夯實水泥土樁復(fù)合地基的應(yīng)用和承載力分析

高笑娟，李躍輝，馬建軍，楊曉斌

（1.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471023；2.洛陽市建工樁基檢測有限公司，河南洛陽 471000）

夯實水泥土樁復(fù)合地基的應(yīng)用和承載力分析

高笑娟1，李躍輝1，馬建軍1，楊曉斌2

（1.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471023；2.洛陽市建工樁基檢測有限公司，河南洛陽 471000）

為了研究單樁承載力對復(fù)合地基承載力的影響，在洛陽地區(qū)某具有濕陷性的黃土地基中進(jìn)行了相關(guān)的靜載荷試驗。試驗結(jié)果顯示：當(dāng)單樁承載力低于要求值時，復(fù)合地基的承載力也可能滿足設(shè)計要求。說明復(fù)合地基承載力不僅受單樁承載力的影響，而且與樁周土層的性質(zhì)密切相關(guān)。在靜載荷試驗的基礎(chǔ)上，利用有限元方法分析了復(fù)合地基承載力的影響因素。分析結(jié)果表明：復(fù)合地基承載力受樁周土層參數(shù)影響較大，受樁身水泥土強(qiáng)度影響較小。因此，利用經(jīng)驗公式對復(fù)合地基承載力計算時，可以適當(dāng)降低對單樁承載力的要求而提高對樁周土層參數(shù)的要求。

夯實水泥土樁；復(fù)合地基；濕陷性黃土；承載力；水泥土強(qiáng)度

0 引言

在建筑業(yè)發(fā)展的過程中遇到的建筑地基復(fù)雜多樣，適合于不同地基土體的地基處理方法很多，其中夯實水泥土樁復(fù)合地基就是近些年來出現(xiàn)的一種相對新型的地基處理方法，適用于中國北方地下水位較低的地區(qū)。該方法將常用建筑材料水泥作為固化劑，采用人工或者機(jī)械的方法成孔之后，將水泥和土體按照一定的比例混合均勻，分層填入孔中并夯實形成有一定強(qiáng)度的水泥土樁體，與樁周土體和上部墊層一起形成復(fù)合地基以提高地基承載力［1］。夯實水泥土樁作為中等黏結(jié)強(qiáng)度樁，適用于地下水位以上淤泥質(zhì)土、素填土、粉土、粉質(zhì)黏土等地基加固［2－4］，特別是對于具有濕陷性的黃土地基，通過成樁過程中的擠密作用能夠消除黃土的濕陷性，取得比較經(jīng)濟(jì)的效果［5－6］。當(dāng)前，夯實水泥土樁已經(jīng)在北京、天津、河北、河南、青海、內(nèi)蒙古等省市自治區(qū)應(yīng)用［7］。

復(fù)合地基使用過程中，其承載力的確定一直是工程界普遍關(guān)注的問題。然而，當(dāng)前夯實水泥土樁復(fù)合地基的設(shè)計和承載力計算方法嚴(yán)重滯后于實踐的發(fā)展，夯實水泥土樁對地基的加固和承載力的提高機(jī)理尚不清楚［8－9］。工程技術(shù)人員對夯實水泥土樁復(fù)合地基的設(shè)計計算通常根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式，考慮單樁承載力、樁周土層承載力、面積置換率和擠密系數(shù)等因素來確定，取得了較好的效果。但是工程中也出現(xiàn)了一些問題，例如：對某些場地上夯實水泥土樁復(fù)合地基進(jìn)行的靜載荷試驗，發(fā)現(xiàn)雖然單樁承載力達(dá)不到設(shè)計要求值，而復(fù)合地基承載力卻滿足要求的現(xiàn)象，但是根據(jù)規(guī)范對單樁承載力的要求，還必須采取對單樁進(jìn)行加固處理的措施。由此可見，復(fù)合地基承載力的影響因素多，樁土的作用機(jī)理復(fù)雜，依據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗公式計算出的承載力可能會給工程帶來一些問題，有必要對其進(jìn)行專門深入的研究，以提高其合理性。本文根據(jù)洛陽某園區(qū)具有濕陷性黃土的復(fù)雜場地條件下夯實水泥土樁復(fù)合地基遇到的問題，結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了夯實水泥土樁單樁和復(fù)合地基承載力的相關(guān)因素，為工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

