粉土和粉質黏土中夯實水泥土樁復合地基承載力研究

袁 波，馮 永，徐良明

(1.浙江省第十一地質大隊，浙江 溫州 325006;2.河南工業大學 土木建筑學院，鄭州 450052)

隨著地基處理技術的發展，復合地基得到越來越廣泛的應用。而夯實水泥土樁是復合地基法加固地基所用樁型中的一種新樁型。該方法是利用水泥作為固化劑，采用人工洛陽鏟或機械成孔，將水泥與現場地基土(成孔時掏出的地基土)按一定配比人工拌和均勻，機械夯實形成具有水穩性和足夠強度的水泥土，制成樁體，并與樁間土共同作用，構成復合地基，提高了地基承載力。這一加固方法適用于粉土、粉質黏土，地下水位較低的地區，具有施工方便、無噪聲、無振動、無泥漿廢液等污染和造價較低等特點，而且在成孔時又能對土層的變化進行驗證，保證施工時將樁端落在好的土層上。我國北方地區，尤其是河北、北京等地地下水位較低，且多為粉土和粉質黏土，因此水泥夯實土樁在這些地區得到了廣泛應用［1］。

在夯實水泥土樁復合地基設計中，復合地基承載力是最重要的設計依據，關系到復合地基設計是否安全和經濟，應由現場復合地基大型荷載試驗確定。但復合地基大型荷載試驗費用高、時間長，僅大型工程或特別重要的工程必須進行此項試驗。目前，對一般夯實水泥土樁工程，主要通過規范公式計算得到，即根據單樁承載力、面積置換率以及地基土承載力的計算確定;或者根據單樁承載力、地基土承載力以及工程所要求達到的復合地基承載力來計算確定面積置換率。其中，夯實水泥土樁單樁承載力也是確定復合地基承載力的關鍵因素之一，也宜通過現場單樁荷載試驗確定。只是在工程實踐中一般較少單獨對水泥土單樁承載力進行檢驗，而是通過樁身水泥土強度或樁側摩阻力和樁端端阻力按剛性樁方法計算確定。

本文結合保定市某典型粉土和粉質黏土中的夯實水泥土樁復合地基工程實例，通過進行單樁及復合地基靜載試驗，得到樁與土荷載、沉降、應力比的試驗數據，據此研究了復合地基的承載特性和破壞形式，并對樁與樁間土之間的荷載分擔變化規律進行了探討，以期為設計和施工提供有益的參考。

1 夯實水泥土樁復合地基承載力的理論確定

夯實水泥土樁復合地基的承載力是由樁間土和樁共同組成。目前，夯實水泥土樁復合地基承載力特征值可按以下公式(1)［2］進行計算

式中，fspk——復合地基的承載力特征值(kPa);

Ra——單樁豎向承載力特征值(kN);

Ap——樁的截面積(m2);

m——面積置換率;

β——樁間土承載力折減系數，是反映樁和樁間土共同作用的參數，可取0.9～1.0;

fsk——處理后樁間土承載力特征值(kPa)。

在式(1)中，夯實水泥土樁單樁豎向承載力Ra也宜通過載荷試驗確定，但實際初步設計時，一般根據樁身水泥土強度或樁側摩阻力和樁端端阻力按剛性樁方法計算(即按土的支承力)，取兩者中的小值。

當土體的工程性質較好時，夯實水泥土樁樁身在達到地基承載力極限前即發生破壞，此時按式(2)計算Ra;當樁身強度較高，樁身在地基達到極限承載力后尚沒有發生破壞，此時可按式(3)計算Ra。

式中，fcu——樁體混合料試塊(邊長150 mm立方體)標準養護28 d立方體抗壓強度平均值(kPa);

Up——樁的周長(m);

n——樁長范圍內所劃分的土層數;

qsi——樁周第i層土的側阻力特征值(kPa);

li——樁長范圍內第i層土的厚度(m);

qp——樁端端阻力特征值(kPa)，可按現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB50007有關規定確定。

