水泥土搅拌桩复合地基的变形特性与承载力

─────── 基金项目：江苏省交通科学研究计划项目（03013） 收稿日期: 2004–08–16
第5期
徐 超，等. 水泥土搅拌桩复合地基的变形特性与承载力
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表 1 地基土的构成及各层地基土的物理力学性质简表
Table 1 Composition of shallow foundation soils and their indexes of physical and mechanical properties
从图 2(a)和(b)可以看出：桩长 8.0 m 的复合地基 桩土应力比远远小于桩长 16.5 m 的复合地基桩土应 力比，前者桩土应力比最大值为 3.93，而后者桩土应
3 路堤填土荷载下桩土变形和应力量 测的结果与分析
当填土高度达到 4.6 m（相当于荷载约为 90 kPa） 时，不同桩长处理的复合地基中桩和桩间土的沉降量 测结果见图 3。图 4 为两种工况下随着填土荷载的增 加桩土应力比随时间的变化曲线，同样，在计算应力 比时，桩上应力和桩间土上应力采用了 4 组土压力盒 量测结果的平均值。
1 试验段地基条件与研究方法
试验路段浅层地基为厚度约 16.0 m 的软弱粘性土 层，根据已有的地基处理经验，采用水泥土搅拌桩加 固处理是一种比较经济又能够满足建设工期要求的技 术方案。试验路段浅层地基的构成和地基土层的简要 物理力学性质见表 1。
2 多桩复合地基载荷试验与桩土应力 量测结果与分析
由于在相同的工况条件（同一桩长）下，载荷试
load
从图 4 中可以看出：两种工况下桩土应力比同样 存在明显的差别。当在填土高度达到 4.6 m，桩长 8.0 m 的复合地基中，桩土应力比最大值为 3.82，而在桩 长 16.5 m 的复合地基中，桩土应力比最大值为 10.67。 这种差异与载荷试验时量测的应力比的大小相似；不 过在路堤填土荷载作用下，前者桩土应力比随着时间 仍有增加的趋势，后者桩土应力达到最大值后已开始
试 桩 桩 长 最 大 加 总 沉 降 回 弹 承载力特
编号 /m S1 8.0 S2 16.5
载量/kPa 260 260
量/mm 171.30 59.51
量/mm 23.65 13.16
征值/kPa ≥130 ≥130
多桩载荷试验未进行到复合地基破坏，最大荷载
能够提供的承载力已经达到极限，并开始向下刺入， 桩上的荷载向桩底地基土转移。而在桩长 16.5 m 的复 合地基中，直到加荷至 260 kPa，桩土应力比始终随着 荷载增加和时间的延续而增大，即随着荷载的增加， 桩上的应力集中现象越来越突出。
利用载荷试验研究复合地基承载力及其影响因素 的文献[2~8]和成果很多，但对于荷载特性和端承条件等 对复合地基承载力影响的研究不多。
吴慧明等[9]曾通过室内试验证明刚性基础与柔性 基础下复合地基中桩土荷载比和桩土应力比的差异， 并探讨了复合地基的不同破坏模式。李海芳等[10]通过 现场观测，研究了桥头刚性承台下和路堤荷载下水泥 搅拌桩复合地基的桩土应力比的差异和变化规律，并 将在试验段中的研究成果用于其他类似地质条件下的 高速公路复合地基的设计计算中；也介绍了低强度桩 （素混凝土桩）复合地基的载荷试验和路堤荷载下沉 降观测的结果，表明在两种工况下桩土应力比和桩土 沉降的差异，认为路堤填土存在拱效应。
图 1 多桩载荷试验的荷载（p）—沉降（s）曲线 Fig. 1 Load—settlement curves for load tests of multi-pile
composite foundation
图 2 为上述两组多桩载荷试验过程中实测的桩土 应力比随时间和荷载的变化曲线，本文在计算应力比 时，桩上应力和桩间土上应力都采用了 3 只土压力盒 量测结果的平均值。
为复合地基设计承载力（130 kPa）的 2 倍，即 260 kPa。
从图 1 可以看出，两组载荷试验的荷载－沉降曲 线均属于缓变型，加载到 260 kPa 时两组复合地基载 荷试验都没有达到破坏状态。如果按极限荷载确定复
合地基的承载力，复合地基的承载力特征值应不小于
130 kPa。如果按相对变形值确定，取 s/d＝0.06，8 m 短桩复合地基的极限承载力为 250 kPa，承载力特征值
表 2 多桩复合地基载荷试验结果汇总表
力比最大值达到 11.43。另外，在桩长 8.0 m 的复合地 基中，随着荷载的增加和时间的延续，桩土应力比在 达到某一比值后开始上下波动，继而衰减。这表明桩
Table 2 Load test results of multi-pile composite foundation
层序
土性
土层厚度/m
含水率/%
重度/ （kN·m-3）
孔隙比
内摩擦角/ （º）
粘聚力/kPa
压缩系数 /MPa-1
压缩模量 /MPa
①
粉质粘土
1.0~2.5
38.6
18.4
1.07
14.0
16
0.82
2.78
②
