鋼筋砼加芯水泥土復合樁承載力淺論

【摘要】本文通過對水泥土攪拌樁和鋼筋砼加芯水泥土復合樁在軸向載荷和樁側極限摩阻力、樁端極限端承力的極限載荷分配理論分析基礎上，得出經改進后的鋼筋砼加芯水泥土復合樁比水泥土攪拌樁具有質量可靠，承載力高的結論，并舉實際例子，通過t檢驗分析兩場地差異顯著性后進行對比分析，證實理論分析的可靠度。

【關鍵詞】水泥土攪拌樁；鋼筋砼加芯水泥土復合樁；軸向載荷分配；極限載荷分析；差異顯著性檢驗；實例對比分析 

The reinforcing bar Mao adds the Xin cement soil compound a stake a theory with shallow loading dint

Zhang Yong-qiang

(School of Civil Engineering and Architecture， Central South UniversityChangshaHunan410075)

【Abstract】The article pass to the cement soil agitation stake and the reinforcing bar Mao add the Xin cement soil compound a stake at the stalk to carry lotus and stake side extreme limit Mo resistance， stake carry extreme limit to carry to accept dint of the extreme limit carry a lotus allotment theories analysis foundation up， get after improvement of the reinforcing bar Mao add the Xin cement soil compound a stake to have quality credibility than the cement soil agitation stake， loading the dint high conclusion， and raise actual example， analyze two place differences to show Zhao juniors to go contrast analysis through a t examination， confirm the theories analytical credibility. 

【Key words】Cement soil agitation stake; The reinforcing bar adds a cement soil compound stake; Stalk to carry a lotus allotment; The extreme limit carries lotus analysis; The difference shows a examination; Solid example to score



1. 前言

水泥攪拌樁自二戰結束后在美國研究成功后，逐步在世界各國推廣開來，有的國家又進行了再研發改造，形成了多系列的施工工法。因其較鉆孔灌注樁、預制樁和人工挖孔樁等樁的施工難度與成本具有較大優勢而得到廣泛使用。

水泥土攪拌樁既可有效提高地基強度（水泥摻量為8%和10%時，加固體強度分別為0.24MPa和0.65MPa，而天然軟土地基強度僅0.006MPa，約為天然軟土地基強度的40～60倍）又具有施工工期短、造價低廉等優點。水泥土攪拌樁存在的不足之處是單樁承載力相對低，影響成樁質量的主要因素達七個之多，有的無法人為控制，因而，施工質量較難控制。隨著在軟土地基中多層、小高層建（構）筑物的增多，廉價的水泥土攪拌樁有待改進、完善。而經改進后的鋼筋砼加芯水泥土復合樁（專利號ZL972 42911.5，專利權人：鄒宗煊）具有質量可靠，單樁承載力高，造價相對較低，對環境無污染等優點而成為軟土地基中多層、小高層建筑物較為合適的樁形［1］。

2. 水泥土攪拌樁的分類

水泥土攪拌樁從成樁后樁體剛度分屬于半剛性樁，水泥摻入量常用比例為7%、10%、12%、14%、15%、18%、20%七類，常用摻入比為15%～20%。當水泥摻入量較小時（7%≤aw<15%），樁體特性類似柔性樁，樁體破壞的形式主要為塑性破壞，而當水泥摻入量較大時（15%≤aw<20%），樁體破壞形式主要發生脆性破壞［1］。

3. 鋼筋砼加芯水泥土復合樁工作原理

該類復合樁綜合了攪拌樁和預制樁的優點，由鋼筋砼加芯樁來承載大部分豎向荷載，再由攪拌樁利用樁身水泥土與鋼筋砼加芯樁的握裹力將上部荷載傳遞給水泥土樁，從而達到提高單樁承載力的目的。

鋼筋砼加芯樁將上部荷載傳遞面積由原攪拌樁橫斷面擴大到整個加芯樁側表面和樁端面之和，降低了樁頂水泥土端面的單位壓力，從而提高了水泥土攪拌樁的承載力。由于水泥土的變形摸量是土的數十至百倍，故樁所受的軸向力能通過加芯樁側壁面的水泥土迅速傳遞給樁周土。復合樁水泥土對加芯樁的握裹力的大小未見有資料報道，目前僅采用室內模型試驗確定。

