水泥土樁和水泥砂漿土樁的破壞與承載力研究★

馮喜俊 方光秀 * 應榮平

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

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·巖土工程·地基基礎·

水泥土樁和水泥砂漿土樁的破壞與承載力研究★

馮喜俊 方光秀 * 應榮平

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

以勁性水泥土樁、勁性水泥砂漿土樁、加筋勁性水泥砂漿土樁三種形式的樁為研究對象，在試驗室分別制作了三種形式模型樁，并依據其極限承載力試驗，對比分析了三種模型樁的破壞形態與Q—S曲線以及豎向極限承載力，提出了三種模型樁的異同點以及變化規律，為工程應用提供參考。

水泥土樁，水泥砂漿土樁，土工格柵，破壞形態，極限承載力

0 引言

水泥土攪拌樁是通過單向或多向攪拌設備鉆進地基深處，沿著鉆孔將軟土和水泥等固化劑強制拌和，使加固土體硬結進而提高地基強度[1]。隨著建筑層數越來越高，規模越來越大，單一的水泥土樁往往不能滿足工程要求，所以為了滿足實際工程安全要求，出現了勁性水泥土組合樁(在水泥土初凝前，把預制芯樁打入水泥土樁的中心區域)、勁性水泥砂漿土組合樁(在水泥土樁攪拌時加入一定摻量的砂料，把預制芯樁打入水泥砂漿土樁的中心區域)、加筋勁性水泥砂漿土組合樁(在水泥砂漿土的中心位置插入芯樁，并在水泥砂漿土外側包裹土工格柵等外箍材料)等。

上述方法是我國近年來廣泛使用的處理軟土地基的方法，具有經濟安全、施工簡便、工程質量容易控制等優點，對軟粘土、淤泥質土、粉土等地質都有明顯的加固效果。但是目前對三種類型組合樁的各種性能的對比性研究較少。本文把勁性水泥土組合樁、勁性水泥砂漿土組合樁、加筋勁性水泥砂漿土組合樁等三種模型樁作為研究對象，對比分析破壞形態、Q—S曲線、豎向極限承載力等，找出其內在規律，為工程應用提供理論依據。

1 試驗設計

1.1 模型箱設計

試驗布置如圖1所示，圖1a)為測點布置立面圖，三種類型模型樁長均為800 mm，鋼筋混凝土模型箱高為1 200 mm。圖1b)為測點布置平面圖。模型樁中心與鋼筋混凝土箱內壁側距離為175 mm，樁與樁中心間距為350 mm，地質層為粉質粘土。

1.2 模型樁截面形式

勁性水泥土樁的芯樁按截面形式可分為圓形、矩形、圓環、組合形狀等，如圖2所示，本試驗采用的是圓形。勁性水泥土組合樁的長度可根據工程樁基礎承載力和沉降條件進行調整，通常分為短芯、等長芯和長芯，如圖3所示，本試驗采用的是短芯樁和等長芯樁。

勁性水泥土組合樁、勁性水泥砂漿土組合樁、加筋勁性水泥砂漿土組合樁等三種模型樁的試驗參數如表1所示。

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態分析

試驗中的組合模型樁端作用在巖石上，樁周土是粉質粘土，屬于端承樁。樁身破壞形態如圖4所示[1-3]。

表1 模型樁試驗參數列表

模型樁名稱模型樁編號模型樁直徑D/mm芯樁直徑D/mm芯樁根數N芯樁離樁壁距離M土工格柵水泥土樁A21-0-155————勁性水泥土樁A21-0-2556415—勁性水泥土樁A21-0-3556415有勁性水泥土樁B20-0-110050125—勁性水泥砂漿土樁B20-20-210050125—加筋勁性水泥砂漿土樁C20-20-110050125有注:Ax-y-z,Bx-y-z,Cx-y-z中的A表示直徑為55的水泥土樁和勁性水泥土樁;B表示直徑為100的勁性水泥土樁和勁性水泥砂漿土樁;C表示直徑為100的加筋勁性水泥砂漿土樁;x表示水泥摻量(%);y表示砂摻量(%);z為試件編號。水灰比均為1.3。A,C組采用等長芯樁,B組采用短芯樁。如A21-0-1表示直徑為55的水泥土樁,水泥摻量為21%,砂摻量為0%,試件編號為1