根據(jù)工程勘察的結(jié)果，擬建場地地形起伏較大，大致呈北低南高、西高東低之勢，地表呈臺階狀及斜坡分布，地層隨斜坡分布，層面坡度超過10%。根據(jù)野外鉆探、現(xiàn)場原位測試及室內(nèi)土工試驗成果進(jìn)行綜合分析，除局部表層分布填土外，地基土主要為第四紀(jì)沖（坡）、洪積作用形成的黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾黏土層。場地有掩埋的古沖溝，局部有空洞、墓坑及2～6 m高的陡坎，場地淺部墓坑分布較多，造成淺層地基土層分布不連續(xù)?？辈炱陂g，部分鉆孔內(nèi)見有地下水，水位隨地勢變化，但水量總體不大且水位不高。場地地下水及土對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。由《巖土工程勘察規(guī)范》［10］判定，該場地屬于中等復(fù)雜的建筑場地。對場地土的濕陷性指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》［11］，判定該場地屬于非自重濕陷性黃土場地，場地地基濕陷等級為Ⅰ級（輕微）。各層地基土的物理參數(shù)見表1。

表1 各層地基土的物理參數(shù)

園區(qū)內(nèi)擬建建筑類型有車庫、幼兒園、辦公樓、小高層住宅和高層住宅等，對地基承載力要求不一。結(jié)合場地特征、洛陽地區(qū)的施工方法、經(jīng)濟(jì)效益等多方面的因素，對獨立基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、復(fù)合載體夯擴(kuò)樁基礎(chǔ)、夯實水泥土樁復(fù)合地基等進(jìn)行綜合分析，最后確定多層框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑、小高層和高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)建筑采用夯實水泥土樁復(fù)合地基。對于樁持力層在地下水位附近的，采用夯實水泥土樁施工時，樁端夯實填料之前在樁底加入硬骨料夯底，確保樁底夯實。對于部分建筑基底懸空的，在夯實水泥土樁施工前清除表層虛填土，采用素土分層壓實回填到基底標(biāo)高以上，然后進(jìn)行夯實水泥土樁的施工。

2 夯實水泥土樁的設(shè)計和檢測

2.1 夯實水泥土樁復(fù)合地基設(shè)計

以2-1＃樓為例，該建筑地上5層、地下1層，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，要求復(fù)合地基承載力290 kPa以上。設(shè)計時夯實水泥土樁采用等邊三角形布樁，樁間距取2.2d（d為樁身直徑），設(shè)計樁長不小于8.5 m。根據(jù)擬建建筑物的巖土工程條件，以（5）粉質(zhì)黏土或（6）粉質(zhì)黏土層作為夯實水泥土樁的持力層。

規(guī)范規(guī)定，夯實水泥土樁初步設(shè)計時，復(fù)合地基的承載力特征值按以下公式計算：

單樁豎向承載力特征值Ra由下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；qpa、qsia分別為樁端阻力、樁側(cè)阻力特征值，kPa；Ap為樁底端橫截面面積，m2；up為樁身周邊長度，m；li為第i層土的厚度，m；m為置換率；β為樁間土承載力折減因數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

樁體試塊抗壓強(qiáng)度平均值應(yīng)滿足下式要求：

式中：fcu為樁體混合料試塊（邊長150 mm立方體）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度平均值（按4.50 MPa取值計算）。