4. 軸向載荷分配分析［2］

4.1水泥攪拌樁與樁間土軸向載荷分配。

復合地基承載力由水泥攪拌樁與樁間土協調變形（即：εp=εs）共同承擔，從以下分析可知，水泥攪拌樁分擔了大部分荷載。

因為ε=σEσ=PA得出ε=PEA

又因εp=εs，即PpEpAp=PsEsAs

所以Pp=PsEpApEsAs=mEsAsEsPs(1) 

式中：εp、εs——分別為樁的應變、樁間土的應變； 

Pp、Ps——分別為水泥土樁承擔的載荷、樁間土承擔的載荷；

m——置換率，m=ApAs，一般取值為16%～20%；

Ac、As——分別為樁面積、加固土體面積；

Ep、 Es——分別為樁壓縮模量、土壓縮模量）。

4.2鋼筋砼加芯樁與水泥攪拌樁的軸向載荷分配。

同理，在水泥攪拌樁內加入鋼筋砼芯后，攪拌樁上分配的載荷將由芯樁和攪拌樁共同協調變形（即： εp=εc）共同分擔，此時，Pp=Pp1+Pc(2)

而Pp1=σp1Ap1 Pc=σcAcε=σε

側σp1=PpAp1+EcAcEp1

即Pp1=σp1Ap1=Pp1+EcEp1×AcAp1=Ep1Ap1Ep1Ap1+EcAcPp（3） 

同理得：Pc=σcAc=Pp1+Ep1Ec×Ap1Ac=EcAcEp1Ap1+EcAcPp（4）

聯解（3）、（4）式得 

PcPp1=EcAcEp1Ap=m1EcEp1即Pc=mEcEp1(5)

式中：εp、εc——分別為水泥土樁的應變、砼加芯樁的應變；

Pp、Pp1、Pc——分別為復合樁承擔的載荷、水泥土樁承擔的載荷、砼加芯樁承擔的載荷

m1——置換率，一般取值為16%～20%；

Ep1、Ec——分別為復合樁中水泥土樁壓縮模量、砼加芯樁彈性模量；

Ap1、Ac——分別為復合樁中水泥土樁面積、砼加芯樁面積；

σp1、σc——分別為復合樁中水泥土樁承受應力、砼加芯樁承受應力；

查有關資料可知，水泥攪拌樁的壓縮模量一般為（0.60～1）×102MPa，而C25砼樁的彈性模量為2.80×104MPa，C30砼樁的彈性模量為3.000×104MPa，從（5）式可看出，常用砼預制樁的砼彈性模量是水泥攪拌樁的壓縮模量值的2～3個數量極，這是水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后承載力大幅上升的主要原因之一。

5. 樁側極限摩阻力及樁端極限端承力分析［3］

5.1理論分析法

5.1.1樁側極限摩阻力。

在極限載荷下，樁身樁側極限摩阻力的分布采用下面公式進行計算，

即Σfij(z)=Σji=1D4hjEji(εij-εi，j+1) (6)

其中:D——樁徑平均值(mm)； 

hj--樁身第j段的長度(mm)；

Eji——第j段樁身的壓縮模量(對單樁為水泥攪拌樁壓縮模量，對單樁復合地基為復合樁中水泥土樁壓縮模量，對砼加芯樁單樁復合地基為砼加芯樁的彈性模量)； 

εij、εi，j+1——分別為第j段樁的樁身應變、第j+1段樁的樁身應變（應變取值與Eji類似）。

5.1.2樁端極限端承力。

樁端極限端承力，有原位測試資料時，依據比貫入阻力按相關公式進行計算；當按土的物理指標進行確定時，可根據成樁方法與施工工藝查相關資料選取極限端阻力標準值后按相關公式進行計算。

5.2S～LogP曲線法。

該方法的基本前提是:達到極限荷載時，樁側摩阻力已充分發揮，極限荷載后樁側摩阻力不再變化而成為常數。作圖方法時將S～LogP曲線陡降直線段向上延伸與橫坐標相交，交點左段為總極限摩阻力，交點至極限荷載的距離即為極限端阻力，具體分析如圖1。

