鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁承載力淺論

【摘 要】本文通過對水泥土攪拌樁和鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁在軸向載荷和樁側(cè)極限摩阻力、樁端極限端承力的極限載荷分配理論分析基礎(chǔ)上，得出經(jīng)改進后的鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁比水泥土攪拌樁具有質(zhì)量可靠，承載力高的結(jié)論，并舉實際例子，通過t檢驗分析兩場地差異顯著性后進行對比分析，證實理論分析的可靠度。

【關(guān)鍵詞】水泥土攪拌樁；鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁；軸向載荷分配；極限載荷分析；差異顯著性檢驗；實例對比分析

1. 前言

水泥攪拌樁自二戰(zhàn)結(jié)束后在美國研究成功后，逐步在世界各國推廣開來，有的國家又進行了再研發(fā)改造，形成了多系列的施工工法。因其較鉆孔灌注樁、預(yù)制樁和人工挖孔樁等樁的施工難度與成本具有較大優(yōu)勢而得到廣泛使用。

水泥土攪拌樁既可有效提高地基強度（水泥摻量為8%和10%時，加固體強度分別為0.24MPa和0.65MPa，而天然軟土地基強度僅0.006MPa，約為天然軟土地基強度的40～60倍）又具有施工工期短、造價低廉等優(yōu)點。水泥土攪拌樁存在的不足之處是單樁承載力相對低，影響成樁質(zhì)量的主要因素達七個之多，有的無法人為控制，因而，施工質(zhì)量較難控制。隨著在軟土地基中多層、小高層建（構(gòu)）筑物的增多，廉價的水泥土攪拌樁有待改進、完善。而經(jīng)改進后的鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁（專利號ZL972 42911.5，專利權(quán)人：鄒宗煊）具有質(zhì)量可靠，單樁承載力高，造價相對較低，對環(huán)境無污染等優(yōu)點而成為軟土地基中多層、小高層建筑物較為合適的樁形［1］。

2. 水泥土攪拌樁的分類

水泥土攪拌樁從成樁后樁體剛度分屬于半剛性樁，水泥摻入量常用比例為7%、10%、12%、14%、15%、18%、20%七類，常用摻入比為15%～20%。當(dāng)水泥摻入量較小時（7%≤aw<15%），樁體特性類似柔性樁，樁體破壞的形式主要為塑性破壞，而當(dāng)水泥摻入量較大時（15%≤aw<20%），樁體破壞形式主要發(fā)生脆性破壞［1］。

3. 鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁工作原理

該類復(fù)合樁綜合了攪拌樁和預(yù)制樁的優(yōu)點，由鋼筋砼加芯樁來承載大部分豎向荷載，再由攪拌樁利用樁身水泥土與鋼筋砼加芯樁的握裹力將上部荷載傳遞給水泥土樁，從而達到提高單樁承載力的目的。

鋼筋砼加芯樁將上部荷載傳遞面積由原攪拌樁橫斷面擴大到整個加芯樁側(cè)表面和樁端面之和，降低了樁頂水泥土端面的單位壓力，從而提高了水泥土攪拌樁的承載力。由于水泥土的變形摸量是土的數(shù)十至百倍，故樁所受的軸向力能通過加芯樁側(cè)壁面的水泥土迅速傳遞給樁周土。復(fù)合樁水泥土對加芯樁的握裹力的大小未見有資料報道，目前僅采用室內(nèi)模型試驗確定。

4. 軸向載荷分配分析［2］

4.1 水泥攪拌樁與樁間土軸向載荷分配。復(fù)合地基承載力由水泥攪拌樁與樁間土協(xié)調(diào)變形（即：εp=εs）共同承擔(dān)，從以下分析可知，水泥攪拌樁分擔(dān)了大部分荷載。

因為ε=σE σ=PA得出ε=PEA

又因εp=εs，即PpEpAp=PsEsAs

所以Pp=PsEpApEsAs=mEsAsEsPs(1)

式中：εp、εs——分別為樁的應(yīng)變、樁間土的應(yīng)變；

Pp、Ps——分別為水泥土樁承擔(dān)的載荷、樁間土承擔(dān)的載荷；

m——置換率，m=ApAs，一般取值為16%～20%；

Ac、As——分別為樁面積、加固土體面積；

Ep、 Es——分別為樁壓縮模量、土壓縮模量）。

4.2 鋼筋砼加芯樁與水泥攪拌樁的軸向載荷分配。同理，在水泥攪拌樁內(nèi)加入鋼筋砼芯后，攪拌樁上分配的載荷將由芯樁和攪拌樁共同協(xié)調(diào)變形（即： εp=εc）共同分擔(dān)，此時，Pp=Pp1+Pc(2)