1)從圖4的A組合模型樁的試驗破壞形態中可以看出，破壞集中發生在樁中部或樁上部1/3至樁頂部處，在破壞位置芯樁外側部分水泥土破壞，芯樁與水泥土之間的粘結力失去作用(A21-0-3芯樁外側水泥土的破壞程度較低)。從B組合模型樁的試驗破壞形態中可以看出，混凝土芯樁下的水泥砂漿土被壓碎，混凝土芯樁沒有產生破壞。芯樁周邊水泥砂漿土從芯樁底到芯樁頂1/2L區域內產生近似豎向的裂縫，水泥砂漿土和芯樁開始分離，直至脫落，芯樁與水泥砂漿土的粘結力完全失去作用。從C組合模型樁的試驗破壞形態中可以看出，破壞發生在樁體上部，土工格柵網被脹裂，樁頂水泥砂漿土被壓碎，水泥砂漿土并未產生縱向裂縫，混凝土芯樁與水泥砂漿土之間大部分粘結力仍然存在。

2)組合模型樁A21-0-1，B20-0-1，A21-0-3對比分析：與A21-0-1相比，B20-0-1和A21-0-3都在水泥土中插入芯樁。在施壓時，破壞發生在芯樁外側的水泥土上，致使芯樁與水泥土之間的粘結力失去作用，芯樁沒有發生破壞，芯樁在提高極限承載力方面效果顯著。A21-0-3采用中間設4根直徑為6 mm鋼筋且土工格柵圍箍的芯樁，而B20-0-1采用中間設1根直徑為50 mm的混凝土芯樁，其總面積是A21-0-3的2倍，極限承載力比A21-0-3提高了86%；假設截面面積相等時，水泥土樁采用中間設4根鋼筋且土工格柵圍箍的芯樁優越于中間設1根混凝土芯樁，而破壞形態則相同，如芯樁外側的水泥土剝落使芯樁與水泥土的粘結力失去作用而破壞。另一方面，因B20-0-1采用短芯樁，A21-0-3采用等長芯樁，B20-0-1的芯樁下部水泥土被壓碎，而芯樁未發生破壞，A21-0-2的芯樁底部未發生破壞，能夠充分發揮芯樁的作用。

3)組合模型樁A21-0-2和A21-0-3，B20-20-2和C20-20-1對比分析：由于A21-0-3在A21-0-2的基礎上在芯樁周圍添加了土工格柵，促使極限承載力增加(11%)。從破壞形態中可以看出，破壞集中發生在水泥土樁的中上部(1/2～1/3)，但是A21-0-3外部水泥土沒有脫落現象，而A21-0-2則發生脫落，使芯樁與水泥土的粘結力失去了作用。而C20-20-1是由于在B20-20-2的基礎上在水泥砂漿土外圍加設土工格柵，促使極限承載力增加(128%)。從兩者破壞形態的比較分析，土工格柵在增加樁的承載力和保護芯樁的作用方面效果顯著，能有效加強芯樁與外側水泥砂漿土樁間的連接。

2.2Q—S曲線與極限承載力比較

當水泥摻入比為20%時，三種類型模型樁的Q—S曲線對比分析如圖5所示。

從圖5a)可知，加筋勁性水泥土組合模型樁與勁性水泥土組合模型樁相比，土工格柵的作用顯著，其極限承載力可提高12.5%，降低沉降效果比勁性水泥土組合模型樁明顯。

圖5b)是在相同水泥摻入比為20%的情況下，摻砂量各為0%，20%時的勁性水泥砂漿土組合模型樁Q—S曲線比較圖。摻砂量為20%的勁性水泥砂漿土組合模型樁與摻砂量為0%的勁性水泥砂漿土組合模型樁相比，其極限承載力增加了1.74%。在相同荷載(14 kN)下，其沉降增加了22.2%。

圖5c)是在相同水泥摻入比為20%時，無芯水泥土模型樁、勁性水泥砂漿土組合模型樁和加筋勁性水泥砂漿土組合模型樁的Q—S曲線比較圖。從圖5c)可知，勁性水泥砂漿土組合模型樁B20-20-2與樁B20-0-1相比，其豎向承載力提高了116.7%，加筋勁性水泥砂漿土組合模型樁C20-20-1與勁性水泥砂漿土組合模型樁B20-20-2相比，其豎向承載力提高了167.7%。

