水泥攪拌樁復合地基承載力參數取值探討

鐘偉滔

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510030）

0 引言

在市政、公路道路工程中，軟弱土路基十分常見，特別是在淤泥、淤泥質土分布廣泛的廣東沿海地區，水泥攪拌樁這種能有效提高地基承載力、減少沉降，且施工簡便、造價經濟的處理方式,得到了廣泛應用。

在水泥攪拌樁復合承載力計算過程中，盡管《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）[1]、廣東省標準《建筑地基處理技術規范》（DBJ/T 15-38-2019）[2]、《公路軟土地基路堤設計與施工細則》（JTG/T D31-02—2013）[3]等規范中給出了詳細的計算方法，但計算過程中參數眾多，且部分參數取值依賴于現場試驗或者以往工程經驗，在無現場試驗資料或當地工程經驗時，給計算帶來了不確定因素，各種誤差的累積可能導致最終計算結果與實際相差較大。本文針對復合地基承載力計算過程中不確定因素產生的原因及解決辦法進行探討。

1 復合地基承載力計算結果與實際檢測結果的差異

1.1 工程概況

廣州市某主干路建設項目位于廣州中心城區西北部，本工程為城市主干路，工程重要性等級為一級，場地復雜程度等級為一級。根據勘察報告，軟土主要為淤泥、淤泥質土，其承載力低，工程性質較差。選取本工程其中一個施工段落，水泥攪拌樁樁長6.8 m，樁徑0.5 m，樁間距1.3 m，采用正三角形布置，90 d無側限抗壓強度設計值不小于1.5 MPa。根據鉆孔揭露，該工點從自然地面線起自上而下分別為2 m厚雜填土，3.8 m厚淤泥質土，2.6 m厚中、粗砂，中、粗砂以下為中風化基巖。

1.2 復合地基承載力計算方法

根據廣東省標準《建筑地基處理技術規范》[2]第8.2.2條，攪拌樁復合地基豎向承載力特征值應通過現場單樁和多樁復合地基靜載試驗綜合確定，并應考慮壓板尺寸和時間效應等因素影響，當無試驗資料時,可借鑒地質情況類似的成功工程試驗結果，按下式預估：

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；fsk為樁間土天然地基承載力特征值，kPa；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁截面面積，m2；m為面積置換率，m=Ap/A，對于三角形布置，A=0.866 s2；β為樁間土承載力折減系數，當樁端土未經修正的承載力特征值大于樁周土的承載力特征值的平均值時，淤泥和淤泥質土可取0.1~0.4，差值大時取低值；當樁端土未經修正的承載力特征值小于或等于樁周土的承載力特征值的平均值時，可取0.5~0.8，差值大時取高值。

攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra應通過現場載荷試驗確定；初步設計時可借鑒地質情況類似的成功工程經驗并按下列公式預估，由水泥土強度確定的Ra宜大于由地基土抗力所提供的Ra：

式中：up為樁的周長，m；n為樁長范圍內所劃分的土層數；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；qpk為樁端地基土未經修正的承載力特征值，kPa；Li為第i層土層的厚度，m；α為樁端天然地基土的承載力折減系數，可取0.6~0.8，承載力高時取低值；η為樁身水泥土強度折減系數，無地方經驗時淤泥、淤泥質土、黏土按0.2~0.3取值，Ip等于17時取大值，等于22時取小值，中間值用插值法確定；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊，邊長為70.7 mm的立方體在標準養護條件下90 d齡期的立方體抗壓強度平均值，kPa。

1.3 復合地基承載力計算過程及結果

根據勘察報告，該工點各巖土層的巖土參數建議值見表1。

表1 各土層巖土參數建議值 單位：kP a

按式（2）計算由地基土抗力所確定的Ra，α取0.6。計算可得：Ra=1.57×（10×2+7×3.8+22×1）+0.6×250×0.196=137.1 kN。

按式（3）計算由水泥土確定的Ra。根據地勘報告，淤泥質土的塑性指數Ip平均值為16，η取0.3。計算可得：Ra=0.3×1500×0.196=88.2 kN。取兩者計算的小值，故預估計算的單樁豎向承載力特征值為Ra=88.2 kN。

根據式（1）計算復合地基承載力，β暫取值0.3，fsk取樁頂土層雜填土承載力特征值90 kPa：fspk=0.134×88.2/0.196+0.3×（1-0.134）×90=60.3+23.4=83.7 kPa,故可得預估的復合地基承載力特征值為83.7 kPa。