而Pp1=σp1Ap1 Pc=σcAc ε=σε

側(cè)σp1=PpAp1+EcAcEp1

即Pp1=σp1Ap1=Pp1+EcEp1×AcAp1=Ep1Ap1Ep1Ap1+EcAcPp（3）

同理得：

Pc=σcAc

=Pp1+Ep1Ec×Ap1Ac=EcAcEp1Ap1+EcAcPp（4）

聯(lián)解（3）、（4）式得

PcPp1=EcAcEp1Ap=m1EcEp1 即Pc=mEcEp1(5)

式中：εp、εc——分別為水泥土樁的應(yīng)變、砼加芯樁的應(yīng)變；

Pp、Pp1、Pc——分別為復(fù)合樁承擔(dān)的載荷、水泥土樁承擔(dān)的載荷、砼加芯樁承擔(dān)的載荷

m1——置換率，一般取值為16%～20%；

Ep1、Ec——分別為復(fù)合樁中水泥土樁壓縮模量、砼加芯樁彈性模量；

Ap1、Ac——分別為復(fù)合樁中水泥土樁面積、砼加芯樁面積；

σp1、σc——分別為復(fù)合樁中水泥土樁承受應(yīng)力、砼加芯樁承受應(yīng)力；

查有關(guān)資料可知，水泥攪拌樁的壓縮模量一般為（0.60～1）×102MPa，而C25砼樁的彈性模量為2.80×104MPa，C30砼樁的彈性模量為3.000×104MPa，從（5）式可看出，常用砼預(yù)制樁的砼彈性模量是水泥攪拌樁的壓縮模量值的2～3個數(shù)量極，這是水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后承載力大幅上升的主要原因之一。

表1 地基土物理特性平均值統(tǒng)計表

表2 載荷試驗成果統(tǒng)計表圖2 單樁復(fù)合地基和單樁載荷試驗圖

圖1 S～LogP曲線圖5. 樁側(cè)極限摩阻力及樁端極限端承力分析［3］

5.1 理論分析法

5.1.1 樁側(cè)極限摩阻力。在極限載荷下，樁身樁側(cè)極限摩阻力的分布采用下面公式進行計算，

即Σfij(z)=Σji=1D4hjEji(εij-εi，j+1) (6)

其中:D——樁徑平均值(mm)；

hj——樁身第j段的長度(mm)；

Eji——第j段樁身的壓縮模量(對單樁為水泥攪拌樁壓縮模量，對單樁復(fù)合地基為復(fù)合樁中水泥土樁壓縮模量，對砼加芯樁單樁復(fù)合地基為砼加芯樁的彈性模量)；

εij、εi，j+1——分別為第j段樁的樁身應(yīng)變、第j+1段樁的樁身應(yīng)變（應(yīng)變?nèi)≈蹬cEji類似）。

5.1.2 樁端極限端承力。樁端極限端承力，有原位測試資料時，依據(jù)比貫入阻力按相關(guān)公式進行計算；當(dāng)按土的物理指標(biāo)進行確定時，可根據(jù)成樁方法與施工工藝查相關(guān)資料選取極限端阻力標(biāo)準值后按相關(guān)公式進行計算。

5.2 S～LogP曲線法。該方法的基本前提是:達到極限荷載時，樁側(cè)摩阻力已充分發(fā)揮，極限荷載后樁側(cè)摩阻力不再變化而成為常數(shù)。作圖方法時將S～LogP曲線陡降直線段向上延伸與橫坐標(biāo)相交，交點左段為總極限摩阻力，交點至極限荷載的距離即為極限端阻力，具體分析如圖1。

表3 地基土物理特性平均值統(tǒng)計表

圖3 單樁復(fù)合地基和單樁載荷試驗圖

表4 載荷試驗結(jié)果統(tǒng)計表

圖3 單樁復(fù)合地基和單樁載荷試驗圖

表4 載荷試驗結(jié)果統(tǒng)計表

6. 工程實例

6.1 工程實例1。某公司建生產(chǎn)基地，基礎(chǔ)占地面積約3500m2，是一個包括2～3層包裝車間、加工車間和辦公室等建筑的綜合性建筑群。

6.1.1 工程地質(zhì)條件。擬建場地屬滇池湖積盆地軟土，工程區(qū)內(nèi)所揭露地層為湖泊堆積物，以細粒粘性土為主，廣泛分布厚層淤泥質(zhì)粘土，主要地層特性如下：

