復合地基壓縮模量測試新方法

張路　趙姝彬　易志

摘 要：針對復合地基力學特性測試不便，設計制作了一臺適用于復合地基的側限壓縮儀（固結壓縮儀），本文首先簡述了復合地基基本特性，并對比分析傳統壓縮模量測試方法的缺陷，最后簡介了該儀器的構造，試驗方法及儀器優勢。

關鍵詞：側限壓縮；復合地基；固結儀

0 引言

對于各類地基來說，壓縮模量是設計必需的參數，然而當前實驗室常使用的側限壓縮儀測定土樣的彈性模量，所能測試的土樣體積小，且忽略了側壁摩阻力的影響，采用千分表測定應變稍顯落后，數據較少而且實驗數據有較大的誤差，給科學研究帶來了極大的不便。對于復合地基壓縮模量評價主要依靠經驗公式，未有針對復合地基的試驗儀器和配套試驗方法。

1 復合地基基本特性

復合地基一般分為砂石樁復合地基、水泥土攪拌樁復合地基、旋噴樁復合地基、土樁、灰土樁復合地基、夯實水泥土樁復合地基、水泥粉煤灰碎石樁復合地基柱、錘沖擴樁復合地基、多樁型復合地基[1]。復合地基在施工階段的作用機理主要表現為擠密效應和排水固結效應，工作階段的作用機理主要表現為樁體效應、墊層效應和加筋效應。

1）擠密效應：豎向增強體復合地基在施工過程中將樁位處的土部分或全部的擠壓到樁側，使樁間土體擠壓密實。

2）排水固結效應：增強體透水性強，是良好的排水通道，能有效地縮短排水距離，加速樁間飽和軟粘土的排水固結。

3）樁體效應：復合地基中樁體剛度大，強度高，承擔的荷載大，能將荷載傳到地基深處，從而使復合地基承載力提高，地基沉降量減小。

4）墊層效應：復合地基的復合土層宏觀上可視為一個深厚的復合墊層，具有應力擴散效應。

5）加筋效應：水平向增強體復合地基，在荷載的作用下，發生豎向壓縮變形，同時產生側向位移。復合地基中的加筋材料，將阻礙地基土側向位移，防止地基土側向擠出，提高復合地基中水平向的應力水平，改善應力條件，增強土的抗剪能力。

6）協作效應：增強體與周圍土體協調變形、共同工作、相得益彰。如豎向增強體復合地基，樁體強度高，剛度大，約束土體側向變形，改善土體的應力狀態，使土體在較高應力狀態下不致發生剪切破壞。同時，土體也約束樁體的側向變形，保持樁體的形狀，提高樁的強度和穩定性。

2 傳統復合地基壓縮模量計算方法

2.1 第一種表達式

用樁體材料和土的模量的疊加來表達復合地基的復合模量，稱其為第一種表達式。具體為：

Esp=mEp+（1-m）Es' （1）

式中，Esp為復合地基的復合模量；m為面積置換率；Ep為樁體壓縮模量；Es'為加固后樁間土壓縮模量。

2.2 第二種表達式

用土的模量的某一倍數來表達復合地基的復合模量，稱其為第二表達式。具體為：

Esp=[1+m（n-1）]Es' （2）

式中，n為樁土應力；其余符合同式（1）。

《地基處理規范》中，水泥粉煤灰碎石樁和夯實水泥土樁復合地基的復合模量表達式為：

Esp=ξEs （3）

式中，Es 為天然地基土壓縮模量；ξ為模量提高系數，ξ=fspk/fak（fspk為復合地基承載力特征值；fak為天然地基承載力特征值）[2]。

2.3 傳統計算方法缺陷

復合模量法是目前應用最廣泛的復合地基沉降量計算方法。該法把復合地基加固區中增強體和基體兩部分視為一復合土體，采用復合壓縮模量Esp來評價復合土體的壓縮性，用分層總和法計算加固區土層壓縮量。因此，復合模量取值的正確與否對沉降量結果的準確性有決定性的影響[3]。

此外，（1）式在概念上存在許多不妥之處，首先未能考慮樁長的作用，碎石樁存在有效樁長，因而復合模量與樁長相關性較低，影響不大。但對于

粘結型樁，樁受土的摩阻力較大，樁長效應明顯，影響較大。并且未能考慮樁的端阻效應，試驗表明，樁端落在堅硬土層上的單樁承載力，復合地基承載力和復合模量比樁端落在在軟土層上的要高，而式（1）求得的復合模量則是相同的，未能反映端阻效應。若使用（3）式計算則需要預先測出天然地基承載力特征值與復合地基承載力特征值，通常采用原位試驗測試，較為復雜不便于操作，并且（3）式不適用于所有土體具有一定的局限性。

3 復合地基側限壓縮儀

3.1 傳統壓縮儀缺陷

側限壓縮儀（固結儀）是土工試驗中測試土體壓縮模量常用方法，我國標準固結試驗所用的土樣高為2cm，直徑為6.18cm或7.98.cm[4]。只適用于小試樣土體，不能用于復合地基試驗，若想在試驗室測出較為準確的壓縮模量，就需要盡可能還原土樣原狀條件，也即是說應當擴大儀器口徑，并加裝更為精確的測試儀器。

3.2 復合地基壓縮儀構造

如圖1所示，該壓縮儀土壓力盒是一個壁厚為2cm的不銹鋼環，環高35cm，內徑50cm，在土樣上下部分別為2塊厚5cm的透水石，以便于壓縮時水分排出，上方加設一塊傳壓板，用于分散上方千斤頂的壓力，使土體承壓均勻。

3.3 儀器測試優勢

該裝置相比于原狀試驗具有如下優勢：

1）可在實驗室進行多次試驗，無需到施工現場進行原狀土試驗，極大地方便了測試。

2）儀器采用了多個測試應變的原件，數據量大，多次試驗后，可得到較為精確的數據，貼近于實際值。

3）試驗儀器試樣尺寸大，減少了復合地基的擾動，所測壓縮模量更加準確。

4）采用了電子千斤頂施加荷載，可逐級加載，精確控制每級荷載大小和加載時間。

4 結語

綜上所述，該儀器極大地方便了復合地基壓縮模量的測試，相比于傳統經驗系數法，使用該儀器可得到更為精確的復合地基壓縮模量，解決了復合地基研究中的壓縮模量測試的困擾。因此，希望在相關理論研究和實踐中，本團隊研究成果能起到一定的作用。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）.北京：中國建筑工業出版社，2013（7）：35-60.

作者簡介：

張路（1996-）男，漢族，陜西省隴縣，身份證號：61032719960204001X，本科生，研究方向：橋梁工程

趙姝彬（1996-）女，漢族，河南省淅川縣，身份證號：411323199606110028，本科生，研究方向：橋梁工程

易志磊（1995-）男，漢族，貴州省甕安縣，身份證號：522725199501160011，本科生，研究方向：道路與橋梁