夯實水泥土樁復合地基有效樁長與樁身強度關系試驗研究

佟建興 ，閆明禮 ，孫訓海 ，楊新輝 ，王明山

（1. 中國建筑科學研究院 地基基礎研究所，北京 100013；2. 中國建筑科學研究院 建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 100013）

1 前 言

夯實水泥土樁法是20世紀90年代初期，中國建筑科學研究院地基基礎研究所在北京等地舊城區危改小區工程中開發出的地基處理技術，該方法具有施工工藝簡單、周期短、造價低、施工文明、質量容易控制等優點，已在北京、河北、天津、內蒙古等我國北方多個省市自治區廣泛應用，產生了巨大的經濟效益、社會效益和環境效益[1－4]。

夯實水泥土樁采用人工或機械成孔，選用相對單一的土質材料，與水泥按一定配合比，在孔外充分拌合均勻制成水泥土混合料，分層向孔內回填并強力夯實，制成均勻的水泥土樁[3]。一般取水泥和土的體積比為 1:5～1:8，樁身強度約為 3.0～6.0 MPa，處理深度不宜超過10 m。夯實水泥土樁復合地基傳遞豎向荷載的能力同樁身強度密切相關，強度越大，樁體傳遞垂直荷載的能力越強。給定樁身強度下，夯實水泥土樁復合地基存在有效樁長或有效復合土層厚度。

通過室內模型試驗，實測得出本次試驗條件下，不同樁長、不同樁身強度夯實水泥土樁復合地基的樁、土承載及變形性狀，研究探討了夯實水泥土樁復合地基的有效樁長與樁身強度關系問題。

2 試驗內容

模型試驗地點為中國建筑科學研究院地基基礎研究所模型試驗室，在人工填土地基中進行。試坑挖至-3.0 m原狀土層，回填土采用黏質粉土，過篩分層回填并用木夯夯實，控制含水率為17%，按每層虛鋪15 cm，夯實至10 cm控制。取原狀土和回填土做試驗。土的物理力學指標見表1。

夯實水泥土樁模型試驗包括5個單樁復合地基載荷試驗和 5個單樁載荷試驗，試驗編號為 1#～10#試驗。夯實水泥土樁樁徑為150 mm，樁長分別為1.5、2.5、3.5 m，樁身材料為攪拌均勻的水泥土拌合料，水泥標號為P.O32.5。土為黏質粉土，含水率按約17%控制。樁身水泥土配合比為體積比，分別采用水泥、土體積比為1:4、1:15和1:30 三種配合比。模型樁采用洛陽鏟成孔，分層回填水泥土拌合料并用夯錘夯實成樁。夯錘重量為 15 kg，落距為 0.6 m。填料前，清底夯實，分層回填厚度為20 cm，每層夯實擊數按30擊控制。模型樁養護齡期為70 d。

褥墊層厚8 cm，材料為中砂，過篩后以相同落距落下，虛鋪10 cm，攤平并夯實至8 cm。承壓板就位，挖槽鋪設形成側限條件，鋪設面積與承壓板面積相同。單樁復合地基承壓板尺寸（長×寬×高）為525 mm×525 mm×200 mm。

采用擊實儀分別按水泥土質量比和體積比制作水泥土試塊，試塊為直徑62.5 mm、高125 mm的圓柱體。水泥土質量比試塊為標準養護，養護齡期為 37 d，水泥土體積比試塊為與模型樁同條件養護，養護齡期為70 d。采用壓力盒量測復合地基樁頂及樁間土應力，壓力盒平面布置見圖1。

圖1 壓力盒平面布置（單位：mm）Fig.1 Pressure box plane layout(unit: mm)

采用剛性變形深標量測樁間土變形，樁間土變形標埋設深度分別為0、-0.5、-1.5、-2.5、-3.5 m，樁頂標放置于樁頂表面，剛性變形標平面布置如圖2所示。

先對天然地基和各單樁逐一進行加載，直至破壞，最后進行單樁復合地基載荷試驗,載荷試驗內容見表2。

圖2 變形標平面布置（單位：mm）Fig.2 Deformation standard plane layout(unit: mm)

表2 載荷試驗內容Table2 The programme of load tests

3 試驗結果分析

3.1 樁身強度及水泥土的變形破壞形式

表3為本次試驗標準養護條件下水泥土試塊無側限抗壓強度，齡期37 d。由表可以看出，其他條件相同時，水泥土無側限抗壓強度隨水泥摻入量的增加而增大；水泥土質量比為 1:20～1:4時，水泥土無側限抗壓強度為2.22～6.68 MPa。