①雜填土：松散或可～軟塑狀，厚0.8～2.4米，平均厚1.5米(施工區(qū)域已清除)。

②粘土：可～軟塑，中～高壓縮性，厚3.9～8.8米，平均厚4.1米。

②-1粉質(zhì)粘土：軟～流塑，高壓縮性，厚1.2～3.1米，平均厚1.8米，呈透鏡體狀分布。

③粉質(zhì)粘土：可～軟塑，中～高壓縮性，厚2.7～4.6米，平均厚3.9米。

④淤泥質(zhì)粘土：流塑，高孔隙比、高含水率、高壓縮性，局部含有機質(zhì)分布不均，平均31.37%，層厚1.1～2.0米，平均厚1.7米。

④-1粉土：密實～中密，厚1.1～2.3米，平均厚1.3米，呈透鏡體狀分布。

⑤粉質(zhì)粘土：可～軟塑，中壓縮性，厚3.1～4.8米，平均厚3.7米。

⑥粘土：可塑，中壓縮性，局部夾粉質(zhì)粘土，厚3.4～7.3米，平均厚6.0米。

6.1.2 地基處理設(shè)計。經(jīng)分析采用水泥土深攪樁進行地基處理。

（1）深攪樁樁徑500mm，樁長16～17m，樁長據(jù)地質(zhì)報告，單樁設(shè)計穿過④層，樁尖進入⑤層粉質(zhì)粘土或④-1層粉土1.0～1.5米。設(shè)計深攪樁單樁承載力130KN，復(fù)合地基承載力為140KPa；

（2）深攪固化劑采用P.S 42.5級水泥，水泥摻入量75Kg/m計量，水灰比0.5；

（3）據(jù)復(fù)合地基承載力要求，設(shè)計深攪樁置換率為20%，共設(shè)計樁樹1720棵，其中加工車間設(shè)計325棵。

6.1.3 施工成果。施工結(jié)束，重點對加工車間的地基處理效果進行檢測，復(fù)合地基和單樁荷載～沉降量(P～S曲線、S～LogP曲線)試驗成果如圖2及表2：經(jīng)水泥土攪拌樁進行地基處理后，試驗結(jié)果表明，單樁及單樁復(fù)合地基極限承載力值均達到設(shè)計值要求。

6.2 工程實例2。某廠建造職工住宅樓，場地總面積9454m2，建筑占地面積2403m2，擬建8棟高度23.2m、六躍七層的邊排矩形樓房，其中3#～8#棟采用管樁基礎(chǔ)，1#、2#棟采用鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁進行地基處理。

6.2.1 地質(zhì)條件。擬建場地地層為古滇池湖相沉積，主要地層特性如下：

①雜填土：松散或可～軟塑狀。厚2.1～5.3米，平均厚3.48米。

②粘土：可～軟塑，中～高壓縮性，厚3.9～8.8米，平均厚6.1米。

②-1粉土：稍密～中密，中壓縮性，層厚0.5～1.1米，平均厚0.66米。

③粘土：可塑，中～高壓縮性，含粉土、泥炭質(zhì)土薄層，厚3.8～6.9米，平均厚4.2米。

③-1粉質(zhì)粘土：可～硬塑，中壓縮性。厚0.7～3.6米，平均厚1.9米。

③-2礫砂：稍密狀態(tài)。粒徑0.5～1.5cm，次圓狀，砂泥質(zhì)充填，＞2mm粒級含量平均30.5%。層厚0.5～1.2米，平均厚0.79米。

④淤泥質(zhì)粘土：深灰色，流塑，高孔隙比、高含水率、高壓縮性，局部含有機質(zhì)，層厚1.8～3.6米，平均厚2.1米。

⑤粉質(zhì)粘土：可～軟塑，中壓縮性，厚5.1～7.8米，平均厚6.7米。

⑥粘土：可塑，高壓縮性，局部夾粉質(zhì)粘土，厚3.4～8.1米，平均厚6.1米。

6.2.2 地基處理設(shè)計。經(jīng)分析采用鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁進行地基處理。