淤泥质粉质粘土
3.4~5.8
43.8
18.0
1.18
13.6
12
1.04
2.18
③
砂质粉土、粘土互层
徐 超 1，2，叶观宝 1，2
（1.同济大学 岩土工程重点实验室，上海 200092；2.同济大学 土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092）
关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；承载力；荷载特性；端承条件
中图分类号：TU 473
文献标识号：A
文章编号：1000–4548(2005)05–0600–04
在各桩的龄期均超过 28 d，对上述两种桩长的水 泥土搅拌桩复合地基各进行两组多桩复合地基载荷试 验。本次试验中使用的承压板的直径为 2.73 m，在放 置承压板之前，在桩顶和桩间土上各布置 3 只土压力 计。载荷试验参照地基处理技术规范中的复合地基载 荷试验要点[1]进行，反力由堆载（砂包）提供。在试 验过程中进行沉降观测和桩土应力量测。
为 125 kPa。 从图 1 还是可以看出两组载荷试验的主要差别：
加荷至 76 kPa 后，两组载荷试验的荷载－沉降开始出
现分离，桩长 8.0 m 的复合地基载荷试验 S1 的沉降量 比桩长 16.5 m 的大得多。
图 2 桩土应力比随时间的变化曲线
Fig. 2 The variation of pile-soil stress ratio
本文根据在淮安至盐城高速公路试验段进行的多 桩复合地基载荷试验结果和填土过程中路堤荷载下桩 顶与桩间土的沉降和土压力观测结果，研究水泥搅拌 桩复合地基的桩土应力分配和复合地基的变形特性， 对不同条件下复合地基承载力评价提出了建议。
软土地基采用直径 0.5 m、桩长 8.0 m（桩间距 1.6 m，梅花形布置）和桩长 16.5 m（桩间距 1.2 m，梅花 形布置）两种桩长的水泥土搅拌桩进行加固处理，其 桩端地基土层分别为第③层和第⑤层。其中在桩长为 8.0 m 的段落，在四根搅拌桩的形心插一根塑料排水 板，板长 16.5 m。搅拌桩水泥掺量为 15%，水灰比控 制在 0.45~0.5，桩身设计无侧限抗压 28 d 强度为 0.8 MPa。
作者简介：徐 超(1965– )，男，1988 年毕业于同济大学，1997 年获得博士学位，1999~2001 年在美国华盛顿州立大学做博士后
研究工作，副教授。主要从事岩土加固、原位测试技术和环境岩土工程方面的教学和科研工作。
0引 言
我国地基处理技术规范[1]和有关的教科书虽然都 明确给出了复合地基承载力的设计计算方法和测试评 价方法，但是由于复合地基中桩的类型和特性不同， 复合地基承载力又受到褥垫层、桩土应力比、桩的刚 度等因素的影响，该问题目前仍是国内学术界研究的 热点之一。
衰减。需要指出的是，图 4 与图 2 所显示的应力比结 果是在不同荷载等级量测的，持续时间的差别则更大。
不妨这样来解释半柔性荷载下桩土应力比与刚性 荷载下相似的现象。尽管填土荷载不足载荷试验的最 大加载量（260 kPa）的一半，但是半柔性荷载有利于 桩间土承载力的发挥，即在相同荷载等级下，半柔性 荷载条件下地基土承担更多的荷载，先于桩发生沉降 变形。由于分层填土间歇期的存在，为地基土上荷载 向桩上转移提供了时间，碾压后填土的半柔性特征使 荷载转移成为可能。另一方面，桩土应力比的大小主 要应取决于桩的变形特性，端承条件差的桩易于向下 刺入，桩土应力比较小；而端承条件较好的桩支撑于 非软土层，一般难以向下刺入，则桩的沉降小，桩土 应力比较高。同时，由于桩身存在极限强度，桩土应 力比也存在上限。
另一方面，大部分载荷试验并不需要持续到复合 地基破坏，其荷载－沉降曲线表现出缓变特征，对于 半柔性荷载下的复合地基，在根据相对变形值确定复 合地基承载力时，如果参考规范[1]单桩复合地基载荷 试验，取 0.006，该值对于路堤荷载下的复合地基也偏 小，可以确定一个相对变形的范围，而不应该是一个 固定的值。在本文研究中，建议作为高速公路的复合 地基，特别是搅拌桩未打穿软土层的复合地基，若按 相对变形值评定承载力，其范围可以是 0.008～0.012。
0.5~5.1
42.0
18.5
1.11
14.8
13
0.73
3.45
④
淤泥质粉质粘土
5.8~7.3
46.3
17.8
1.26
1ห้องสมุดไป่ตู้.9
13
0.88
2.63
⑤
砂质粉土、粉细砂
大于 5.9
29.4
19.6
0.78
27.0
5
0.16
11.50
验结果相似，表 2 只给出了每种工况下一组多桩复合 地基载荷试验结果。图 1 是载荷试验荷载—沉降曲线。
基于上述载荷试验结果和路堤填筑期的现场量测 结果与分析，可以发现：在半柔性和刚性荷载条件下 桩土应力比和沉降发展的变化规律存在较大差异，端 承条件会影响水泥土搅拌桩复合地基中桩土应力分担 和变形特性。如最大应力比差别很大，以及存在桩土 沉降协调（刚性荷载下）或不协调（半柔性荷载下） 的现象。