圖1S～LogP曲線圖

6. 工程實例

6.1工程實例1。

某公司建生產基地，基礎占地面積約3500m2，是一個包括2～3層包裝車間、加工車間和辦公室等建筑的綜合性建筑群。

6.1.1工程地質條件。

擬建場地屬滇池湖積盆地軟土，工程區內所揭露地層為湖泊堆積物，以細粒粘性土為主，廣泛分布厚層淤泥質粘土，主要地層特性如下：

①雜填土：松散或可～軟塑狀，厚0.8～2.4米，平均厚1.5米(施工區域已清除)。

②粘土：可～軟塑，中～高壓縮性，厚3.9～8.8米，平均厚4.1米。 

②-1粉質粘土：軟～流塑，高壓縮性，厚1.2～3.1米，平均厚1.8米，呈透鏡體狀分布。

③粉質粘土：可～軟塑，中～高壓縮性，厚2.7～4.6米，平均厚3.9米。

④淤泥質粘土：流塑，高孔隙比、高含水率、高壓縮性，局部含有機質分布不均，平均31.37%，層厚1.1～2.0米，平均厚1.7米。

④-1粉土：密實～中密，厚1.1～2.3米，平均厚1.3米，呈透鏡體狀分布。

⑤粉質粘土：可～軟塑，中壓縮性，厚3.1～4.8米，平均厚3.7米。

⑥粘土：可塑，中壓縮性，局部夾粉質粘土，厚3.4～7.3米，平均厚6.0米。

6.2.2地基處理設計。

經分析采用鋼筋砼加芯水泥土復合樁進行地基處理。

（1）深攪樁樁徑Φ500mm，樁長16～17m，樁長據地質報告，樁端穿過④層淤泥質粘土進入⑤層。設計深攪樁單樁承載力120KN，復合地基承載力為180KPa；

（2）深攪樁上部樁長11m內壓入200×200mm C30鋼筋混凝土預制方樁。

（3）深攪固化劑采用P.S 32.5級水泥，水泥摻入量70Kg/m計量，水灰比0.5；

（4）根據復合地基承載力的要求，設計深攪樁置換率為18%，1#棟設計296棵，2#棟設計473棵，3#棟設計472棵。

6.2.3載荷試驗。

施工結束，分別對各棟的地基處理效果進行檢測，復合地基和單樁荷載～沉降量(P～S曲線、S～LogP曲線)試驗成果如圖3及表4：

各棟單樁復合地基載荷試驗和單樁載荷試驗如表2：

圖3 單樁復合地基和單樁載荷試驗圖

經水泥土復合樁進行地基處理后，試驗結果表明，各棟抽檢的單樁及單樁復合地基極限承載力值均達到設計值要求。

6.3場地差異顯著性檢驗［4］。

在進行水泥土攪拌樁和鋼筋砼加芯水泥土復合樁處理地基效果對比之前，先對工程實例兩塊場地的地基土物理特性進行差異顯著性判別。根據概率與數理統計有關知識，均對各土層相關物理力學性能指標及其平均值在正態概率紙上投點連線，各點離直線偏差都不大，判定其數據分布規律呈正態分布，選用t檢驗法進行兩塊場地的地基土差異顯著性判別。

學生氏t分布函數表達式為：P{∣t∣＞tp}=2∫+∞pSv(x)dx

tp值計算式為：tp=n1n2n1+n2(n1+n2-2)×x1-x1n1S21+n2S22

t檢驗的計算結果如表5：

經計算，求出各項目指標的tp值，查“t分布函數對應于v和p的tp數值表”，得到各項目指標的t值如上表。可見x1與 x2之差出于抽樣誤差（土質不均、試驗誤差）的機會并不很大。這兩塊場地土各項目指標的差異性不太顯著，有可能來自于相同成因的土層單元，可比性比較強，可進行相關項的比較。

6.4對比分析

6.4.1地層及特征值對比。

場地1和場地2其成因同屬古滇池湖積盆地軟土，工程區內所揭露地層為湖泊堆積物，地基土物理特性差異性不太顯著，有可能來自于相同成因的土層單元，天然地基土均不能滿足設計所需的強度和變形要求，地基均進行了處理，處理樁直徑均為Φ500mm，深攪樁單樁承載力設計值120KN～130KN，復合地基承載力設計值140KPa～180KPa。

進行地基處理后經檢測，各棟抽檢的單樁及單樁復合地基極限承載力值均達到設計值要求，對比結果如下：

單樁承載力設計比值為1:1.08，實際比值（132.9KN～186.3KN）：144，即（0.92～1.29）：1；復合地基承載力設計比值為1：1.29， 實際比值（152.7KPa～203.7KPa）：144，即（0.71～0.94）：1；安全系數比值為1:1.33。綜上對比所述，鋼筋砼加芯水泥土復合樁處理地基效果比水泥土攪拌樁處理地基效果明顯，單樁和單樁復合地基承載力均得到提高，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，芯樁分擔了大部分載荷。