（1）深攪樁樁徑Φ500mm，樁長16～17m，樁長據(jù)地質(zhì)報告，樁端穿過④層淤泥質(zhì)粘土進入⑤層。設(shè)計深攪樁單樁承載力120KN，復(fù)合地基承載力為180KPa；

（2）深攪樁上部樁長11m內(nèi)壓入200×200mm C30鋼筋混凝土預(yù)制方樁。

（3）深攪固化劑采用P.S 32.5級水泥，水泥摻入量70Kg/m計量，水灰比0.5；

（4）根據(jù)復(fù)合地基承載力的要求，設(shè)計深攪樁置換率為18%，1#棟設(shè)計296棵，2#棟設(shè)計473棵，3#棟設(shè)計472棵。

6.2.3 載荷試驗。施工結(jié)束，分別對各棟的地基處理效果進行檢測，復(fù)合地基和單樁荷載～沉降量(P～S曲線、S～LogP曲線)試驗成果如圖3及表4：

各棟單樁復(fù)合地基載荷試驗和單樁載荷試驗如表2：

經(jīng)水泥土復(fù)合樁進行地基處理后，試驗結(jié)果表明，各棟抽檢的單樁及單樁復(fù)合地基極限承載力值均達到設(shè)計值要求。

6.3 場地差異顯著性檢驗［4］。在進行水泥土攪拌樁和鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁處理地基效果對比之前，先對工程實例兩塊場地的地基土物理特性進行差異顯著性判別。根據(jù)概率與數(shù)理統(tǒng)計有關(guān)知識，均對各土層相關(guān)物理力學(xué)性能指標(biāo)及其平均值在正態(tài)概率紙上投點連線，各點離直線偏差都不大，判定其數(shù)據(jù)分布規(guī)律呈正態(tài)分布，選用t檢驗法進行兩塊場地的地基土差異顯著性判別。

學(xué)生氏t分布函數(shù)表達式為：

P{∣t∣＞tp}=2∫+∞pSv(x)dx

tp值計算式為：

tp=n1n2n1+n2(n1+n2-2)×x1-x1n1S21+n2S22

t檢驗的計算結(jié)果如表5：

經(jīng)計算，求出各項目指標(biāo)的tp值，查“t分布函數(shù)對應(yīng)于v和p的tp數(shù)值表”，得到各項目指標(biāo)的t值如上表?？梢妜1與 x2之差出于抽樣誤差（土質(zhì)不均、試驗誤差）的機會并不很大。這兩塊場地土各項目指標(biāo)的差異性不太顯著，有可能來自于相同成因的土層單元，可比性比較強，可進行相關(guān)項的比較。

6.4 對比分析

6.4.1 地層及特征值對比。場地1和場地2其成因同屬古滇池湖積盆地軟土，工程區(qū)內(nèi)所揭露地層為湖泊堆積物，地基土物理特性差異性不太顯著，有可能來自于相同成因的土層單元，天然地基土均不能滿足設(shè)計所需的強度和變形要求，地基均進行了處理，處理樁直徑均為Φ500mm，深攪樁單樁承載力設(shè)計值120KN～130KN，復(fù)合地基承載力設(shè)計值140KPa～180KPa。

進行地基處理后經(jīng)檢測，各棟抽檢的單樁及單樁復(fù)合地基極限承載力值均達到設(shè)計值要求，對比結(jié)果如下：

單樁承載力設(shè)計比值為1:1.08，實際比值（132.9KN～186.3KN）：144，即（0.92～1.29）：1；復(fù)合地基承載力設(shè)計比值為1：1.29， 實際比值（152.7KPa～203.7KPa）：144，即（0.71～0.94）：1；安全系數(shù)比值為1:1.33。綜上對比所述，鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁處理地基效果比水泥土攪拌樁處理地基效果明顯，單樁和單樁復(fù)合地基承載力均得到提高，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，芯樁分擔(dān)了大部分載荷。

