砼芯水泥土攪拌樁復合地基承載力試驗研究

趙文政

摘 要：針對砼芯水泥土攪拌樁處理深厚軟土地基的工程實例，根據(jù)現(xiàn)場復合地基載荷試驗結果，研究了砼芯水泥土攪拌樁復合地基的荷載傳遞規(guī)律、側摩阻力分布特點和樁土應力比。測試結果表明：復合地基的上部荷載主要由砼芯承擔，隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→樁周土體擴散；施工過程中砼芯擠入改良了攪拌樁與土體間的接觸性質，使得攪拌樁外殼與土體間的側摩阻力要遠大于規(guī)范推薦的水泥攪拌樁側摩阻力計算值；砼芯與攪拌樁外殼之間接觸緊密，保證了荷載的向外地有效擴散；復合地基中樁土共同受力，能夠同步發(fā)揮承載力。最后提出了砼芯水泥攪拌樁復合地基承載力計算方法。

關鍵詞：砼芯水泥攪拌樁；復合地基；荷載傳遞；承載力

Abstract： The load transfer mechanism， character of side friction distribution and pile-soil stress ratio of composite ground with concrete-cored DCM pile were researched by load test according to the engineering example for deep soft soil reinforced by concrete-cored DCM pile. The results indicate that the upper load is borne mainly by concrete-cored and transfer through concrete-cored→DCM pile→ soil with the load increasing. Not only the bearing capacity of surrounding soil but also the side friction are improved with the insertion of concrete-cored. The load transfer can be guaranteed by the high side friction between the concrete-cored and DCM pile. The bearing capacity of surrounding soil and concrete-cored DCM pile is played at the same time. Finally， the calculation formula of bearing capacity of composite ground with concrete-cored DCM pile is proposed.

Keywords： concrete-cored DCM pile ；composite ground ； load transfer ；bearing capacity

引言

隨著我國高等級公路、鐵路以及機場的大力建設，解決軟土承載力不足以及沉降過大的問題十分緊迫。在各種地基處理技術中，復合地基以其工藝簡單、施工方便、加固效果好等優(yōu)勢，在地基處理中得到了廣泛應用[1]。在形成復合地基的各種樁型中：水泥土攪拌樁的樁身材料強度低，達到承載力極限時一般在樁身上部發(fā)生破壞，沉降量也可觀[2]；而現(xiàn)澆薄壁管樁[3]以及廣泛使用的灌注樁[4]，在達到極限荷載時樁周土體首先發(fā)生剪切破壞，而此時樁體強度還遠遠沒有發(fā)揮，造成材料浪費。

砼芯水泥攪拌樁采用高彈模的預制砼芯作為受力核心，大表面積的水泥土攪拌樁外殼提供側摩阻力，結合了剛性樁和柔性樁的優(yōu)點，能夠提供較高的承載力并有效減少沉降[5]。董平[5-6]等根據(jù)現(xiàn)場試驗和有限元模擬，分析了砼芯水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律，并將單樁破壞模式分為砼芯壓裂和樁周土體剪切破壞兩種，提出了相應的計算公式。陳穎輝等[7]根據(jù)靜載試驗研究了含芯率和芯長比對承載力的影響，將單樁破壞分為漸進型和急進型兩種類型，并提出了相應的單樁承載力計算公式。丁永君等[8]通過單樁靜載試驗發(fā)現(xiàn)，砼芯水泥攪拌樁的側摩阻力要遠大于水泥攪拌樁和鉆孔灌注樁，有利于單樁承載力的提高。

現(xiàn)有的關于砼芯水泥攪拌樁的研究資料主要集中在單樁承載力方面，對于砼芯水泥攪拌樁復合地基承載性質研究較少，對其承載力機理的認識并不清楚。本文結合復合地基靜載試驗，進行了砼芯荷載傳遞規(guī)律、側摩阻力分布特點以及樁土應力比測試。最后給出了砼芯水泥攪拌樁復合地基承載力計算公式。

1.工程概況

某繞城公路沿線穿越深厚軟土分布段，在里程樁號K9+260～K9+310段路基中心處打設三根試驗樁。其主要地層分述如下：① 0～1.6m：粘土，灰黃色，濕，可塑，含鐵錳質結核及其浸染，雜藍灰色條紋。②1.6～3.1m：粉質粘土，灰色，濕，可塑。③3.1～5.9m：粉質粘土，灰色，濕，流塑，混粉土，含云母碎片。④5.9～12.7m：淤泥質粘土，灰色，濕，流塑，含腐殖質和泥質結核，粒徑2-3cm。⑤12.7～19.9m：粘土，灰色，濕，軟塑，含腐殖質。⑥19.9～23.6m：粉質粘土，灰色，濕，可塑，土質均勻。