結(jié)合式（2）和式（3），確定樁徑0.5 m、樁長8.5 m的夯實水泥土樁單樁豎向承載力特征值為290 kN。

對于復(fù)合地基的承載力，當(dāng)樁直徑為0.5 m，樁間距為1.10 m，按等邊三角形布樁計算置換率m＝0.187。當(dāng)樁身壓實效果及樁間土擠密效果滿足規(guī)范要求時，β取值為0.85，在樁身強(qiáng)度滿足要求的情況下，按式（1）估算，處理后的復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)373 kPa左右，滿足設(shè)計要求。

2.2 承載力檢測

圖1 復(fù)合地基載荷試驗示意圖

單樁載荷試驗采用壓重平臺反力裝置，堆載重物為預(yù)制混凝土塊。復(fù)合地基載荷試驗裝置由反力系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、觀測記錄系統(tǒng)3部分組成，堆載重物為預(yù)制混凝土試塊，如圖1所示。試驗采用直徑為1.26 m的圓形承壓板，壓板面積為1.25 m2。對于單樁和復(fù)合地基的載荷試驗標(biāo)準(zhǔn)分別按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［12］和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［3］的要求進(jìn)行。

在對單樁和復(fù)合地基進(jìn)行載荷試驗之前，對處理后的樁周土層性質(zhì)進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果顯示：土層被顯著擠密，樁周土層的壓縮模量值列在表1中，并且土層的濕陷性已經(jīng)消除。

單樁的靜載荷試驗隨機(jī)選取14根，約占本工程總樁數(shù)1 423根的1%，單樁復(fù)合地基試驗選取14個點，約占1%。靜載荷試驗結(jié)果表明：對于進(jìn)行靜載荷試驗的14根單樁，其中8根樁承載力滿足設(shè)計要求，6根樁承載力不滿足設(shè)計要求。不符合承載力要求的單樁為檢測總樁數(shù)的42.8%，并且14根試驗樁的極差已超過其平均值的30%。進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗的14個點，承載力均滿足工程要求。承載力不滿足要求的6根樁荷載-沉降曲線（P-s曲線）如圖2所示，限于篇幅，復(fù)合地基試驗的P-s曲線未列出。從圖2中曲線的發(fā)展情況來看，單樁的P-s曲線并未出現(xiàn)“陡降段”。除了473＃樁和607＃樁由于沉降不符合規(guī)范要求而未加載到極限值之外，其他4根樁均加載至設(shè)計極限荷載，只是沉降值超過規(guī)范要求。本工程中單樁的P-s曲線為“緩變型”，說明未發(fā)生文獻(xiàn)［13－14］中所說的樁身材料破壞，試驗后對部分單樁的開挖也證實了這個結(jié)論。根據(jù)當(dāng)前規(guī)范對單樁承載力的要求，對單樁進(jìn)行了加固補(bǔ)強(qiáng)。

圖2 失效樁的P-s曲線

由以上檢測結(jié)果可見：夯實水泥土樁單樁和其形成的復(fù)合地基在承載上存在差別。對單樁進(jìn)行載荷試驗時，樁頂直接承受上部荷載，樁身發(fā)生豎向位移和豎向壓縮變形；復(fù)合地基是單樁與其周圍的土層一起，通過上部褥墊層的協(xié)調(diào)共同承擔(dān)上部荷載。因此，復(fù)合地基承載力除了受單樁承載力影響之外，還應(yīng)與樁周土層的性質(zhì)和上部褥墊層的性質(zhì)密切相關(guān)。對于本工程中出現(xiàn)的問題，在洛陽地區(qū)其他工程中也出現(xiàn)過，說明復(fù)合地基承載力計算時單樁的作用需要重新考慮，或者在采用此類復(fù)合地基時，對單樁承載力的靜載荷試驗的要求有必要進(jìn)行深入探討。然而由于靜載荷試驗數(shù)據(jù)有限，還由于工程中的種種限制，不可能對每根失效單樁進(jìn)行開挖分析，因此，有必要采取有限元方法對夯實水泥土樁及其復(fù)合地基的承載力影響因素進(jìn)行規(guī)律性分析，找出其中影響大的因素，為工程設(shè)計提供參考。

