夯實水泥土楔形樁復合地基工作性狀試驗研究

何杰 ，張可能，劉杰，吳有平，李冰

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲，412007)

楔形樁是一種既節省材料、施工簡單，又能提高樁單位承載力的優良樁型。它巧妙地利用了樁的楔形側壁，充分發揮了樁與土體間的相互作用。國內外學者對楔形樁開展了一系列研究，如：Nordlund[1]對無黏性土中的楔形樁承載特性進行了研究，發現圓柱形樁的豎向承載力要比平均直徑相等的楔形樁承載力低很多；Zil′berberg等[2]對位于砂土中的圓柱形樁和平均直徑相同的楔形樁進行了現場對比試驗，發現楔形樁的承載力是圓柱形樁承載力的2.0～2.5倍；Ei等[3-6]對楔形樁進行了模型試驗研究；Ladanyi等[7]對位于永久性凍土中的楔形樁和圓柱形樁的承載特性進行了對比試驗研究，認為楔形樁是最安全的，且楔形樁的承載力隨樁的沉降增大而增大；蔣建平等[8]對楔形樁與圓柱形樁的承載特性進行了對比試驗研究，發現楔形樁與同體積等直徑樁相比，承載力增加而沉降減少；秦美前[9]用碎石樁與楔形樁組合形成的復合地基來加固軟土路基，取得了較好的效果。夯實水泥土樁復合地基作為軟土處理的一種手段，被廣泛應用于實際工程中。近年來，一些研究者對夯實水泥土圓柱形樁復合地基進行了系統研究[10-15]，如分析了夯實水泥土樁復合地基的樁土應力比、樁體應力集中系數、樁間土應力減小系數的變化規律，并給出承載力特征值時以上三者的取值范圍及其影響因素[10-11]；研究了復合地基破壞模式，探討了樁長、面積置換率對復合地基承載力的影響[12]；分析了夯實水泥土樁荷載傳遞規律及側摩阻力的分布特征，探討了樁體、墊層、地基土的相互作用特性[13]；對地基土反力分布特征、樁土荷載分擔比、樁土應力比、單樁及復合地基中樁側摩阻力分布特征等進行了研究[14]；分析了墊層剛度對復合地基中樁頂及樁間土表面應力發揮進程的影響[15]。劉杰等[16]提出采用夯實水泥土楔形樁復合地基加固軟土地基，并以剪切位移法為基礎，通過引入 Mylonakis &Gazetas樁-土相互作用及Winkler地基模型，同時考慮墊層的影響，提出一種綜合考慮樁-土-墊層共同作用的復合地基分析方法，得到了夯實水泥土楔形樁復合地基中樁的合理楔角范圍。盡管前人在楔形樁及夯實水泥土復合地基的性狀等方面進行了許多研究，但對夯實水泥土楔形樁復合地基的性狀及在夯實水泥土楔形樁復合地基中樁的工作狀態問題研究較少。為此，本文作者基于夯實水泥土楔形樁與圓柱形樁復合地基載荷對比試驗結果，針對復合地基中樁的工作性狀進行研究。

1 試驗概況

為了探討夯實水泥土楔形樁復合地基的工作性狀，研究夯實水泥土楔形樁與圓柱形夯實水泥土樁所分擔荷載方面的差異，共進行了4組不同截面的9樁夯實水泥土樁復合地基對比試驗，如圖1所示。

模型試驗在長×寬×高為 3.0 m×6.0 m×3.0 m的基坑中進行，基坑內分層填筑含水量為35%黏性土。對比試驗分別在基坑中的4個劃定區域進行。

填土完成基坑后，靜置1周，將木制模型樁壓入黏性軟土中成孔，然后拔出模型樁，再向孔內分層夯填水泥與黏土的混合料，形成夯實水泥土樁。夯實水泥土樁樁長為1.2 m，樁間距為3d (其中，d為平均樁徑)，樁體材料為水泥與黏土混合料，水泥標號為325，水泥摻量為10%，壓實度為90%。

