1、夯实水泥土桩复合地基变形特性的试验研究摘要：本文通过对夯实水泥土桩复合地基的单桩、单桩复合地基和多桩复合地基的对比试验研究，得出了夯实水泥土桩复合地基中桩、桩间土和复合地基的沉降变形规律。 关键词：复合地基；荷载；变形特性 中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号： 1 前言 夯实水泥土桩复合地基技术是目前我国北方地区地下水位较深的一种地基处理新技术，它是将水泥和土按设计比例拌和均匀，在孔内夯实至设计要求的密实而形成的加固桩体，与桩间土组合成复合地基，已广泛应用在建设工程的地基处理中。该项技术发布实施有行业和地方标准，并发表有多篇论文和研究成果，尤其在强度和施工工艺等方面的研究较为变遍，但
2、是在变形特性试验研究较少。 该项技术随着复合地基在工程中的广泛应用，复合地基承载力和沉降的确定一直是学术界和工程界关注的问题。一些学者利用现场试验结果来推求碎石桩复合地基的变形，也有的学者利用半空间均质弹性体的Mindlin 应力解或 Geddes 应力解，用分层总和法来求弹性状态下柔性桩复合地基的沉降，这些结果都有待于实践的进一步检验.现场静荷试验被公认为是最可靠的手段.复合地基的特点在于桩与桩间土共同承担荷载，根据单桩复合地基载荷试验得到的荷载沉降 P-S 曲线来推求复合地基承载力和沉降量具有现实意义。本文通过现场 21 组天然地基、单桩、单桩复合地基和多桩复合地基的试验，其桩径为 300
3、mm、桩长为 4.0m、桩间距为 1.0m、置换率为 7.1%、水泥掺入比为 12%的试验条件，进行了对比试验研究。实测夯实水泥土桩复合地基在静载荷试验条件下的沉降，来研究复合地基中桩、桩间土各自的变形规律。 2 不同条件下夯实水泥土单桩和复合地基变形特性 2.1 天然地基 天然地基载荷试验结果（图 1）显示，随着施加在天然地基上荷载的增加，地基沉降量不断增长，荷载和沉降关系曲线表现为缓变型，曲线未出现明显的拐点。曲线初始的弹性直线段较短，为天然地基弹性压缩阶段，此时地基沉降小。随着载荷水平提高，地基土出现塑性变形，荷载与沉降关系曲线发生弯曲，很快随荷载增加天然地基沉降加快，地基土发生屈服破坏
4、。 2.2 单桩 单桩载荷试验结果（图 2）可知，随着施加在桩顶荷载的增加，桩身沉降量不断增长。荷载与沉降关系曲线上出现明显的拐点，表现为陡降型。曲线呈现出三段特点，第一段是初始直线段，为桩身弹性压缩阶段，此时桩身沉降小；随着荷载水平提高，桩身发生屈服，荷载与沉降关系曲线发生弯曲，这一曲线段较短；很快桩身沉降量随荷载增加加快，桩身发生破裂破坏。现场挖桩观测，发现桩身上端均发生了劈裂破坏，破裂面基本上与荷载作用方向一致，这是桩身受竖向荷载沿水平方向产生的次生拉伸应力而导致桩身破坏。这也从另一个侧面反映了夯实水泥土类桩的黏结强度较低，故其在竖向荷载作用下易发生脆性张裂破坏。 2.3 单桩复合地基
5、由试验结果可知，本次试验的水泥土桩水泥与土渗入比为 1：7（体积比） ，桩土模量的比值较小。当荷载水平较低时，复合地基产生的变形也较小，荷载主要由桩体来承担，桩间土发挥的作用很小。随荷载的增加，复合地基变形量增大，桩间土因被压密其承载作用逐渐得到发挥。当桩体分担荷载达到桩体的弹性极限后，桩间土的荷载分担比迅速增大。单桩复合地基载荷试验结果（图 3）可知。荷载与沉降关系曲线仍表现为三段特点，在复合地基载荷试验 P-S 曲线上表现为直线段较长，随荷载增加复合地基沉降成线性增长，初始的直线段一直延伸到 300kN 以上，说明单桩复合地基的弹性变形量较大，复合地基的承载力较高；随后，曲线发生弯曲，复合
6、地基发生屈服，很快就出现了陡降段，而且随荷载水平提高沉降增加的速率加快，说明夯实水泥土桩复合地基在竖向荷载作用下发生破坏。曲线的特点显示了单桩复合地基发生脆性变形破坏的特点。试验结束后，挖桩结束后，挖桩检测发现桩头破裂，这进一步证明了夯实水泥土单桩复合地基的破坏方式为脆性破坏。 与单桩载荷试验的结果相比，单桩复合地基荷载与沉降关系曲线的初始直线段明显比单桩要长得多，复合地基的承载力相比于单桩有明显提高，说明采用复合地基处理地基土比单纯采用桩处理地基土更经济合理。 2.4 四桩复合地基 四桩复合地基载荷试验结果（图 4）可知，荷载与沉降关系曲线表现为缓台阶状特点，初始的直线段一直延伸到 1000