6.4.2等同載荷下的沉降量對比。

靜載荷試驗顯示，場地1單樁極限載荷值為199.4KN～279.5KN，沉降值為15.35mm～35.64mm；單樁復合樁極限載荷值為229.0KPa～305.6KPa，沉降值為19.11mm～31.33mm。場地2單樁極限載荷值為288.0KN，沉降值為24.69mm～39.30mm；單樁復合樁極限載荷值為432.0KPa，沉降值為25.90mm～32.50mm。場地1與場地2相比，與場地1等值的極限載荷壓力下，場地2單樁沉降值僅為13.66mm～22.22mm，其比值為1:(0.89～0.62)，單樁復合樁沉降值僅為7.41mm～10.62mm，其比值為1:(0.39～0.34)。綜上對比所述，在等同載荷下，鋼筋砼加芯水泥土復合樁沉降量明顯比水泥土攪拌樁的沉降量小得多，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復合地基土的綜合彈性模量得到大大改觀，沉降得到明顯的控制。

6.4.3樁側極限摩阻力及樁端極限端承力對比

從靜載荷試驗S～LogP曲線可分析得知:

(1)場地1單樁極限摩阻力值為178.2KPa～261.4KPa，占極限載荷值的89.4%～95.5%，樁端極限端阻力值為9.0KPa～21.2KPa，占極限載荷值的4.5%～10.6%；單樁復合樁極限摩阻力值為209.7KPa～216.4KPa，占極限載荷值的91.6%～95.7%，樁端極限端阻力值為12.6KPa～19.3KPa，占極限載荷值的4.3%～8.4%。

(2)場地2單樁極限摩阻力值為259.9KPa～263.3KPa，占極限載荷值的90.2%～91.4%，樁端極限端阻力值為24.7KPa～27.7KPa，占極限載荷值的8.6%～9.6%；單樁復合樁極限摩阻力值為392.7KPa～401.0KPa，占極限載荷值的90.9%～92.8%，樁端極限端阻力值為31.0KPa～39.3KPa，占極限載荷值的7.2%～9.1%。

當載荷值增加時，摩阻力由滑動摩擦逐漸轉變為靜摩擦，摩阻力增量越來越小而趨于穩定，達到樁側極限荷載時，樁側摩阻力已充分發揮而近似成為常數，端阻力開始發展，樁端土體受壓產生壓縮變形，達到樁端極限荷載時，樁身沉降量突然加大，樁頂沉降加速，滿足規范要求而終止靜載荷試驗。

場地2與場地1相比，其單樁極限摩阻力比值為1:(0.69～0.99)，單樁極限端阻力比值為1:(0.36～0.77)；單樁復合樁極限摩阻力比值為1:(0.53～0.54)，單樁復合樁極限端阻力比值為1:(0.41～0.49)。綜上對比所述，鋼筋砼加芯水泥土復合樁單樁極限摩阻力和單樁極限端阻力明顯比水泥土攪拌樁的相關阻力值大得多，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復合地基土的綜合彈性模量和綜合樁身應變得到顯著性的改善，側摩阻和端阻都大大提高。

7. 結束語

（1）水泥土攪拌樁存在的不足之處是單樁承載力相對低，影響成樁質量的主要因素較多，有的無法人為控制，施工質量較難控制，而鋼筋砼加芯樁由于莖芯的存在，克服了水泥土攪拌樁質量不穩定，承載力相對較低的的弱點。

（2）鋼筋砼加芯樁將上部荷載傳遞面積由原攪拌樁橫斷面擴大到整個加芯樁側表面和樁端面之和，降低了樁頂水泥土端面的單位壓力，從而提高了水泥土攪拌樁的承載力。

（3）在水泥攪拌樁內加入鋼筋砼芯后，攪拌樁上分配的載荷將由芯樁和攪拌樁共同協調變形，共同分擔，而鋼筋砼加芯樁承載大部分荷載。

（4）常用砼預制樁的砼彈性模量是水泥攪拌樁的壓縮模量值的2～3個數量極，這是水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后承載力大幅上升的主要原因之一。

（5）在等同載荷下，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復合地基土的綜合彈性模量得到大大改觀，沉降得到明顯的控制。

（6）水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復合地基土的綜合彈性模量和綜合樁身應變得到顯著性的改善，側摩阻和端阻都大大提高。

參考文獻 

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［5］《工程地質》編寫委員會編著.工程地質手冊.第二版.北京： 中國建筑工業出版社.1992. P279～ P283

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［文章編號］1619-2737（2011）05-12-080

［作者簡介］張永強 (1968.8- )，男，講師。