樁體施工結束28 d，通過載荷、壓縮、剪切等常規試驗測得土的主要物理力學參數，如表1所示。

通過對采用相同施工方法、同期制作的夯實水泥土試塊進行側無限抗壓強度試驗，測得水泥土28 d無側限抗壓強度為0.95 MPa。葉書麟[17]經研究發現：當垂直壓力達無側限抗壓強度的50%時，水泥土的應力與應變的比值為水泥土的變形模量，由此得測得Ep=81.3 MPa(Ep為水泥土的變形模量)。通過常規室內試驗測得樁的主要物理力學參數如表2所示。

對于樁土頂面設置厚度為100 mm的碎石墊層，墊層壓縮模量Ecs=45 MPa。

模型靜荷載試驗在成樁完成后靜置40 d進行，均布荷載作用面到基坑底的距離 b=2.8 m，荷載作用范圍為B×B(B為載荷板的邊長，1～4號模型的B分別為0.650，0.505，0.650和0.715 m，如圖1所示)。為模擬均布荷載，在均布荷載作用范圍的四邊用竹木板制成長×寬×高為1.5 m×1.5 m×1.0 m的荷載箱，第1級荷載采用在荷載箱內充填厚為1.0 m的標準砂，以后各級荷載采用在標準砂表面設置橡膠板。在橡膠板上放置鋼板，由千斤頂施加各級荷載(如圖 1所示)。靜載試驗嚴格按《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79—2002)進行。為減少加載箱側壁與標準砂之間的摩擦對試驗結果的影響，試驗前，在荷載箱內側涂潤滑油。

在荷載范圍內的地基沉降采用沉降標，用千分表量測；樁頂與樁周土頂的應力均采用TXR-2030型應變式微型土壓力計量測(如圖1所示)。由于需保證填砂(第 1級荷載)的一致性，需要人工進入荷載箱進行操作，對千分表的干擾較大，故千分表的讀數自填砂完成后開始。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Installation of experimental equipments

表1 土的物理力學參數Table 1 Physical-mechanical index of soil

表2 樁的物理力學參數Table 2 Physical-mechanical indexes of piles

2 試驗結果分析

2.1 樁-土平均沉降差

圖2 樁-土平均沉降差曲線Fig.2 Curves of average settlement difference between pile and earth

對千分表的讀數進行整理，得到4組復合地基中樁-土平均沉降差隨總荷載增加的變化規律，如圖 2所示。從圖2可以看出：(1) 當荷載較小時，4種樁型復合地基中的樁-土平均沉降差區別不很明顯；(2) 隨著荷載的增大，夯實水泥土圓柱形樁復合地基和夯實水泥土楔形樁復合地基的樁-土平均沉降差不斷增大；夯實水泥土圓柱形樁復合地基的樁-土平均沉降差增長速率要大于夯實水泥土楔形樁復合地基的增長速率，且楔角越大的夯實水泥土楔形樁復合地基的樁-土平均沉降差的增長速率越小?？梢姡汉粚嵥嗤列ㄐ螛兜膬A斜側壁能有效地增強樁-土相互作用，且這種作用隨楔形樁楔角的增加而不斷增強；夯實水泥土楔形樁能有效地調節樁-土減小沉降差。

2.2 樁體應力

對微型土壓力計的讀數進行整理，得到了4組復合地基中角樁、邊中樁、中樁的應力隨荷載增加的變化規律，如圖3～5所示。從圖3～5可以看出：復合地基中各樁樁頂的應力隨荷載的增加而增加；在荷載作用初期，4個復合地基中角樁、邊中樁、中樁的應力差別不大；當荷載較小時，圓柱形樁的應力隨荷載的增加而緩慢增加，楔形樁的應力則隨荷載的增加而迅速增加，且楔角越大，楔形樁應力增加的幅度越大；當荷載較大時，圓柱形樁的應力開始迅速增加，且增加的幅度隨荷載的增加而不斷增大；楔形樁的應力的增長速率隨荷載的增加而不斷減緩，并有趨于穩定的趨勢，且楔角越小，使楔形樁的應力趨于穩定的荷載越小。