3 單樁和復(fù)合地基承載性狀模擬分析

3.1 分析模型

本次分析采用商用有限元分析軟件ABAQUS，由于單樁和單樁復(fù)合地基幾何尺寸對稱，所受到的荷載也對稱，分析時對樁和復(fù)合地基均采用軸對稱模型，可以將三維問題轉(zhuǎn)化成二維問題，簡化分析過程。樁周土層的劃分以2-1＃樓6＃樁孔勘察的結(jié)果為例，樁周土層共分成6層，土層的參數(shù)取表1中實測的結(jié)果。樁側(cè)土的壓縮模量取單樁施工后擠密后的模量值。樁身和承壓板采取線彈性模型，樁周土層和墊層采用Mohr-Coulomb模型，該模型能更好地反映土和墊層這種散粒材料的工程特性［15］。對于墊層為了避免分析不收斂，對土的黏聚力取一個較小的數(shù)值而不是直接取為0。模型的底面固定豎向和水平方向的位移，兩側(cè)面約束水平方向位移。樁和周圍土層采用摩擦接觸，壓板和墊層、墊層和樁頂之間采用Tie接觸。

圖3 模擬曲線與實測曲線對比

為了驗證有限元分析的可靠性，對復(fù)合地基311＃點進(jìn)行模擬分析，圖3為模擬P-s曲線與實測曲線的對比。由圖3可知：模擬的結(jié)果與實測結(jié)果比較接近，基本上能夠反映復(fù)合地基的沉降發(fā)展過程，說明采用有限元分析法是可行的。

3.2 樁身強(qiáng)度對承載力的影響

為了研究樁身強(qiáng)度對單樁和復(fù)合地基承載力的影響程度和影響規(guī)律，樁身采用線彈性模型，影響樁身強(qiáng)度的因素僅為其彈性模量值，改變樁身的彈性模量進(jìn)行了3次分析，單樁樁頂?shù)腜-s曲線和單樁復(fù)合地基承壓板的P-s曲線見圖4和圖5。通過圖4和圖5的對比分析可知：對于單樁來說，其樁身剛度直接影響樁頂沉降量，樁身的彈性模量越大，樁身的壓縮變形越小，樁的承載力就越高，這和文獻(xiàn)［16］的研究結(jié)果是一致的。當(dāng)樁身彈性模量Ep分別為200 MPa、300 MPa和500 MPa時，在584 kN荷載作用下樁頂沉降量分別為13.18 mm、9.71 mm和6.56 mm。對于同樣單樁形成的復(fù)合地基，樁身彈性模量的改變也能影響到承壓板的沉降量，但是由于上部墊層的作用，這種影響要小得多。當(dāng)樁身彈性模量從200 MPa增加到300 MPa時，在584 kPa的荷載下，承壓板的沉降量從17.8 mm減小到16.7 mm；而當(dāng)樁身彈性模量繼續(xù)增加到500 MPa時，承壓板的沉降不減小反而又有增加趨勢。這說明樁身強(qiáng)度的增加對復(fù)合地基承載力的提高程度有限，復(fù)合地基的承載力除了受到單樁樁身強(qiáng)度影響之外，還受到樁周土層各種參數(shù)的影響。