1.4 現場試驗結果及偏差原因分析

該工點水泥攪拌樁試樁的單樁豎向抗壓靜載試驗及單樁復合地基平板載荷試驗成果見表2。

表2 單樁豎向抗壓靜載試驗及單樁復合地基平板載荷試驗結果

整體試驗結果顯示，實測單樁豎向極限承載力不小于200 kN，復合地基極限承載力不小于352.8 kPa，即Ra不小于100 kN，fspk不小于176.4 kPa?？梢姡鶕幏队嬎愠鰜淼腞a=88.2 kN和復合地基承載力fspk=83.7 kPa均比現場實際試驗結果小不少。而且，樁頂雜填土天然地基承載力特征值fsk為90 kPa，但計算得到經加固的復合地基承載力fspk僅有83.7 kPa，加固后承載力竟比加固前還低，這顯然也是不合常理的。引起偏差的原因是多方面的，從工程施工的角度分析，現場地質條件變化、施工攪拌質量等因素都可能帶來影響。本文主要從理論計算角度分析，以下幾個參數是可能導致計算與實際試驗出現偏差的主要原因。

1.4.1 單樁豎向承載力偏差原因分析

（1）樁端天然地基土的承載力折減系數α取值的不確定。廣東省標準《建筑地基處理技術規范》[2]對α的具體取值規定為“可取0.6~0.8，承載力高時取低值”。此處對于承載力高低的衡量缺少定量的依據，給α的具體取值帶來困難。

（2）90 d齡期的水泥土試塊抗壓強度平均值fcu。由于設計前期缺少現場試驗數據，fcu取值僅能參考有關的經驗數據，對計算結果影響較大。根據廣東省標準《建筑地基處理技術規范》[2]，膠凝材料摻入比不應小于12%，且宜為15%~20%。針對各齡期的淤泥水泥土試塊抗壓強度與膠凝材料摻入比的關系，廣東省標準《建筑地基處理技術規范》[2]條文說明8.1.3中已有詳盡闡述和數據統計，對于淤泥來說，18%的摻入比90 d齡期的水泥土試塊抗壓強度達到1.47 MPa，故設計計算時暫定90 d齡期的水泥土試塊抗壓強度平均值fcu為1.5 MPa。

1.4.2 復合地基承載力偏差原因分析

（1）樁間土承載力折減系數β取值的不確定。3個規范對于淤泥和淤泥質土，β的取值范圍均為0.1~0.4。《建筑地基處理技術規范》[1]中對β的具體取值規定為“固結程度好或設置褥墊層時β可取高值。確定β值時還應考慮建筑物對沉降的要求以及樁端持力層土層性質，當樁端持力層強度高或建筑物對沉降要求嚴時，應取低值”，而《公路軟土地基路堤設計與施工細則》[3]、廣東省標準《建筑地基處理技術規范》[2]中對β的具體取值規定為“當樁端土未經修正的承載力特征值與樁周土的承載力特征值差值大時取低值”。3個規范中僅僅定性地對β取值進行規定，具體樁端持力層土層強度多高、樁端土未經修正的承載力特征值與樁周土的承載力特征值差值多大時才取低值卻并未明確，β取值的不確定給計算結果帶來了一定誤差。而且，β取值范圍0.1~0.4偏小，導致計算結果偏于保守，可能給工程造成浪費。

（2）分層土地基fsk的取值問題。對于分層土地基，如具有軟弱下臥層的雙層土地基，規范對公式中的樁間土天然地基承載力特征值fsk是取上部硬土層還是取軟弱下臥層土體的天然地基承載力仍不明確。如果取硬土層的承載力則不安全，取軟土層的承載力則偏保守。

2 各參數取值問題的研究

2.1 單樁豎向承載力相關參數

（1）樁端天然地基土的承載力折減系數α取值研究。根據式（2）可知，由地基土抗力所確定的單樁豎向承載力特征值Ra分為兩部分：由樁側極限摩阻力upΣqsiLi和極限樁端阻力αqpkAp。在本工程中，當α=0.6時，upΣqsiLi=107.7 kN，αqpkAp=29.4 kN，Ra=137.1 kN，極限樁端阻力占Ra的21.44%；當α=0.8時，upΣqsiLi=107.7 kN，αqpkAp=39.2 kN，Ra=146.9 kN，極限樁端阻力占Ra的26.62%，兩者極限樁端阻力計算結果僅相差9.8 kN。因水泥攪拌樁在穿透硬質地層時存在困難，在水泥攪拌樁適用的一般情況下，樁端土地基承載力qpk不會太大，而在qpk不大時，α取值對Ra實際影響較小。雖然規范中對于承載力高低的衡量缺少定量的依據，但考慮到該參數在多數情況下對整體計算結果影響較小，而且在《公路軟土地基路堤設計與施工細則》[3]和《建筑地基處理技術規范》[1]中該值的建議取值范圍是0.4~0.6，在實際計算中可采用按α=0.6取值。