圖3 中樁應力曲線Fig.3 Curves of central pile stress

圖4 邊中樁應力曲線Fig.4 Curves of center pile at edge stress

圖5 角樁應力曲線Fig.5 Curves of corner pile stress

對比圖3～5可以得出在同一個復合地基中各樁的應力變化規律：角樁的應力最大，邊中樁的應力次之，中樁的應力最??；隨著荷載的增加，角樁應力的增加速率最大，中樁應力的增加速率最小，邊中樁應力的增加速率介于兩者之間?？梢姡汉粚嵥嗤列ㄐ螛稄秃系鼗袠扼w分擔荷載的規律與夯實水泥土圓柱形樁復合地中樁體分擔荷載的規律是一致的；增大楔形樁的楔角能使樁體較早地發揮其承載性能，但隨著荷載的增加，樁體所分擔的荷載是有限的，在工程實際中，要根據實際情況選擇合理的楔角。

2.3 平均樁-土應力比

對微型土壓力計的讀數進行進一步整理，得到 4組復合地基的平均樁-土應力比隨荷載增加的變化規律，如圖6所示。從圖6可以看出：夯實水泥土圓柱形樁復合地基的平均樁-土應力比隨荷載增加而遞增，且荷載越大，其增加的速率不斷提高；在加載初期，4種樁型復合地基中的平均樁-土應力比較接近；隨著荷載的增加，夯實水泥土楔形樁復合地基的平均樁-土應力比迅速增加，且增加的速率隨楔角增大而增大，其增長速率遠大于圓柱形樁平均樁-土應力比的增長速率；隨著荷載的進一步增大，楔角較小楔形樁復合地基的平均樁-土應力比開始下降，楔角較大楔形樁復合地基的平均樁-土應力比則有下降或穩定的趨勢。

圖6 平均樁-土應力比曲線Fig.6 Relationship between pile and soil stress ratio

可見：在一定荷載范圍內，楔形樁能有效地發揮樁體的承載性能，其性能要比圓柱形樁的性能優；隨著荷載的不斷增大，楔形樁-土相互作用進一步增強，樁周土的承載能力得到有效發揮，楔形樁的傾斜側壁能有效地緩解樁體應力集中；夯實水泥土楔形樁能有效地調節平均樁-土應力，但并不是楔角越大的楔形樁其調節功能越強，這就存在1個最佳的楔角使樁、土在復合地基中均能發揮其最大的承載性能，從而提高地基承載力。最佳的楔角范圍有待進一步研究。

2.4 荷載-沉降曲線

根據千分表所測得的樁、土沉降讀數進行了加權平均處理，得到4組復合地基的荷載-平均沉降關系，如圖7所示。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Relationship between load and settlement

從由圖7可以看出：夯實水泥土樁復合地基的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線；在相同荷載作用下，夯實水泥土楔形樁復合地基的平均沉降比夯實水泥土圓柱形樁復合地基的平均沉降小，且楔角越大，夯實水泥土楔形樁復合地基的平均沉降越小?？梢姡涸谙嗤刭|條件下，楔形樁能較有效地減小地基沉降，提高復合地基的承載力。

3 結論

(1) 夯實水泥土楔形樁的傾斜側壁能增強樁-土相互作用，能有效地調節樁-土沉降差和地基沉降，提高地基承載力。

(2) 夯實水泥土楔形樁復合地基中樁體分擔荷載的規律與夯實水泥土圓柱形樁復合地中樁體分擔荷載的規律一致；增大楔形樁的楔角能使樁體較早地發揮其承載性能，但隨著荷載的增加，樁體所分擔的荷載是有限的，在工程實際中，要根據實際情況選擇合理的楔角。

(3) 在一定荷載范圍內，夯實水泥土楔形樁復合地基的平均樁-土應力較夯實水泥土圓柱形樁復合地基的平均樁-土應力比大，楔形樁樁體的承載性能得到較早發揮，其性能要比圓柱形樁的性能優；隨著荷載增大，楔形樁-土相互作用進一步增強，樁周土的承載能力得到有效發揮，楔形樁的傾斜側壁能有效地緩解樁體應力集中現象；夯實水泥土楔形樁能有效地調節平均樁-土應力，但最佳的楔角范圍有待進一步研究。

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