圖4 樁頂沉降與樁身剛度的關(guān)系

圖5 壓板沉降與樁身剛度的關(guān)系

3.3 樁周土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由于分析時對土層采用的是Mohr-Coulomb模型，該模型中能夠影響到土層力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)有土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）以及土層的壓縮模量。因此，需要分析幾個參數(shù)對單樁和復(fù)合地基承載力的影響。圖6和圖7分別為考慮樁周所有土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)后，所得的單樁樁頂和承壓板頂部隨荷載的變化情況。由圖6和圖7可以看出：對于本次分析，在改變樁周土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時，樁頂?shù)某两抵翟趲追N情況下沒有太大變化。本次分析的夯實水泥土樁是一種柔性樁，在樁頂荷載作用下，樁身發(fā)生的壓縮變形較大，樁周和土層之間相對滑移較小，因此，樁側(cè)土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對樁頂沉降的影響不明顯。而對于復(fù)合地基，樁周土性質(zhì)參數(shù)改變之后，壓板頂部的沉降受到影響，土的抗剪強(qiáng)度越高，壓板的沉降量越小。按照規(guī)范中對復(fù)合地基承載力的評價方法，即是以承壓板頂部的沉降量為判斷依據(jù)，說明復(fù)合地基的承載力高。但這個影響也有一定的范圍，例如圖7中，在壓板荷載為580 kPa時，對于原土，壓板的沉降為17.8 mm；當(dāng)土層的黏聚力增加5 kPa，內(nèi)摩擦角增加5°時，壓板沉降減小到15.59 mm；當(dāng)黏聚力增加10 kPa，內(nèi)摩擦角增加10°時，壓板沉降為14.35 mm。

圖6 單樁沉降量與土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

圖7 復(fù)合地基沉降量與土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

3.4 樁周土層彈性模量的影響

圖8和圖9分別為對樁周不同深度的土層彈性模量改變后沉降的變化情況。本工程中樁周1～4層土位于樁身較靠上部位，5～6層土位于樁身下部和樁端底部。由圖8和圖9可見：樁周不同深度土層的彈性模量對樁和復(fù)合地基的承載力有影響，而且樁身上部土層的影響大于下部土層，對復(fù)合地基承載力的影響大于對單樁承載力的影響。因此，對于復(fù)合地基，施工時對靠上部分土層的擠密至關(guān)重要，直接影響到復(fù)合地基的承載力。因為夯實水泥土樁樁體剛度較小，屬于柔性樁，在受到荷載以后樁身的壓縮變形主要發(fā)生在樁身上部一定范圍之內(nèi)，主要是上部承擔(dān)荷載，因此下部土層的影響較小。

圖8 樁頂沉降與樁周土層彈性模量的關(guān)系

4 結(jié)論

結(jié)合洛陽地區(qū)一處具有濕陷性的復(fù)雜建筑場地上的夯實水泥土樁及其復(fù)合地基的靜載荷試驗結(jié)果，研究了夯實水泥土樁復(fù)合地基在該場地上的應(yīng)用情況。分析了該復(fù)合地基承載力計算公式的估算方法，并且結(jié)合有限元方法分析了夯實水泥土樁單樁及其復(fù)合地基承載力的影響因素，主要得出以下結(jié)論：

（1）夯實水泥土樁在地下水位較低的復(fù)雜建筑場地上能夠使用，施工過程中對樁周土層的擠密作用能夠消除濕陷性黃土的濕陷性，提高地基的承載力，但復(fù)合地基承載力提高的機(jī)理不夠明確，還需深入研究。

（2）對夯實水泥土單樁和復(fù)合地基承載力的靜載荷試驗結(jié)果表明：當(dāng)單樁承載力達(dá)不到規(guī)范要求值時，復(fù)合地基的承載力也可能滿足要求。因此，對復(fù)合地基承載力計算可適當(dāng)減小單樁承載力所占比例，提高土層性質(zhì)對復(fù)合地基承載力所占比例。

（3）夯實水泥土樁單樁和其復(fù)合地基承載力的影響因素不同，單樁更多受到樁身彈性模量的影響，復(fù)合地基承載力更多受到樁周土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。

（4）樁周上部土層的強(qiáng)度對單樁和復(fù)合地基承載力的影響大于下部土層，且對復(fù)合地基承載力的影響大于單樁，因此，工程施工時應(yīng)盡量對上層土充分?jǐn)D密以保證復(fù)合地基的承載力。

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TU443

A

1672－6871（2015）05－0062－06

國家自然科學(xué)基金項目（51474095）；河南省教育廳重點基金項目（14A410003）

高笑娟（1973－），女，河南偃師人，副教授，博士，研究方向為地下結(jié)構(gòu)與土相互作用.

2015－01－16