2 工程概況

某工程位于保定市市區中南部，為多層辦公樓建筑，基礎埋深1.5 m。根據勘察資料，場地地基土自上到下分布如下所述。

1)雜填土:土質不勻，雜色，稍密，層厚0.3～1.2 m。

2)粉土:黃褐色，稍濕～濕，中密 ～密實，層厚3.0～3.2 m，承載力值 fak=140 kPa，樁周側阻力特征值22 kPa。

3)粉質黏土:灰褐色，可塑，層厚1.1～1.3 m，承載力值fak=120 kPa，樁周側阻力特征值20 kPa。

4)粉土:灰褐～黃褐色，稍濕 ～濕，密實，層厚2.4～3.3 m，承載力值 fak=160～180 kPa，樁周側阻力特征值26 kPa，樁端端阻力特征值500 kPa。

5)中砂:灰白 ～灰黃色，稍濕 ～濕，中密 ～密實，層厚2～4 m，承載力值 fak=210～250 kPa。

該工程采用夯實水泥土樁進行地基加固。設計圓樁直徑為350 mm，選取第4)層粉土作為夯實水泥土樁樁端持力層，樁長4.7 m。按理論計算單樁承載力特征值為96 kN(受控于式(2))，要求加固后的復合地基承載力fspk=210 kPa，面積置換率m=10.1%。樁頂鋪設厚100 mm的碎石褥墊層。

3 承載力試驗及結果分析

隨著復合地基的廣泛應用，復合地基的承載力與沉降的確定一直是工程界關注的問題。而現場靜載試驗被公認為是最可靠的手段。

3.1 單樁載荷試驗結果分析

單樁靜載荷試驗標準依據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2002)［3］。單樁豎向承載力的特征值的確定可以按《建筑地基基礎設計規范》中標準進行，即根據荷載一沉降(Q—S)曲線確定單樁極限承載力，再除以安全系數，就可得到單樁豎向承載力的特征值。本次試驗的安全系數為2。試驗設備采用千斤頂反力錨梁裝置。

共進行了3組單樁靜載荷試驗，圖1為1#、2#和3#單樁荷載與沉降關系曲線。

圖1 夯實水泥土單樁荷載—沉降關系曲線

由圖1可以看出，隨著施加在樁頂荷載的增加，樁身沉降量不斷增長。Q—S曲線上出現明顯的拐點，表現為陡降型。曲線呈現出三段特點，第一段是初始直線段，為樁身彈性壓縮階段，此時樁身沉降小;隨著荷載水平提高，樁身發生屈服，荷載與沉降關系曲線發生彎曲，這一曲線段較短;很快，樁身沉降量隨荷載增加加快，樁身發生破裂破壞。

現場挖樁觀測發現，樁身上端均發生了劈裂破壞，破裂面基本上與荷載作用方向一致。這是樁身受豎向荷載沿水平方向產生的次生拉伸應力而導致的樁身破壞。這也從另一個側面反映了夯實水泥土類樁的黏結強度較低，故其在豎向荷載作用下易發生脆性張裂破壞。

夯實水泥土單樁的極限承載力應該由下述兩方面的因素確定:一是樁體材料強度;二是樁極限側摩阻力和極限端阻力。對于粉土和粉質黏土地基，由于地層條件較好，在樁體沉降量較小的情況下，土對樁的支承力(側阻和端阻)不能充分發揮，而此時樁身材料的強度相對不夠，已經首先發生破壞致使 Q—S曲線出現陡降。這一點不同于軟土中的水泥攪拌樁的刺入破壞，而是類似于軟土中超長水泥攪拌樁的樁體材料強度破壞［4］。所以，控制設計的是樁體本身的強度。樁長的增加并不能提高樁的承載力，提高樁身材料的配比(即提高樁身強度)可顯著提高樁的承載力。