圖3為水泥土試塊進行無側限抗壓強度試驗后破壞照片。在豎向荷載作用下，水泥土試塊發生壓縮變形，產生斜向或豎向裂紋，當施加荷載接近試塊屈服荷載時，水泥土試塊出現與施加荷載方向一致的張裂縫，隨著張裂縫的擴展，試塊很快劈裂破壞。

表4為同條件養護水泥土試塊無側限抗壓強度和荷載水平達到單樁極限承載力時實測樁頂應力。可以看出，當荷載水平達到單樁極限承載力時，實測樁頂應力與同條件試塊無側限抗壓強度基本相當，樁身產生壓縮變形，直至樁身屈服，樁體發生豎向劈裂破壞，劈裂縫主要發生在樁身上端，沿樁身向下逐漸減小消失，如圖4所示。

綜上所述，與散體樁如碎石樁比較，夯實水泥土樁樁身具有中等黏結強度，不依靠樁周土的側向約束，可以獨立成樁。與剛性樁如CFG樁比較，夯實水泥土樁屬半剛性樁，樁身強度較低。在豎向荷載作用下，夯實水泥土樁單樁破壞時主要為壓曲破壞和刺入破壞兩種形式，發生整體剪切破壞的可能性不大。

表3 標準養護條件下水泥土試塊無側限抗壓強度Table3 The standard curing condition of soil-cement unconfined compressive strength

圖3 夯實水泥土試塊受壓劈裂破壞Fig.3 Rammed soil-cement compression splitting failure

表4 水泥土試塊無側限抗壓強度及夯實水泥土樁樁頂應力Table4 Unconfined compressive strength of cement soil and pile top stress of rammed soil-cement pile

圖4 夯實水泥土樁受壓劈裂破壞Fig.4 Rammed soil-cement pile compression splitting failure

給定樁身強度和樁長，當由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力大于由樁身強度確定的單樁承載力時，夯實水泥土樁單樁或復合地基破壞，表現為壓曲破壞，即樁身劈裂破壞或樁身壓縮量過大；當由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力小于由樁身強度確定的單樁承載力時，夯實水泥土樁單樁或復合地基破壞，表現為刺入破壞，即樁端刺入下臥層造成變形過大導致破壞。因此，夯實水泥土樁復合地基的樁體設計應以樁身強度控制。

3.2 單樁載荷試驗對比分析

試驗測得天然地基承載力特征值fak= 110 kPa,夯實水泥土樁單樁荷載-沉降(Q-s)曲線如圖5所示，單樁承載力特征值見表5。由圖5和表5可以看出，樁身水泥土配合比為1:4，樁長由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m時，單樁承載力特征值增大，樁長2.5 m和3.5 m的單樁承載力特征值相當，即給定樁身強度下，夯實水泥土樁單樁承載力隨樁長增加而增大，達到某一樁長后（對應給定樁身強度的有效樁長），承載力不再繼續增大；樁長同為2.5 m，樁身水泥土配比由1:4降低為1:15、1:30時，單樁承載力特征值減小，即給定樁長下，夯實水泥土樁單樁承載力隨樁身強度降低而降低。

圖5 單樁Q-s曲線Fig.5 Q-s curves of a single pile

表5 單樁承載力特征值Table5 The bearing capacity characteristic values of single pile

3.3 夯實水泥土樁復合地基載荷試驗對比分析

夯實水泥土樁單樁復合地基荷載-沉降(Q-s)曲線如圖6所示，按照相對變形值s/b = 0.01確定復合地基承載力特征值見表 6。由圖表可以看出，樁身水泥土配合比為1:4，樁長由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m時，復合地基承載力特征值增大，樁長2.5 m和3.5 m的復合地基承載力特征值相當，即給定樁身強度 下，夯實水泥土樁復合地基承載力隨樁長增加而增大，達到某一樁長后（對應給定樁身強度的有效樁長），承載力不再繼續增大。樁長同為2.5 m，樁身水泥土配比由1:4降低為1:15、1:30時，復合地基承載力特征值減小，即給定樁長下，夯實水泥土樁復合地基承載力隨樁身強度降低而降低。

圖6 復合地基p-s曲線Fig.6 p-s curves of composite foundation

表6 復合地基承載力特征值Table6 The bearing capacity characteristic values of composite foundation

3.4 樁、土應力比和荷載分擔比對比分析

圖7為夯實水泥土樁復合地基中樁、土荷載分擔比對比曲線，夯實水泥土樁復合地基達到其承載力特征值時（s/b = 0.01）樁土應力比及荷載分擔比見表7，圖8為夯實水泥土樁復合地基中樁土應力比對比曲線。由圖7、8及表7可以看出，樁身水泥土配合比為1:4時，樁長由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m，同一荷載水平下，樁土應力比、樁荷載分擔比隨樁長增加而增大，土荷載分擔比降低；荷載水平達到復合地基承載力特征值時，樁長分別為2.5 m和3.5 m的夯實水泥土樁復合地基的樁土應力比、樁荷載分擔比、土荷載分擔比基本相當。