（2）90 d齡期的水泥土試塊抗壓強度平均值fcu研究。廣東省標準《建筑地基處理技術規范》[2]要求，由水泥土強度確定的Ra宜大于由地基土抗力所提供的Ra。在本工程中，水泥土強度確定的Ra=88.2 kN，遠小于由地基土抗力所提供的Ra=137.1 kN。可見，由于樁身早早地先于地基土破壞，地基土所能提供的抗力并不能完全發揮，從而限制了復合地基承載力。而在水泥土強度確定的Ra的計算中，fcu取值是參考廣東省標準《建筑地基處理技術規范》條文說明8.1.3：對于淤泥來說，18%的摻入比90 d齡期的水泥土試塊抗壓強度達到1.47 MPa。繼續增大水泥摻入比，可以進一步提高水泥土試塊抗壓強度，但勢必會增加施工成本，在設計中應綜合考慮經濟性和使用要求，合理確定水泥摻入比。在實際應用中，水泥土的強度與土的性狀關系十分密切，通過現場試驗確定Ra和fcu才是確保工程經濟性和合理性最有效的方法。

2.2 復合地基承載力偏差原因

（1）樁間土承載力折減系數β取值研究

在設置合理厚度的褥墊層后，樁間土的承載能力將進一步發揮出來。若繼續按規范要求的β取值0.1~0.4，則計算結果可能偏于保守，導致需要縮小樁間距或加大樁徑以使計算結果滿足要求，造成工程的浪費。針對樁間土承載力折減系數β取值問題，單鵬飛、郭永[4]進行了研究，并得出結論，在復合地基承載力計算時，可適當減小單樁承載力發揮系數α取值，并增大樁間土承載力折減系數β取值至0.6~0.8，以保障承載力取值更加合理。

在本工程中，按工程試驗結果單樁豎向承載力特征值100 kN，復合地基承載力特征值176.4 kPa反算樁間土承載力折減系數β，可以得到β=0.75。綜合考慮地質情況、工程設計、載荷試驗結果等因素，建議將規范要求的β取值從0.1~0.4提高至0.6~0.8，以使計算結果更接近實際，避免浪費。

（2）分層土地基天然地基承載力fsk的取值研究

對于分層土地基，規范方法在其復合地基承載力和沉降計算方面的說明與解釋尚不夠完善，沒有明確說明按規范公式計算復合地基承載力時樁間土承載力特征值具體選取哪一層土的特征值。針對分層土地基fsk取值問題，若直接取用地基第一層土的天然地基承載力作為fsk，顯然是不合理的，特別是當第一層土厚度較小時，計算結果明顯是不準確的。fsk取值需要綜合考慮整個分層土體，可按以下兩種方法確定。

a.第一種方法

參考廣東省標準《巖溶地區建筑地基基礎技術規范》（DBJ/T 15-136—2018）[5]，將這種分層土復合地基的樁間土承載力特征值fsk取為各土層的承載力特征值的深度加權平均。若fsk取較高的較硬的土層地基承載力，則計算的復合地基承載力偏高，不安全。若fsk取較軟的土層地基承載力，則計算的復合地基承載力往往達不到設計要求。故建議取樁體長度范圍內樁間土各土層承載力特征值的加權平均值。不宜計入軟弱土對復合地基承載力的貢獻。

b.第二種方法

參考楊光華、劉清華等[6]對基于樁土變形協調的復核地基承載力計算方法的研究，對于水泥攪拌樁復合地基的情況，其承載力組成包括樁和樁間土的抗力兩部分，根據沉降變形協調可以確定樁土抗力的發揮程度。復合地基承載力既要保證強度安全系數足夠，也要控制沉降變形。為此，建立復合地基的荷載與沉降關系，由復合地基的p-s曲線，依照強度安全和變形控制的原則進行復合地基承載力的取值考慮會更加全面。通過切線模量法計算這種分層土地基的沉降曲線，根據其沉降曲線按沉降控制及強度安全系數綜合確定其整體的承載力，這樣得到的承載力考慮了地基上部荷載影響范圍內的所有土層的情況，可以解決fsk取值問題。

3 結 語

（1）水泥攪拌樁復合地基承載力的計算過程中參數眾多，部分參數取值規范解釋不明確，在無現場試驗資料或當地工程經驗時，給計算帶來了不確定因素，并可能導致最終計算結果與實際相差較大。

（2）規范對于α取值尚有不明確的地方，在樁端土地基承載力qpk不大時，α取值對Ra實際影響較小，本文建議在實際計算中可采用按α=0.6取值。

（3）在實際應用中，水泥土的強度與土的性狀關系十分密切，通過現場試驗確定Ra和fcu才是確保工程經濟性和合理性最有效的方法。

（4）規范對于β取值尚有不明確的地方，建議將規范要求的β取值從0.1~0.4提高至0.6~0.8，以使計算結果更接近實際，避免浪費。

（5）對于分層土地基fsk的取值問題，可用分層土深度加權平均的方法確定，也可按樁土變形協調的方法解決。