由圖1可知，陡降點處的荷載約為200 kN。所以，其極限承載力即為200 kN，可相應得出單樁承載力特征值為100 kN，這與理論計算值(96 kN)較為一致，而理論計算值也是由式(2)體現的樁身強度控制的。

3.2 單樁復合地基載荷試驗結果分析

復合地基載荷試驗標準依據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2002)［2］。復合地基承載力特征值的確定按《建筑地基處理技術規范》中的標準進行。

共進行4組單樁復合地基荷載試驗，圖2為S1～S4單樁復合地基荷載與沉降關系曲線。

圖2 單樁復合地基荷載試驗應力—沉降量關系曲線

由圖2可以看出，荷載—沉降關系曲線仍表現為三段特點。在單樁復合地基承載力試驗 P—S曲線上，表現為直線段較長，隨荷載增加，復合地基沉降成線性增長，初始的直線段一直延伸到約300 kPa以上，說明單樁復合地基的彈性變形量較大，復合地基的承載力較高。隨后，曲線發生彎曲，復合地基發生屈服，很快就出現了陡降段，而且，隨荷載水平提高，沉降增加的速率加快，說明夯實水泥土樁復合地基在豎向荷載作用下發生破壞。曲線的特點顯示了單樁復合地基發生脆性變形破壞的特點。試驗結束后，挖樁檢測發現樁頭破裂，這進一步證明了夯實水泥土單樁復合地基的破壞方式為脆性破壞。

與單樁荷載試驗的結果相比，復合地基承載力與沉降關系曲線的初始直線段明顯比單樁要長得多，復合地基的承載力相比于單樁有明顯提高，說明采用復合地基處理地基土比單純采用樁處理地基土更經濟合理。

由圖2可知，陡降點處的荷載為450～500 kPa。所以，相應的承載力特征值為225～250 kPa，均大于設計要求承載力。因此，按規范公式設計值較安全。

4 復合地基荷載分配規律研究

由于復合地基樁間土、樁的相互作用問題較復雜，夯實水泥土單樁復合地基受荷載作用后，其樁身、樁間土會表現為不同的承載特性。為此，對復合地基樁與樁間土分擔載荷的規律進行了研究。

布置在樁頂和樁間土的土壓力盒可以測得豎向荷載作用下樁和樁間土的分擔荷載。其中，樁間土的土壓力盒分別布置于荷載板的四角，荷載板邊的中心以及緊鄰樁身。圖3為 S2單樁復合地基樁或樁間土分擔荷載與外加荷載的關系曲線。表1為單樁復合地基樁與樁間土分擔荷載比較表。

圖3 S2單樁復合地基承載力與樁間土分擔荷載曲線

表1 S2單樁復合地基樁與樁間土分擔荷載比較 kPa

由圖3可知，當施加荷載后，隨著總荷載的增加，樁和樁間土分擔的承載力同時增加。樁分擔的承載力大于樁間土所分擔的承載力。在總荷載<450 kPa時，樁和樁間土分擔的承載力曲線近于直線。在此過程中，上部荷載被均勻分配到樁和樁間土中，但是，樁承載力增加幅度大于樁間土承載力增加幅度(體現在圖中為斜率較大)。在總荷載達到450～500 kPa時，樁和樁間土的分擔承載力曲線出現了拐點，此時，樁身荷載達到極限值，樁身發生屈服;繼續施加荷載，樁身分擔的承載力產生下降，而樁間土分擔的承載力則急劇增加。隨后，樁身荷載達到一個相對穩定的值，此值可以看成是樁身的殘余強度值，而樁間土分擔承載力則達到一個較高的荷載水平。繼續施加外荷載，雖然樁間土分擔的荷載量還在增長，但復合地基沉降量卻急劇增加，預示復合地基已發生破壞，此時，即使樁間土還能繼續承擔荷載，而分擔的承載力已沒有工程意義。

