夯实水泥土桩复合地基承载力性状试验研究

郭忠贤等. 夯实水泥土桩复合地基承载力性状试验研究
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显拐点的缓变型，按变形比的方法确定其承载力，并 得出显著提高承载力的桩长约为 12d(d 为桩身直 径)。郑 刚等[4]对软土中超长搅拌水泥土桩复合地 基的试验表明，其载荷试验 p-s 曲线表现为有明显 陡降段的陡降型，不宜按变形比确定承载力，垫层 的存在对复合地基的破坏模式、承载力及其变形几 乎没有影响。张忠坤等[5]通过数值分析认为，复合 地基的临界桩长应视载荷的分布、桩土模量比等的 大小而定，不能笼统地讲定值的复合地基临界桩 长。显然复合地基的承载力性状及临界桩长受多种 因素的影响。目前河北地区夯实水泥土桩的应用主 要是针对非饱和黏土及粉土，其土质相对较好，不属 于传统意义上的软土，由于不满足建筑物对地基的 要求，因此采用夯实水泥土桩复合地基进行处理。 该类水泥土桩复合地基的承载力性状是否类似于软 土中的搅拌水泥土桩复合地基，还有待于进一步研 究。本文通过一系列不同桩长、不同桩体材料配比 的单桩，不同桩长单桩、四桩复合地基及不同面积 置换率九桩复合地基，探讨夯实水泥土桩复合地基 的承载力性状。
s/mm
6
P3 桩
P4 桩
9
P5 桩
12 (b)
应变ε /10－6
0
2 000 4 000 6 000 8 000 10 000
0
深度/m
1
荷载/kN
28
35
2
42
49
3
56 63
(c)
图 1 单桩 Q-s 曲线及应变分布
Fig.1 Q-s curves of single pile and strain distribution
2 试验概况
2.1 试验场地及土质情况 试验地点位于河北省建筑研究院内，该场地原
为池塘，现将池塘内水抽干，经整平作为试验场地。 试验场地平坦，坑底低于自然地面约 2 m。钻探揭 示 12 m 深度范围内的地层为第四纪冲洪积层，其中 上部 4.5 m 范围内为①粉质黏土及②粉土，其下为 ③中细砂(土层的物理力学性质指标见表 1)。试验 在①，②两层土中进行，桩端位于②层内。 2.2 试验内容
3 试验结果及分析
3.1 夯实水泥土桩单桩承载力性状及破坏模式 图 1 为单桩静载试验 Q-s 曲线及 P3 桩身应变沿
深度变化曲线(其余各桩应变分布略)。由图可知， P1～P5 桩分别加荷至 63，56，56，49，84 kN 时各 桩的 Q-s 曲线均发生了陡降，陡降点对应的桩顶沉 降分别为 4.23，1.92，3.02，3.38，3.32 mm。图 1(c) 给出 P3 桩实测应变沿桩身的分布，由图中可看出， 当载荷超过 56 kN 时桩身上部应变急剧增大，可判 断桩的破坏表现为浅层桩体材料受压破坏，试验后 开挖桩头可观察到明显的酥裂现象，其余各桩的情 况与 P3 桩类似。分析各桩实测应变可知，破坏前桩 顶沉降以桩身压缩为主，且主要为桩身上部的压缩 变形造成的，破坏时实测桩顶的沉降量较小。在本 试验的地基条件下，桩长的增加并不能提高桩的承 载力(见图 1(a))，而提高桩身材料配比能显著提高桩 的承载力(见图 1(b))。其原因主要为一般非饱和
1引言
夯实水泥土桩复合地基是一种新型的地基处理 技术，由于施工速度快、无环境污染、造价低廉、 质量易于控制等特点，使该技术在河北、北京等地 区多层及小高层房屋建设中得到广泛应用，处理面 积达 500×104 m2，产生可观的社会和经济效益[1]。
夯实水泥土桩克服了水泥搅拌桩桩体强度不均匀性 和桩身强度过分依赖水泥胶结作用的缺陷，其桩体 均匀程度和密实度远高于相同水泥掺入量的搅拌水 泥土桩，桩体强度为搅拌水泥土桩的 2～10 倍，适 合于水位以上的黏性土、粉土、杂填土等地基土[2]。 马海龙和陈云敏[3]通过现场原位试验讨论了软土中 搅拌水泥土桩复合地基的承载力性状，软土中搅拌 水泥土桩复合地基的载荷试验 p-s 曲线表现为无明
表 1 土层物理力学性质指标 Table 1 Physico-mechanical indexes of soil layers
土层
厚度 重度 含水量 饱和度 孔隙比 液性指 塑性指
/m /(kN·m－3) w/% Sr/%
e
数 IL
数 Ip
①粉质黏土 2.0
18.6
23.3 79 0.804 0.65 10.2
试验内容包括：(1) 单桩 5 根，分为 2 组：一 组为水泥掺入比一定(aw = 17%)，桩长 l = 1.2，2.1， 3.0 m；另一组为桩长一定(l = 3.0 m)，水泥掺入比