7、kN 以上，说明多桩复合地基折弹性变形模量较大，复合地基的承载力较高；随荷载增加，曲线发生弯曲，复合地基发生屈服。随后曲线出现了台阶，沉降速率减慢，继续施加荷载，曲线出现陡降段，而且随荷载水平提高沉降增加的速率加快，说明夯实水泥土桩复合地基在竖向荷载作用下发生破坏。曲线台阶式的变化特点反映了四桩复合地基内各桩不是同时发生破坏，当 P-S曲线开始出现弯曲段时，可能是其中某一根桩或两根桩发生了屈服，甚至破裂，但随之其余桩承担了不断施加的荷载，随后剩余的桩相继屈服。试验结束后，观测四桩桩身变形破坏情况，发现仅有两根桩头发生了破裂，这说明夯实水泥土多桩复合地基的破坏方式以桩身累进式破坏为主。与单桩、单
8、桩复合地基载荷试验的结果相比，四桩复合地基的荷载与沉降关系曲线的台阶式变化特点反映了多桩复合地基承载特性的复杂性。虽然第一次屈服后，多桩复合地基后期的承载力仍有潜力，但从安全的角度来说，这部分的承载力只能作为安全储备。 2.5 褥垫层对变形特性的影响 当桩体与基础之间设置有垫层时，在桩顶处，由于桩体刺入垫层中，桩体相对于土体发生了向上的相对位移，则桩顶处产生的向下的负摩阻力，在垫层以下则产生向上的正摩阻力。柔性桩桩侧摩阻力的分布规律与是否设置垫层、桩体刚度、桩间土强度、桩端土强度和基础刚度等诸多因素有关，在计算分析中要充分考虑这些因素。不同厚度的褥垫层对夯实水泥土桩复合地基的变形明显不同，试验
9、中选取了不同厚度（0.1m、0.2m、.03m、0.4m、0.5m）和不同材料（粗砂和碎石）的对比试验，发现复合地基的承载力比天然地基上、单桩均有明显提高，承载力特征值在设置褥垫层后显著增长。在设置 0.2m 和 0.3m 厚粗砂垫层（图 5、图 6）后，试验测得的单桩复合地基承载力特征值比按单桩和桩间土复合计算的承载力特征值提高了 30%以上。 从不同厚度褥垫层的夯实水泥土单桩复合地基荷载与沉降关系曲线看出。当褥垫层厚度由小变大时，荷载与沉降关系曲线出现在有规律的变化。当垫层厚度为 0.1m 时，曲线的三段性明显，复合地基屈服前沉降量不足 10mm，初始的直线段后，荷载继续增加，复合地基发生
10、屈服，但屈服段很短，复合地基很快出现塑性变形破坏；垫层厚度增加到 0.2m，复合地基屈服时的沉降量不足 40mm，至 0.3m 时，屈服时的沉降量增加至50mm 左右，此时初始的直线段有弯曲现象，这说明在复合地基屈服前虽然以弹性压缩变形为主外，尚发生了少量的塑性变形；垫层厚度增加至0.5m 时，初始的直线段和破坏以后的陡降段不再明显分开，曲线有向缓变型曲线变化的趋势，这与工程实际情况也是相符的。 3 结论 通过天然地基、单桩、单桩复合地基、四桩复合地基在竖向荷载下的变形特点，可以得出以下结论： 试验场地地基为粉土和粉质黏土，天然地基荷载沉降曲线表现为缓变型，这与以往载荷试验结果是一致的；夯实水
11、泥土桩单桩由于能自身成桩，具有一定的黏结强度，故单桩受荷后均表现为脆性劈裂破坏，其荷载沉降曲线表现为陡降型；单桩复合地基对相同桩长和相同桩径、相同水泥掺入比的复合地基来说，其与沉降曲线密切相关，复合地基荷载沉降曲线表现为陡降型；四桩复合地基荷载一关系曲线均表现为缓降型。 夯实水泥土桩复合地基承担荷载时，桩顶的变形基本上与复合地基是同步的。但其荷载沉降曲线大都表现为陡降型曲线，这与夯实水泥土桩本身承载力不高，且分担荷载较大有关。试验结果表明，可以利用桩顶的荷载沉降曲线来确定单桩复合地基或桩身的承载力。 当复合地基承载时，桩间土的沉降量大小与深度成反比。桩间土埋深越大，则其沉降量越小，沉降量集中在
12、 34 倍桩径范围内。 垫层的厚薄与桩顶受力及沉降大小密切相关。选择合适的垫层厚度对夯实水泥土桩复合地基的承载能力的提高和沉降变形的降低是有益的。参考文献 1阎明礼地基处理技术M.北京：中国环境科学出版社，2001. 2张振拴水泥土桩复合地基技术研究.建筑工程技术实践与进展M.石家庄：河北科学技术出版社，2004：16 3张振拴，等水泥土桩复合地基技术规程（DB13(J)392003）S.石家庄：河北省建设厅发布，2003. 4郭忠贤，杨志红，宋杰，等.夯实水泥土桩的荷载传递特性J.岩土力学，2000，21（3）. 5张振拴，等夯实水泥土桩复合地基技术新进展M.北京：中国建材工业出版社，2007.
