承载力变化规律，需对其单桩承载力进行预测，分别选取试桩CP1、试桩CP4 及地基CPF7、地基CPF8进行分析。前人常采用双曲线模型对其承载力进行预测，为优化其预测准确性，本文采用荷载-沉降模型对双曲线模型进行优化，修正后双曲线公式如式（1）所示。

式中：α为试桩加载量系数，kN；β为试桩沉降衰减系数；a为试桩的调整系数。

根据变尺度优化法即可得出公式（1）中相关参数的最优解，采用该模型对水泥土搅拌桩的承载力进行预测，试桩CP1、试桩CP4 的沉降-荷载曲线如图4所示。由图可知，以上两种试桩的沉降与其所受荷载间呈正相关关系，随着水泥土搅拌桩所受荷载的增大，其发生的沉降逐渐增大，且当水泥土搅拌桩所受的荷载较小时，其沉降-荷载曲线变化趋势较为平缓，随着试桩所受荷载的增大，试桩发生的沉降增长趋势较为显著。不同试桩间的承载力具有一定的差异性，在同一荷载作用下，试桩CP4产生的位移较大，说明试桩CP1的稳定性较好，承载力较高。

图4 试桩CP1、试桩CP4的沉降-荷载曲线

地基CPF7、地基CPF8 的沉降-荷载曲线如图5 所示。由图可知，地基CPF7、地基CPF8 的曲线变化趋势具有一致性，其沉降与其所受的荷载呈正相关关系，在同一荷载下，当地基所受荷载小于1338 kN 时，地基CPF7 的沉降较大，当地基所受荷载大于1338 kN 时，地基CPF8 的沉降较大。当地基所受荷载较小时，其沉降增长较小，随着地基所受荷载的增大，其沉降-荷载曲线的增长趋势显著，其中，地基CPF8 的曲线增长趋势尤为明显，当地基所受荷载为1340 kN时，其沉降-荷载曲线呈陡降型，此时地基已接近破坏状态。

图5 地基CPF7、地基CPF8的沉降-荷载曲线

根据上述修正双曲线模型可对水泥土搅拌桩及其加固地基的承载力进行预测，该曲线的拟合结果如表4 所示。由表可知，不同试桩及地基的拟合方程具有一定的差异性，采用该模型对水泥土搅拌桩及其加固地基的承载力预测准确性较高，其相关系数均大于0.95。试桩CP1 的极限承载力较大，其值为443 kN，地基CPF8 的极限承载力较大，其值为1352 kN，对比前文的现场试验可得，该模型的预测结果与试验结果具有一致性，说明采用修正双曲线模型对水泥土搅拌桩的强度进行预测的可行性较高。

表4 拟合结果

为分析修正双曲线模型对实际工程的水泥土搅拌桩强度预测的准确性，将其预测结果与工程现场的桩体强度进行对比，水泥土搅拌桩加固地基的强度对比图如图6 所示。由图可知，该地基的沉降-荷载曲线与前文变化趋势一致，其工程现场的地基承载力与预测曲线间的差距较小，二者间的相关系数为0.99，根据该曲线计算地基极限承载力为316 kN，该工程的实际地基极限承载力为308 kN，二者间的差距较小，说明采用修正双曲线模型对地基承载力预测的准确性较高。

图6 地基强度对比图

水泥土搅拌桩的强度对比图如图7所示。由图可知，两种水泥土搅拌桩的强度具有一定的差异性，其中，在同一荷载作用下，变径水泥土搅拌桩的沉降较小，说明变径水泥土搅拌桩的强度较高。采用修正双曲线模型对水泥土搅拌桩预测的相关系数均大于0.95，说明该模型对水泥土搅拌桩的强度预测准确性较高，对比该模型对地基强度的预测误差可得，采用该模型对地基预测的相关系数较高，说明修正双曲线模型对地基强度预测的准确性较高，但该模型对水泥土搅拌桩的预测误差仍在允许范围内。

图7 水泥土搅拌桩的强度对比图

4 结论

随着桩体所受荷载的增大，其沉降逐渐增大，当试桩所受荷载较小时，不同试桩的沉降量差异较小，随着试桩所受荷载的增大，不同试桩间的沉降量差异逐渐增大。其中CP3 试桩的沉降量最大，最大沉降量为34.81mm。

当地基所受荷载较小时，其沉降增大趋势较为平缓，且两地基间的差距差异较小，随着地基所受荷载的增大，其沉降增长趋势较为显著，且两地基间的沉降差值逐渐增大，说明当地基所受荷载大于1340kN时，其沉降仍会继续增长。

采用修正双曲线模型对水泥土搅拌桩预测的相关系数均大于0.95，说明该模型对水泥土搅拌桩的强度预测准确性较高，采用该模型对地基预测的相关系数较高，说明修正双曲线模型对地基强度预测的准确性较高，但该模型对水泥土搅拌桩的预测误差仍在允许范围内。