分析其原因，是由于混凝土抗壓強度大，使大部分荷載由混凝土芯樁承擔，再通過芯樁周邊水泥砂漿土傳遞給樁周土，所以可較大程度地提高組合樁的承載力；加筋勁性水泥砂漿土組合樁，在勁性組合樁基礎上在水泥砂漿土外圍再圍箍土工格柵，利用土工格柵的圍箍作用，使其在勁性水泥砂漿土組合樁基礎上又提高水泥砂漿土的抗壓強度及組合樁的整體性，故其豎向承載力得到了進一步提高。

在工程應用上，當沉降量為已知時，可通過下列關系，得出勁性水泥土、勁性水泥砂漿土、加筋勁性水泥砂漿土豎向承載力的相互比值，供類似工程借鑒。

1)當沉降量均為6 mm時，樁C20-20-1承載力為樁B20-0-1的165.5%，且為樁B20-20-2的133.3%；2)當沉降量均為8 mm時，樁C20-20-1承載力為樁B20-0-1的391.6%，且為樁B20-20-2的222.2%；3)當沉降量均為10 mm時，樁C20-20-1承載力為樁B20-0-1的411.2%，且為樁B20-20-2的249.8%；當沉降量為其他數值時，可用插值法計算得出。

3 結語

1)通過室內模型試驗得出，在水泥土、勁性水泥土、勁性水泥砂漿土、加筋勁性水泥砂漿土等類型的模型樁中加入砂漿、芯樁、土工格柵可提高樁的強度和剛度，可顯著提高樁身的承載力；并且在相同荷載作用下，可減少樁的沉降量；芯樁的類型及數量將影響樁的承載能力及破壞形態；土工格柵加強了樁的整體性和芯樁與外側樁的粘結作用；和短芯樁相比，等長樁更能發揮芯樁與外側樁的共同作用，樁底部不易出現壓碎等現象。

2)從破壞形態中可以看出，勁性水泥砂漿土組合模型樁(采用中間設4根鋼筋且土工格柵圍箍的芯樁)，破壞常發生在距樁頂1/2～1/3處。因此，建議在此處增設加固措施來提高樁身整體的極限承載力。

3)在工程應用上，當沉降量均為已知時，通過本文提出的勁性水泥土樁、勁性水泥砂漿土樁、加筋勁性水泥砂漿土樁等豎向承載力的相互比值關系，用插值法可算出承載力，為類似工程應用提供借鑒。

[1] 吳海花.勁性水泥土單樁極限承載力預測值的研究[D].延吉:延邊大學碩士學位論文，2013.

[2] 鄭洪軍.勁性水泥砂漿土組合模型樁的極限承載力試驗研究[D].延吉:延邊大學碩士學位論文，2014.

[3] 金正超.加筋勁性水泥砂漿土組合模型樁的豎向承載力試驗研究[D].延吉:延邊大學碩士學位論文，2015.

[4] 袁 雁.水泥砂漿土力學性質試驗研究[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版),2012,20(2):47-51.

[5] 席培勝.水泥砂漿土無側限抗壓強度影響因素試驗研究[J].地基與基礎,2012,26(4):527-529.

Study failure and the bearing capacity of cement-soil and cement mortar soil model piles★

Feng Xijun Fang Guangxiu* Ying Rongping

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Based on the three forms piles of strength cement-soil, strength cement mortar soil, reinforced cement mortar soil as the research object, it respectively fabricates three kinds of model pile in the tab, and follows its ultimate bearing capacity test, the damage form,Q—Scurve and vertical ultimate bearing capacity of pile of comparison and analysis for three kinds of model pile, and puts forward three kinds of model of the similarities and differences as well as the changing law, provide a reference for engineering application.

cement-soil pile, cement mortar soil pile, geogrid, fracture morphology, ultimate bearing capacity

1009-6825(2016)05-0068-03

2015-12-08★：延大土木工程建造技術教學資源庫建設資助項目(項目編號：802014010)

馮喜俊(1989- ),男,在讀碩士

方光秀(1967- )，男，博士，教授

TU473.11

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