aw = 12%，17%，25%。(2) 单桩及四桩复合地基各 3 点，面积置换率 m = 10.01%，桩长 l = 1.2，2.1， 3.0 m。(3) 九桩复合地基 3 点，桩长 l = 3.0 m，面 积置换率 m = 6.06%，10.01%，13.6%。(4) 天然地 基 3 点，其承压板尺寸分别对应单桩、四桩和九桩 复合地基的承压板尺寸。试验点设计参数见表 2。
收稿日期：2005–02–22；修回日期：2005–06–24 作者简介：郭忠贤(1964–)，男，博士，1991 年于西安建筑科技大学结构工程专业获硕士学位，现任副教授，主要从事土力学及基础工程方面 的教学与研究工作。E-mail：guozhongxian118@
第 25 卷 第 7 期
黏土及粉土地基能对桩提供足够的支承，桩的破坏 往往为桩体材料的强度破坏而使 Q-s 曲线发生陡 降，而非软土地基中桩的刺入陡降破坏[3]，而是出 现软土中超长桩身材料破坏模式[4]。 3.2 复合地基承载力与破坏模式
S3
1.26×1.26
P1
1.2
P2
2.1
P3
单桩
3.0
P4
3.0
P5
3.0
C1P12Z1
0.42×0.42
1.2
C1P21Z1
单桩复合地基
0.42×0.42
2.1
C1P30Z1
0.42×0.42
3.0
C4P12Z1
0.84×0.84
1.2
C4P21Z1
四桩复合地基
0.84×0.84
2.1
C4P30Z1
Байду номын сангаас
0.84×0.84
3.0
C9P30Z1
1.26×1.26
3.0
C9P30Z2
九桩复合地基
1.08×1.08
3.0
C9P30Z3
1.62×1.62
3.0
注：实际工程中通常采用水泥土体积比，这里将其换算成水泥重力掺入比。
体积配比
1∶6 1∶6 1∶6 1∶8 1∶4 1∶6 1∶6 1∶6 1∶6 1∶6 1∶6 1∶6 1∶6 1∶6
160
③中细砂 2.0
16.0 40
1 200 160
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岩石力学与工程学报
2006 年
表 2 试验点设计参数 Table 2 Design parameters of field loading test
试验点编号
试验类型
承压板尺寸/(m×m)
桩长/m
S1
0.42×0.42
S2
天然地基
0.84×0.84
水泥采用 425 号普通硅酸盐水泥，拌合土料采 用现场成孔取出的粉质黏土与粉土，桩径 0.15 m， 桩长分别为 1.2，2.1，3.0 m(对应桩长径比 8，14， 20)。试验采用刚性方形混凝土承压板，承压板与桩 及地基土之间铺设厚 100 mm 的中粗砂垫层。夯实 水泥土桩采用洛阳铲成孔，人工夯锤夯实，夯锤重 35 kg。通过现场试验确定夯击能与轻便触探击数的 关系，确定夯击次数，夯实密度与实际要求相同。试 验中部分桩身设置了特制应变计，以测定桩身应变， 进而推算桩身轴力，具体做法见杨志红等[6]的研究。
GUO Zhongxian1，2，WANG Zhanlei3，YANG Zhihong3 (1. Department of Civil Engineering，Shijiazhuang Railway Institute，Shijiazhuang，Hebei 050043，China；
2. College of Architectural and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China； 3. Institute of Architectural Science of Hebei，Shijiazhuang，Hebei 050021，China)
水泥掺入比/%
面积置换率 m/%
17
17
17
12
25
17
10.01
17
10.01
17
10.01
17
10.01
17
10.01
17
10.01
17
10.01
17
13.60
17
6.06
Q / kN
0
20
40
60
80
0
s/mm
3
6
P1 桩
P2 桩
9
P3 桩
12 (a) Q / kN
0
20
40
60
80
100
0
3
压缩模量 Es1–2/MPa
5.5
内摩擦 角ϕ/(°)
桩极限侧 桩极限 地基承载 黏聚力 标贯
阻标准值 端阻标 力特征值 c/kPa 击数 N /kPa 准值/kPa /kPa
18.0 38.0 3.5 34
120
②粉土
2.5
19.2
14.8 65 0.619 0.25
7.3