試驗區(qū)域土層物理力學性質如表1所示。

2.試驗設計

2.1 試驗目的

（1）確定砼芯水泥土攪拌樁單樁復合地基的豎向抗壓極限承載力，研究承載力形成機理。

（2）確定不同荷載水平下地表土體、攪拌樁外殼與芯樁的荷載分布規(guī)，研究砼芯水泥土攪拌樁的沉降控制機理。

（3）研究砼芯水泥土攪拌樁單樁復合地基豎向荷載傳遞規(guī)律。

2.2 試驗區(qū)域布置

試驗采用邊長1.4m的正方形混凝土荷載板，水泥攪拌樁直徑500mm，樁長20m，水泥摻量為15%。砼芯為樁徑200mm的預制方樁，樁長9m，采用4Φ14配筋和C30水泥。

將相鄰兩個測點間作為一個樁段計算側摩阻力，以每個計算樁段的平均側摩阻力作為該樁段中點的側摩阻力值，將相鄰樁段中點的側摩阻力順次連接[9]，換算得出砼芯與水泥土攪拌樁外殼之間的側摩阻力如圖5所示。側摩阻力分布規(guī)律比較復雜，這與地基處理后各地層的水泥土強度不同有關。砼芯頂端側摩阻力發(fā)揮最快，說明頂端樁體首先達到塑性，隨著荷載的增加，塑性區(qū)擴展從而導致復合地基破壞。

由圖5還可看出，水泥土攪拌樁外殼對砼芯的側摩阻力遠大于原狀軟土的極限側摩阻力，這有效保證了砼芯應力向外地有效擴散，使得砼芯和水泥土外殼之間不會發(fā)生相對刺入而破壞。

圖4 砼芯軸力隨深度變化曲線

圖5 攪拌樁外殼與砼芯間的側摩阻力

根據(jù)砼芯與水泥土攪拌樁的側摩阻力，忽略水泥土的軸向力[8]，可以換算出水泥土攪拌樁與樁周土間的側摩阻力：

（3）

式中：qs為砼芯與攪拌樁外殼間的側摩阻力；q為攪拌樁外殼與土體間的側摩阻力；U砼芯和U攪拌樁分別為砼芯和攪拌樁外殼的周長。

圖6為三根試樁達到表2所統(tǒng)計的復合地基承載力特征值時樁土之間的側摩阻力沿深度分布圖。如圖所示，由于砼芯的插入，改良了攪拌樁外殼與樁周土的接觸性質，樁土界面的側

摩阻力大于規(guī)范推薦的普通水泥土攪拌樁的側摩阻力特征值[10]。在進行砼芯水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值計算時，砼芯插入范圍內樁土間的側摩阻力特征值可根據(jù)試驗結果取以下建議值：粘性土25～30kPa，粉性土20～25kPa，淤泥質土15～20kPa，淤泥土10～15 kPa。

3.3 荷載分布規(guī)律

砼芯水泥土攪拌樁樁體由砼芯和水泥土攪拌樁兩部分組成，將砼芯水泥土攪拌樁的整體平均應力與樁周土應力的比值定義為樁土應力比：

（4）

式中：σ砼，σ攪拌樁以及σ樁周土分別為砼芯，水泥土攪拌樁外殼以及樁周土的豎向應力。S砼和S攪拌樁分別為砼芯和水泥土攪拌樁的截面積。如圖7所示，在加荷水平初期，樁土應力比隨著荷載水平的增加而增加，峰值能達到75～105，樁體是主要承載體。當超過峰值以后，隨著荷載水平的增加，樁土應力比逐漸減小，最后穩(wěn)定在20左右，樁體和樁周土協(xié)調受力，

5.結語

根據(jù)現(xiàn)場施工期監(jiān)測以及單樁復合地基靜載試驗，研究了砼芯水泥攪拌樁復合地基的承載特性以及承載力機理，并提出了砼芯水泥攪拌樁復合地基的承載力計算方法，主要結論如下：

（1）砼芯水泥土攪拌樁能有效控制沉降，在達到設計荷載時沉降不到樁徑的1%。在剛性基礎下，復合地基的上部荷載仍然主要由砼芯承擔，并隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→土體進行擴散。

（2）承載力機理為：施工過程中砼芯擠入提高了樁周土體的天然承載力，改良了攪拌樁與土體間的接觸性質，使得攪拌樁外殼與土體間的側摩阻力要遠大于規(guī)范推薦的水泥攪拌樁側摩阻力計算值；砼芯與攪拌樁外殼之間接觸緊密，保證了荷載的向外地有效擴散；復合地基中樁土共同受力，能夠同步發(fā)揮各自的承載力。

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