6.4.2 等同載荷下的沉降量對比。靜載荷試驗顯示，場地1單樁極限載荷值為199.4KN～279.5KN，沉降值為15.35mm～35.64mm；單樁復(fù)合樁極限載荷值為229.0KPa～305.6KPa，沉降值為19.11mm～31.33mm。場地2單樁極限載荷值為288.0KN，沉降值為24.69mm～39.30mm；單樁復(fù)合樁極限載荷值為432.0KPa，沉降值為25.90mm～32.50mm。場地1與場地2相比，與場地1等值的極限載荷壓力下，場地2單樁沉降值僅為13.66mm～22.22mm，其比值為1:(0.89～0.62)，單樁復(fù)合樁沉降值僅為7.41mm～10.62mm，其比值為1:(0.39～0.34)。綜上對比所述，在等同載荷下，鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁沉降量明顯比水泥土攪拌樁的沉降量小得多，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復(fù)合地基土的綜合彈性模量得到大大改觀，沉降得到明顯的控制。

表6 S～LogP曲線法確定的樁側(cè)極限摩阻力及樁端極限端承力

6.4.3 樁側(cè)極限摩阻力及樁端極限端承力對比

從靜載荷試驗S～LogP曲線可分析得知:

(1)場地1單樁極限摩阻力值為178.2KPa～261.4KPa，占極限載荷值的89.4%～95.5%，樁端極限端阻力值為9.0KPa～21.2KPa，占極限載荷值的4.5%～10.6%；單樁復(fù)合樁極限摩阻力值為209.7KPa～216.4KPa，占極限載荷值的91.6%～95.7%，樁端極限端阻力值為12.6KPa～19.3KPa，占極限載荷值的4.3%～8.4%。

(2)場地2單樁極限摩阻力值為259.9KPa～263.3KPa，占極限載荷值的90.2%～91.4%，樁端極限端阻力值為24.7KPa～27.7KPa，占極限載荷值的8.6%～9.6%；單樁復(fù)合樁極限摩阻力值為392.7KPa～401.0KPa，占極限載荷值的90.9%～92.8%，樁端極限端阻力值為31.0KPa～39.3KPa，占極限載荷值的7.2%～9.1%。

當(dāng)載荷值增加時，摩阻力由滑動摩擦逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦，摩阻力增量越來越小而趨于穩(wěn)定，達到樁側(cè)極限荷載時，樁側(cè)摩阻力已充分發(fā)揮而近似成為常數(shù)，端阻力開始發(fā)展，樁端土體受壓產(chǎn)生壓縮變形，達到樁端極限荷載時，樁身沉降量突然加大，樁頂沉降加速，滿足規(guī)范要求而終止靜載荷試驗。

場地2與場地1相比，其單樁極限摩阻力比值為1:(0.69～0.99)，單樁極限端阻力比值為1:(0.36～0.77)；單樁復(fù)合樁極限摩阻力比值為1:(0.53～0.54)，單樁復(fù)合樁極限端阻力比值為1:(0.41～0.49)。綜上對比所述，鋼筋砼加芯水泥土復(fù)合樁單樁極限摩阻力和單樁極限端阻力明顯比水泥土攪拌樁的相關(guān)阻力值大得多，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復(fù)合地基土的綜合彈性模量和綜合樁身應(yīng)變得到顯著性的改善，側(cè)摩阻和端阻都大大提高。

7. 結(jié)束語

（1）水泥土攪拌樁存在的不足之處是單樁承載力相對低，影響成樁質(zhì)量的主要因素較多，有的無法人為控制，施工質(zhì)量較難控制，而鋼筋砼加芯樁由于莖芯的存在，克服了水泥土攪拌樁質(zhì)量不穩(wěn)定，承載力相對較低的的弱點。

（2）鋼筋砼加芯樁將上部荷載傳遞面積由原攪拌樁橫斷面擴大到整個加芯樁側(cè)表面和樁端面之和，降低了樁頂水泥土端面的單位壓力，從而提高了水泥土攪拌樁的承載力。

（3）在水泥攪拌樁內(nèi)加入鋼筋砼芯后，攪拌樁上分配的載荷將由芯樁和攪拌樁共同協(xié)調(diào)變形，共同分擔(dān)，而鋼筋砼加芯樁承載大部分荷載。

（4）常用砼預(yù)制樁的砼彈性模量是水泥攪拌樁的壓縮模量值的2～3個數(shù)量極，這是水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后承載力大幅上升的主要原因之一。

（5）在等同載荷下，水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復(fù)合地基土的綜合彈性模量得到大大改觀，沉降得到明顯的控制。

（6）水泥攪拌樁中加入鋼筋砼樁后，復(fù)合地基土的綜合彈性模量和綜合樁身應(yīng)變得到顯著性的改善，側(cè)摩阻和端阻都大大提高。

參考文獻

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