砼芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)研究

趙文政

摘 要：針對(duì)砼芯水泥土攪拌樁處理深厚軟土地基的工程實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果，研究了砼芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基的荷載傳遞規(guī)律、側(cè)摩阻力分布特點(diǎn)和樁土應(yīng)力比。測(cè)試結(jié)果表明：復(fù)合地基的上部荷載主要由砼芯承擔(dān)，隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→樁周土體擴(kuò)散；施工過程中砼芯擠入改良了攪拌樁與土體間的接觸性質(zhì)，使得攪拌樁外殼與土體間的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦的水泥攪拌樁側(cè)摩阻力計(jì)算值；砼芯與攪拌樁外殼之間接觸緊密，保證了荷載的向外地有效擴(kuò)散；復(fù)合地基中樁土共同受力，能夠同步發(fā)揮承載力。最后提出了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：砼芯水泥攪拌樁；復(fù)合地基；荷載傳遞；承載力

Abstract： The load transfer mechanism， character of side friction distribution and pile-soil stress ratio of composite ground with concrete-cored DCM pile were researched by load test according to the engineering example for deep soft soil reinforced by concrete-cored DCM pile. The results indicate that the upper load is borne mainly by concrete-cored and transfer through concrete-cored→DCM pile→ soil with the load increasing. Not only the bearing capacity of surrounding soil but also the side friction are improved with the insertion of concrete-cored. The load transfer can be guaranteed by the high side friction between the concrete-cored and DCM pile. The bearing capacity of surrounding soil and concrete-cored DCM pile is played at the same time. Finally， the calculation formula of bearing capacity of composite ground with concrete-cored DCM pile is proposed.

Keywords： concrete-cored DCM pile ；composite ground ； load transfer ；bearing capacity

引言

隨著我國(guó)高等級(jí)公路、鐵路以及機(jī)場(chǎng)的大力建設(shè)，解決軟土承載力不足以及沉降過大的問題十分緊迫。在各種地基處理技術(shù)中，復(fù)合地基以其工藝簡(jiǎn)單、施工方便、加固效果好等優(yōu)勢(shì)，在地基處理中得到了廣泛應(yīng)用[1]。在形成復(fù)合地基的各種樁型中：水泥土攪拌樁的樁身材料強(qiáng)度低，達(dá)到承載力極限時(shí)一般在樁身上部發(fā)生破壞，沉降量也可觀[2]；而現(xiàn)澆薄壁管樁[3]以及廣泛使用的灌注樁[4]，在達(dá)到極限荷載時(shí)樁周土體首先發(fā)生剪切破壞，而此時(shí)樁體強(qiáng)度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮，造成材料浪費(fèi)。

砼芯水泥攪拌樁采用高彈模的預(yù)制砼芯作為受力核心，大表面積的水泥土攪拌樁外殼提供側(cè)摩阻力，結(jié)合了剛性樁和柔性樁的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供較高的承載力并有效減少沉降[5]。董平[5-6]等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元模擬，分析了砼芯水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律，并將單樁破壞模式分為砼芯壓裂和樁周土體剪切破壞兩種，提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。陳穎輝等[7]根據(jù)靜載試驗(yàn)研究了含芯率和芯長(zhǎng)比對(duì)承載力的影響，將單樁破壞分為漸進(jìn)型和急進(jìn)型兩種類型，并提出了相應(yīng)的單樁承載力計(jì)算公式。丁永君等[8]通過單樁靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砼芯水泥攪拌樁的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)大于水泥攪拌樁和鉆孔灌注樁，有利于單樁承載力的提高。

現(xiàn)有的關(guān)于砼芯水泥攪拌樁的研究資料主要集中在單樁承載力方面，對(duì)于砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基承載性質(zhì)研究較少，對(duì)其承載力機(jī)理的認(rèn)識(shí)并不清楚。本文結(jié)合復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，進(jìn)行了砼芯荷載傳遞規(guī)律、側(cè)摩阻力分布特點(diǎn)以及樁土應(yīng)力比測(cè)試。最后給出了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式。

