同芯長異芯徑剛性芯復合樁承載特性研究

謝紅民 趙增輝

（河南省宏大建設工程有限公司，河南 長垣453400）

1 問題的提出

水泥土樁具有高于混凝土樁的側阻力，水泥土樁因截面承載力不足而限制了側阻力的發揮，從而影響了樁體承載力的提供。解決問題的辦法是：利用夯實水泥土樁為母體樁，充分發揮其側阻力高的優點，在其中心放入剛性體，利用剛性體強度高的特性，最大限度地消除水泥土樁因截面承載力不足的缺點，將夯實水泥土樁與混凝土樁進行組合,利用水泥土樁與土的結合強度,再利用混凝土樁體強度,形成組合樁,既能提高承載力,又能降低成本是研究的內容。

2 剛性芯復合樁試驗設計

2.1 試驗方案

為便于鉆取不同芯徑的剛性樁芯，考慮到螺旋鉆最小鉆孔直徑，夯實水泥土樁采用620mm直徑,使夯實水泥土樁與剛性芯復合樁更公平的進行比較。將夯實水泥土樁樁長確定為6m，剛性芯長確定為5m，為探求剛性芯最優芯徑，芯徑確定為350mm、300mm、200mm。為保證成孔時水泥土樁的質量，充分發揮水泥土側阻力，采用C35混凝土澆筑剛性芯樁。為便于和水泥土樁比較，做2棵直徑620mm，樁長6m的水泥土樁。

本次豎向靜荷載試驗擬做8棵試驗樁，其中2棵為水泥土樁，6棵剛性芯復合樁。在剛性芯復合樁芯樁頂埋置10MPa壓力盒、水泥土樁頂埋置6MPa壓力盒。在1、6號樁的剛性芯樁底埋置6MPa壓力盒。樁徑及壓力盒布置見表1。

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2.2 試驗模型的制作要求

2.2.1 樁的施工要求

采用螺旋鉆機成孔，要嚴格控制孔位、孔徑、孔深，并采用環形測孔器進行檢測。孔底虛土用質量15kg的鐵錘夯實，每孔夯實擊數應一致(3擊)。成孔后用鐵蓋板覆蓋孔口，防止灌水和落下渣土。剛性芯樁采用C35混凝土，塌落度控制在20cm左右；孔口放置漏斗，采用振動棒分層搗實，每次灌注高度為1m左右；樁身混凝土灌注至水泥土樁頂，并抹平。成樁后用塑料布覆蓋。

2.2.2 土壓力盒埋設要求

將芯底用鐵錘擊實擊平，然后埋置壓力盒灌注混凝土。在剛性芯樁樁頂中心和水泥土樁頂各鑿一個與壓力盒大小一致的槽，水泥土樁頂的兩槽對稱放置，槽底部鋪一薄層粉細砂，用壓力盒將砂抹平整，讓壓力盒稍高于樁頂，樁頂鋪設5cm厚的砂石墊層；樁頂鑿3條細長槽將線引出。

3 試驗場地地質條件

場地地層主要由第四紀沖洪積相堆積物組成，沉積韻律明顯，層位較穩定。根據鉆探揭露及室內土工試驗結果可劃分為6個工程地質層。

①層雜填土，黃褐色，由粉土、碎磚、爐灰組成，含植物根，松散，層厚1.00～2.00m；②層黃土狀粉質黏土，褐黃色，土質均勻，可塑，含姜石，層厚2.70～3.80m。天然含水量22.6%；天然孔隙比0.695；壓縮系數0.287MPa-1；壓縮模量6.65MPa；標貫擊數6.4擊，屬中壓縮性土；③層黃土狀粉土，淡黃色，土質均勻，稍濕，密實，層厚0.00～1.60m。天然含水量16.4%；天然孔隙比0.541；壓縮系數0.196MP-1；壓縮模量7.89MPa；標貫擊數10.0擊，屬中壓縮性土；④層粉細砂，黃-灰黃色，顆粒均勻，成分以石英、長石及暗色礦物為主，粉粒含量大于25%，稍濕，稍密，層厚0.90～2.50m。天然含水量10.7%；天然孔隙比0.581；壓縮系數0.144MP-1；壓縮模量10.8MPa；標貫擊數14.8擊，呈稍密狀態；⑤層礫砂，灰黃色，顆粒不均，亞圓形，成分為石英、長石，稍濕，中密，層厚3.50m。標貫擊數23.7擊，呈中密狀態；⑥層粉質黏土，黃褐色，土質較均，含姜石，可塑；稍有光澤，無搖振反應，干強度中等，韌性中等。該層未揭穿。

4 試驗及分析

4.1 試驗

本次試驗反力裝置為鋼筋混凝土錨樁和鋼梁組成，手動千斤頂施加荷載，采用慢速維持荷載法。

4.2 在豎向荷載作用下的受力特征

剛性芯復合樁的芯長均為5m、芯徑分別為200mm(3、4號樁)、300mm(2、5號樁)、350mm(1、6號樁)。（注：由于3號剛性芯復合樁測得結果偏差太大，沒有被采用）

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圖1將水泥土樁視為含芯率為零的剛性芯復合樁，將灌注樁視為含芯率100%的剛性芯復合樁。從圖中可看出，剛性芯復合樁極限承載力隨著芯長增大而增大，芯徑在300～350mm增長幅度大，然后隨著芯長增大而降低。

由試驗分析可知，本樁型的最優芯徑為350mm，即含芯率為0.32。它的極限承載力是同尺寸的水泥土樁的2.13倍，是同尺寸灌注樁的1.6倍。

圖1 剛性芯復合樁極限承載力隨芯徑變化曲線

4.3 剛性芯復合樁的荷載傳遞過程

在每棵剛性芯復合樁靜載試驗結束以后，移除墊層均發現夯實水泥土樁樁頂稍有擠土，但未被破壞，剛性芯樁樁頂也完好無損，儀器監測數據也能證明這一點。剛性芯復合樁整體下沉，而不是在樁頂附近“鼓出”形式破壞，這說明荷載已經通過剛性芯樁傳至樁的深部，使水泥土樁長充分發揮作用。剛性芯樁樁頂略高出水泥土樁樁頂1cm左右，據復合地基理論可知：由于水泥土樁的變形模量小于剛性芯樁的變形模量，剛性芯樁向上刺入墊層，荷載在樁頂由水泥土樁與剛性芯樁分擔，在樁體上部水泥土樁將荷載傳給樁周土，同時通過負摩擦傳給剛性芯樁，隨荷載向下傳遞剛性芯樁將其上荷載傳給水泥土樁，水泥土樁將其傳給樁周土、樁端土。

5 結論

剛性芯復合樁作為一種嶄新的樁型，以夯實水泥土樁為母體，以灌注樁為芯樁形成剛性芯復合樁，利用了灌注樁的樁體高強度與水泥土樁高側摩阻力的優點，摒棄彼此不足之處，從而實現了這兩種樁型的優化。通過現場靜載豎向抗壓試驗，測得不同荷載級別下，剛性芯復合樁芯樁與水泥土樁應力比與荷載的關系、荷載分擔比與荷載的關系，芯底應力與荷載的關系。在同一級荷載下，分析不同芯徑的剛性芯復合樁的芯樁樁頂及樁底應力，水泥土樁頂的應力、芯樁頂與水泥土樁頂的應力比及其荷載分擔比與芯徑的關系。將水泥土樁視為含芯率為零的剛性芯復合樁，將灌注樁視含芯100%的剛性芯復合樁，對不同芯徑組合的剛性芯復合樁極限承載力進行比較。

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