圖7 樁土荷載分擔比對比曲線Fig.7 Pile-soil load sharing ratio curves

表7 樁土荷載分擔比及樁土應力比Table7 Pile-soil load sharing ratio and pile-soil stress ratio

樁長同為2.5 m時，樁身水泥土配合比由1:4降低為1:15、1:30，同一荷載水平下，樁土應力比、樁荷載分擔比隨樁身強度降低而顯著減小，土荷載分擔比顯著增大；荷載水平達到復合地基承載力特征值時，樁身水泥土配合比分別為1:15和1:30的夯實水泥土樁復合地基的樁土應力比、樁荷載分擔比、土荷載分擔比基本相當，樁土應力比和樁荷載分擔比明顯低于樁身水泥土配合比為1:4的夯實水泥土樁復合地基。

圖8 樁土應力比曲線Fig.8 Pile-soil stress ratio curves

3.5 復合地基變形對比分析

圖9為荷載p = 315 kPa時夯實水泥土樁復合地基中樁間土的深層變形對比曲線，圖10、11為荷載水平（p = 300～320 kPa）相當時夯實水泥土樁復合地基中樁間土的深層變形等值線圖。由樁間土的深層變形對比曲線和變形場等值線圖可以看出，各荷載水平下，1～5#試驗的變形區均主要集中在2.5 m深度范圍內，即4.76倍基礎寬度或16.7倍樁徑范圍內。

圖9 夯實水泥土樁復合地基深層變形對比曲線Fig.9 Comparison of deformation in the deep soil of rammed soil-cement pile composite foundation

圖10 樁身強度相同、樁長不同夯實水泥土樁復合地基變形等值線（單位：mm）Fig.10 Deformation contour maps of rammed soil-cement pile composite foundation with same pile strength and the different pile lengths(unit: mm)

圖11 樁長相同、樁身強度不同夯實水泥土樁復合地基變形等值線（單位：mm）Fig.11 Deformation contour maps of rammed soil-cement pile composite foundation with the same pile length and different pile strengths(unit: mm)

荷載水平相當下，當樁身水泥土配合比為1：4時，相同深度位置處的變形量，1#試驗高于2#、3#試驗，而2#和3#試驗的變形量則相差不大，即夯實水泥土樁樁長由1.5 m增加至2.5 m，復合土層厚度增加，變形量降低；當夯實水泥土樁樁長繼續增加，由2.5 m增加至3.5 m后，盡管復合土層厚度相應增加，但對減小變形量效果不明顯。荷載水平相當下，當樁長同為2.5 m時，相同深度位置處的變形量，5#試驗最大，4#試驗次之，2#試驗最小。即夯實水泥土樁樁身水泥土配合比由1:30、1:15增加至1:4，樁身強度相應增加，變形量降低，對減小變形量效果明顯。

4 結 論

（1）給定樁身強度下，夯實水泥土樁單樁和復合地基承載力隨樁長增加而增大，達到某一樁長后，繼續增加樁長，承載力提高幅度不大，減小變形量效果不明顯。

（2）給定樁長下，隨著樁身強度的提高，夯實水泥土樁單樁和復合地基承載力增大，變形量降低。

（3）夯實水泥土樁復合地基樁身強度同有效樁長存在相關關系。給定樁身強度下，對應某一樁長，當由樁身強度確定的單樁承載力小于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力，繼續增加樁長，對提高單樁及復合地基承載力、減小變形量效果不明顯，該樁長即為給定樁身強度下夯實水泥土樁的有效樁長，對應土層厚度即為給定樁身強度下夯實水泥土樁復合地基的有效復合土層厚度。

（4）在實際工程中，夯實水泥土樁單樁承載力特征值、復合地基承載力特征值應按現場載荷試驗確定，初步設計按規范公式估算時應考慮樁身強度對承載力的影響，樁體設計應以樁身強度控制，應使由樁身強度確定的單樁承載力大于（或等于）由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力。

[1]中國建筑科學研究院. 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

[2]閆明禮,滕延京,梁軍,等. 夯實水泥土樁復合地基試驗研究[R]. 北京: 中國建筑科學研究院地基基礎研究所,河北省建筑科學研究院,1995.

[3]閆明禮,張東剛. CFG樁復合地基技術及工程實踐（第二版）[M]. 北京: 中國水利水電出版社,2006.

[4]張振栓,王占雷,楊志紅,等. 夯實水泥土樁復合地基技術新進展[M]. 北京: 中國建材工業出版社,2007.