1.工程概況

某繞城公路沿線穿越深厚軟土分布段，在里程樁號(hào)K9+260～K9+310段路基中心處打設(shè)三根試驗(yàn)樁。其主要地層分述如下：① 0～1.6m：粘土，灰黃色，濕，可塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及其浸染，雜藍(lán)灰色條紋。②1.6～3.1m：粉質(zhì)粘土，灰色，濕，可塑。③3.1～5.9m：粉質(zhì)粘土，灰色，濕，流塑，混粉土，含云母碎片。④5.9～12.7m：淤泥質(zhì)粘土，灰色，濕，流塑，含腐殖質(zhì)和泥質(zhì)結(jié)核，粒徑2-3cm。⑤12.7～19.9m：粘土，灰色，濕，軟塑，含腐殖質(zhì)。⑥19.9～23.6m：粉質(zhì)粘土，灰色，濕，可塑，土質(zhì)均勻。

試驗(yàn)區(qū)域土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）確定砼芯水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基的豎向抗壓極限承載力，研究承載力形成機(jī)理。

（2）確定不同荷載水平下地表土體、攪拌樁外殼與芯樁的荷載分布規(guī)，研究砼芯水泥土攪拌樁的沉降控制機(jī)理。

（3）研究砼芯水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基豎向荷載傳遞規(guī)律。

2.2 試驗(yàn)區(qū)域布置

試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)1.4m的正方形混凝土荷載板，水泥攪拌樁直徑500mm，樁長(zhǎng)20m，水泥摻量為15%。砼芯為樁徑200mm的預(yù)制方樁，樁長(zhǎng)9m，采用4Φ14配筋和C30水泥。

將相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間作為一個(gè)樁段計(jì)算側(cè)摩阻力，以每個(gè)計(jì)算樁段的平均側(cè)摩阻力作為該樁段中點(diǎn)的側(cè)摩阻力值，將相鄰樁段中點(diǎn)的側(cè)摩阻力順次連接[9]，換算得出砼芯與水泥土攪拌樁外殼之間的側(cè)摩阻力如圖5所示。側(cè)摩阻力分布規(guī)律比較復(fù)雜，這與地基處理后各地層的水泥土強(qiáng)度不同有關(guān)。砼芯頂端側(cè)摩阻力發(fā)揮最快，說明頂端樁體首先達(dá)到塑性，隨著荷載的增加，塑性區(qū)擴(kuò)展從而導(dǎo)致復(fù)合地基破壞。

由圖5還可看出，水泥土攪拌樁外殼對(duì)砼芯的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于原狀軟土的極限側(cè)摩阻力，這有效保證了砼芯應(yīng)力向外地有效擴(kuò)散，使得砼芯和水泥土外殼之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)刺入而破壞。

圖4 砼芯軸力隨深度變化曲線

圖5 攪拌樁外殼與砼芯間的側(cè)摩阻力

根據(jù)砼芯與水泥土攪拌樁的側(cè)摩阻力，忽略水泥土的軸向力[8]，可以換算出水泥土攪拌樁與樁周土間的側(cè)摩阻力：

（3）

式中：qs為砼芯與攪拌樁外殼間的側(cè)摩阻力；q為攪拌樁外殼與土體間的側(cè)摩阻力；U砼芯和U攪拌樁分別為砼芯和攪拌樁外殼的周長(zhǎng)。

圖6為三根試樁達(dá)到表2所統(tǒng)計(jì)的復(fù)合地基承載力特征值時(shí)樁土之間的側(cè)摩阻力沿深度分布圖。如圖所示，由于砼芯的插入，改良了攪拌樁外殼與樁周土的接觸性質(zhì)，樁土界面的側(cè)

摩阻力大于規(guī)范推薦的普通水泥土攪拌樁的側(cè)摩阻力特征值[10]。在進(jìn)行砼芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算時(shí)，砼芯插入范圍內(nèi)樁土間的側(cè)摩阻力特征值可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果取以下建議值：粘性土25～30kPa，粉性土20～25kPa，淤泥質(zhì)土15～20kPa，淤泥土10～15 kPa。