比較位于荷載板下不同位置埋設的壓力盒所測出樁或樁間土所分擔的荷載量，可以發現，樁身在發生破壞前到破壞后，其承擔的承載力最大，這說明夯實水泥土樁的材料性質遠比未處理的天然地基土好。就荷載板下各處樁間土所分擔的承載力來說，在荷載水平比較低時，各處樁間土分擔的荷載差異并不大。而在荷載水平比較高的情況下，特別是樁身發生破壞后，位于荷載板邊的中心部位樁間土分擔承載力最大，荷載板四角次之，位于樁身邊緣處的壓力盒分擔荷載最小。

圖4為S2單樁復合地基的樁土應力比隨承載力的變化曲線圖。

圖4 S2單樁復合地基樁土應力比隨承載力變化曲線

由圖4可知，樁土應力比隨承載力變化的關系曲線總體上呈上凸單峰曲線。隨承載力的增加，樁土應力比表現出先增加后減小的規律。在該曲線上，大致有一個曲率變化最大的點，該點所對應的荷載為450～500 kPa。荷載超過該值后，樁土應力比不再發生大的變化，可以認為此時樁體已達到其極限荷載。當荷載超過該值后，復合地基因樁體破壞而失去整體性，樁土應力比不再發生大的變化。因此，在夯實水泥土樁復合地基中，水泥土樁樁體的破壞，將引起整個復合地基的破壞。

5 結論

通過以上研究，對于該市以粉土和粉質黏土為主的夯實水泥土樁復合地基的承載力特性，可得出如下結論:

1)由于地基土層土質相對較好，夯實水泥土單樁的破壞表現為樁體材料強度破壞，其單樁荷載試驗Q—S曲線表現為樁體材料破壞的陡降型，因此，單純提高樁長對承載力的提高效果并不明顯，而提高樁體強度(即提高樁體材料配比)能顯著提高其單樁的極限承載力，進而可以提高復合地基承載力。

2)單樁復合地基受荷后的破壞為樁體材料的脆性破壞，其P—S曲線表現為陡降型曲線，這與夯實水泥土樁本身承載力不高，且分擔荷載較大有關。

3)夯實水泥土樁復合地基是由樁體和樁間土體共同承擔上部荷載。在施加荷載的初期，由于樁身材料性能好于樁間土，樁體分擔大部分的荷載。當樁身發生屈服破壞后，樁身分擔荷載量減小，而樁間土分擔的荷載量急劇增加。樁土應力比不是定值，而是隨著外加荷載的增大而變化。對于試驗的粉土及粉質黏土中的單樁夯實水泥土樁復合地基，樁土應力比的變化范圍為1.1～4.1。

本次現場載荷試驗由于時間和經費所限，只研究了特定樁徑、樁長、水泥摻入比條件下夯實水泥土單樁復合地基的承載特性，沒有考慮樁長、樁徑、樁身剛度等情況，對變強度樁、變樁長等條件下復合地基的承載和變形特性有待于進一步的試驗研究。

［1］龔曉南.復合地基設計和施工指南［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］中華人民共和國建設部.JGJ79—2002 建筑地基處理技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［3］中華人民共和國建設部.GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［4］鄭剛，王長祥，顧曉魯.軟土中超長水泥攪拌樁復合地基承載力研究［J］.巖土工程學報，2002，24(6):675-679.

［5］秦建慶，葉觀寶，費涵昌.水泥土樁復合地基樁土分擔荷載的試驗研究［J］.工程勘察，2000(6):32-34.

［6］郭忠賢，楊志紅.夯實水泥土樁荷載傳遞特性［J］.巖土力學，2000(3):284-288.

［7］劉麗芬，紀江海.高效夯實水泥土樁的設計施工和計算參數的反演［J］.勘察科學技術，2003(3):72-75.

［8］閆明禮，騰延京，楊煥玲，等.夯實水泥土樁復合地基的工程應用研究［J］.建筑科學，1997，13(6):20-24.