3.3 荷載分布規(guī)律

砼芯水泥土攪拌樁樁體由砼芯和水泥土攪拌樁兩部分組成，將砼芯水泥土攪拌樁的整體平均應(yīng)力與樁周土應(yīng)力的比值定義為樁土應(yīng)力比：

（4）

式中：σ砼，σ攪拌樁以及σ樁周土分別為砼芯，水泥土攪拌樁外殼以及樁周土的豎向應(yīng)力。S砼和S攪拌樁分別為砼芯和水泥土攪拌樁的截面積。如圖7所示，在加荷水平初期，樁土應(yīng)力比隨著荷載水平的增加而增加，峰值能達(dá)到75～105，樁體是主要承載體。當(dāng)超過峰值以后，隨著荷載水平的增加，樁土應(yīng)力比逐漸減小，最后穩(wěn)定在20左右，樁體和樁周土協(xié)調(diào)受力，

5.結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工期監(jiān)測(cè)以及單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，研究了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載特性以及承載力機(jī)理，并提出了砼芯水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力計(jì)算方法，主要結(jié)論如下：

（1）砼芯水泥土攪拌樁能有效控制沉降，在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)沉降不到樁徑的1%。在剛性基礎(chǔ)下，復(fù)合地基的上部荷載仍然主要由砼芯承擔(dān)，并隨著荷載的增加由砼芯→水泥土攪拌樁外殼→土體進(jìn)行擴(kuò)散。

（2）承載力機(jī)理為：施工過程中砼芯擠入提高了樁周土體的天然承載力，改良了攪拌樁與土體間的接觸性質(zhì)，使得攪拌樁外殼與土體間的側(cè)摩阻力要遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦的水泥攪拌樁側(cè)摩阻力計(jì)算值；砼芯與攪拌樁外殼之間接觸緊密，保證了荷載的向外地有效擴(kuò)散；復(fù)合地基中樁土共同受力，能夠同步發(fā)揮各自的承載力。

參考文獻(xiàn)

[1] 聞世強(qiáng)、陳育民、丁選明，左威龍路堤下漿固碎石樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（5）：1559-1563. WEN Shi-qiang， CHEN Yu-min， DING Xuan-ming， ZUO Wei-long Application of grouted gravel pile in soft subgrade improvement of expressway [J]，Rock and Soil Mechanics，2010，31（5）：1559-1563（in Chinese）.

[2] 段繼偉、龔曉南、曾國(guó)熙.水泥土攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1994.16（4）：1-8.DUAN Ji-wei，GONG Xiao-nan，ZENG Guo-xi. Load Transfer of Cement-soil Mixing Pile[J]，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16（4）：1-8（in Chinese）.

[3] 費(fèi)康、劉漢龍、高玉峰、豐土根. 現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁的荷載傳遞規(guī)律[J]. 巖土力學(xué)，2004，25（5）：764-768.FEI Kang，LIU Han-long，GAO Yu-feng，F(xiàn)ENG Tu-gen. Load transfer mechanism for field pour concrete thin wall cased pile （PCC）[J]，Rock and Soil Mechanics，2004，25（5）：764-768（in Chinese）.

[4] 韓選江、徐炳鋒.復(fù)雜古沖溝場(chǎng)地人工挖孔樁的承載性狀[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（1）：77-82.HAN Xuan-jiang，XU Bing-feng. Study on the bearing capacity behavior of the excavated belled piles on the complicate old gully site[J]，Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（1）：77-82（in Chinese）.

[5] 董平、陳征宙、秦然.砼芯水泥土攪拌樁在軟土地基中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（2）：204-207.DONG Ping，CHEN Zheng-zhou，QIN Ran. Use of con-crete-cored DCM pile in soft ground [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering.2002.24（2）：204-207（in Chinese）.

[6] 董平、秦然、陳征宙.混凝土芯水泥土攪拌樁的有限元分析[J].巖土力學(xué)，2003，24（3）：344-348.DONG Ping，QIN Ran，CHEN Zheng-zhou. FEM study of concrete-cored DCM pile [J]. Rock and Soil Mechanics，2003.24（3）：344-348（in Chinese）.

[7] 陳穎輝、許晶菁、楊坤華、魯忠軍.加芯攪拌樁單樁承載力的分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2006.31（4）：58-64. CHEN Ying-hui.XU Jing-jing，YANG Kun-hua，LU Zhong-jun. Analysis on the Load Capacity of the Concrete-Cored DCM Pile [J]. Journal of Kunming University of Science and Technology （Science andTechnology），2006，31（4）：58-64：1-6（in Chinese）.

[8] 丁永君、李進(jìn)軍、劉峨、李輝. 勁性攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43（6）：530～536. DING Yong-jun，LI Jin-jun，LIU E，LI Hui. Load Transfer Mechanism of Reinforced Mixing Pile[J]. Journal of Tianjin University，2010，43（6）： 530-536（in Chinese）.

[9] 張偉麗、蔡健、林奕禧、黃良機(jī).水泥土攪拌樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（6）：116-121. ZHANG Wei-li ，CAI Jian，LIN Yi-xi，HUANG Liang-ji. Experimental study of the load transfer mechanism ofcement-soil pile composite foundation [J]. China Civil Engineering Journal，2010，43（6）： 116-121.

[10] JGJ79—91，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 董平、秦然、陳征宙.混凝土芯水泥土攪拌樁的有限元分析[J].巖土力學(xué)，2003，24（3）：344-348.DONG Ping，QIN Ran，CHEN Zheng-zhou. FEM study of concrete-cored DCM pile [J]. Rock and Soil Mechanics，2003.24（3）：344-348（in Chinese）.

[7] 陳穎輝、許晶菁、楊坤華、魯忠軍.加芯攪拌樁單樁承載力的分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2006.31（4）：58-64. CHEN Ying-hui.XU Jing-jing，YANG Kun-hua，LU Zhong-jun. Analysis on the Load Capacity of the Concrete-Cored DCM Pile [J]. Journal of Kunming University of Science and Technology （Science andTechnology），2006，31（4）：58-64：1-6（in Chinese）.

[8] 丁永君、李進(jìn)軍、劉峨、李輝. 勁性攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43（6）：530～536. DING Yong-jun，LI Jin-jun，LIU E，LI Hui. Load Transfer Mechanism of Reinforced Mixing Pile[J]. Journal of Tianjin University，2010，43（6）： 530-536（in Chinese）.

[9] 張偉麗、蔡健、林奕禧、黃良機(jī).水泥土攪拌樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（6）：116-121. ZHANG Wei-li ，CAI Jian，LIN Yi-xi，HUANG Liang-ji. Experimental study of the load transfer mechanism ofcement-soil pile composite foundation [J]. China Civil Engineering Journal，2010，43（6）： 116-121.

[10] JGJ79—91，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 董平、秦然、陳征宙.混凝土芯水泥土攪拌樁的有限元分析[J].巖土力學(xué)，2003，24（3）：344-348.DONG Ping，QIN Ran，CHEN Zheng-zhou. FEM study of concrete-cored DCM pile [J]. Rock and Soil Mechanics，2003.24（3）：344-348（in Chinese）.

[7] 陳穎輝、許晶菁、楊坤華、魯忠軍.加芯攪拌樁單樁承載力的分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2006.31（4）：58-64. CHEN Ying-hui.XU Jing-jing，YANG Kun-hua，LU Zhong-jun. Analysis on the Load Capacity of the Concrete-Cored DCM Pile [J]. Journal of Kunming University of Science and Technology （Science andTechnology），2006，31（4）：58-64：1-6（in Chinese）.

[8] 丁永君、李進(jìn)軍、劉峨、李輝. 勁性攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43（6）：530～536. DING Yong-jun，LI Jin-jun，LIU E，LI Hui. Load Transfer Mechanism of Reinforced Mixing Pile[J]. Journal of Tianjin University，2010，43（6）： 530-536（in Chinese）.

[9] 張偉麗、蔡健、林奕禧、黃良機(jī).水泥土攪拌樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（6）：116-121. ZHANG Wei-li ，CAI Jian，LIN Yi-xi，HUANG Liang-ji. Experimental study of the load transfer mechanism ofcement-soil pile composite foundation [J]. China Civil Engineering Journal，2010，43（6）： 116-121.

[10] JGJ79—91，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].