同芯长异芯径刚性芯复合桩承载特性研究

谢红民 赵增辉

（河南省宏大建设工程有限公司，河南 长垣453400）

1 问题的提出

水泥土桩具有高于混凝土桩的侧阻力，水泥土桩因截面承载力不足而限制了侧阻力的发挥，从而影响了桩体承载力的提供。解决问题的办法是：利用夯实水泥土桩为母体桩，充分发挥其侧阻力高的优点，在其中心放入刚性体，利用刚性体强度高的特性，最大限度地消除水泥土桩因截面承载力不足的缺点，将夯实水泥土桩与混凝土桩进行组合,利用水泥土桩与土的结合强度,再利用混凝土桩体强度,形成组合桩,既能提高承载力,又能降低成本是研究的内容。

2 刚性芯复合桩试验设计

2.1 试验方案

为便于钻取不同芯径的刚性桩芯，考虑到螺旋钻最小钻孔直径，夯实水泥土桩采用620mm直径,使夯实水泥土桩与刚性芯复合桩更公平的进行比较。将夯实水泥土桩桩长确定为6m，刚性芯长确定为5m，为探求刚性芯最优芯径，芯径确定为350mm、300mm、200mm。为保证成孔时水泥土桩的质量，充分发挥水泥土侧阻力，采用C35混凝土浇筑刚性芯桩。为便于和水泥土桩比较，做2棵直径620mm，桩长6m的水泥土桩。

本次竖向静荷载试验拟做8棵试验桩，其中2棵为水泥土桩，6棵刚性芯复合桩。在刚性芯复合桩芯桩顶埋置10MPa压力盒、水泥土桩顶埋置6MPa压力盒。在1、6号桩的刚性芯桩底埋置6MPa压力盒。桩径及压力盒布置见表1。

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2.2 试验模型的制作要求

2.2.1 桩的施工要求

采用螺旋钻机成孔，要严格控制孔位、孔径、孔深，并采用环形测孔器进行检测。孔底虚土用质量15kg的铁锤夯实，每孔夯实击数应一致(3击)。成孔后用铁盖板覆盖孔口，防止灌水和落下渣土。刚性芯桩采用C35混凝土，塌落度控制在20cm左右；孔口放置漏斗，采用振动棒分层捣实，每次灌注高度为1m左右；桩身混凝土灌注至水泥土桩顶，并抹平。成桩后用塑料布覆盖。

2.2.2 土压力盒埋设要求

将芯底用铁锤击实击平，然后埋置压力盒灌注混凝土。在刚性芯桩桩顶中心和水泥土桩顶各凿一个与压力盒大小一致的槽，水泥土桩顶的两槽对称放置，槽底部铺一薄层粉细砂，用压力盒将砂抹平整，让压力盒稍高于桩顶，桩顶铺设5cm厚的砂石垫层；桩顶凿3条细长槽将线引出。

3 试验场地地质条件

场地地层主要由第四纪冲洪积相堆积物组成，沉积韵律明显，层位较稳定。根据钻探揭露及室内土工试验结果可划分为6个工程地质层。

①层杂填土，黄褐色，由粉土、碎砖、炉灰组成，含植物根，松散，层厚1.00～2.00m；②层黄土状粉质黏土，褐黄色，土质均匀，可塑，含姜石，层厚2.70～3.80m。天然含水量22.6%；天然孔隙比0.695；压缩系数0.287MPa-1；压缩模量6.65MPa；标贯击数6.4击，属中压缩性土；③层黄土状粉土，淡黄色，土质均匀，稍湿，密实，层厚0.00～1.60m。天然含水量16.4%；天然孔隙比0.541；压缩系数0.196MP-1；压缩模量7.89MPa；标贯击数10.0击，属中压缩性土；④层粉细砂，黄-灰黄色，颗粒均匀，成分以石英、长石及暗色矿物为主，粉粒含量大于25%，稍湿，稍密，层厚0.90～2.50m。天然含水量10.7%；天然孔隙比0.581；压缩系数0.144MP-1；压缩模量10.8MPa；标贯击数14.8击，呈稍密状态；⑤层砾砂，灰黄色，颗粒不均，亚圆形，成分为石英、长石，稍湿，中密，层厚3.50m。标贯击数23.7击，呈中密状态；⑥层粉质黏土，黄褐色，土质较均，含姜石，可塑；稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。该层未揭穿。

4 试验及分析

4.1 试验

本次试验反力装置为钢筋混凝土锚桩和钢梁组成，手动千斤顶施加荷载，采用慢速维持荷载法。

4.2 在竖向荷载作用下的受力特征

刚性芯复合桩的芯长均为5m、芯径分别为200mm(3、4号桩)、300mm(2、5号桩)、350mm(1、6号桩)。（注：由于3号刚性芯复合桩测得结果偏差太大，没有被采用）

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图1将水泥土桩视为含芯率为零的刚性芯复合桩，将灌注桩视为含芯率100%的刚性芯复合桩。从图中可看出，刚性芯复合桩极限承载力随着芯长增大而增大，芯径在300～350mm增长幅度大，然后随着芯长增大而降低。

由试验分析可知，本桩型的最优芯径为350mm，即含芯率为0.32。它的极限承载力是同尺寸的水泥土桩的2.13倍，是同尺寸灌注桩的1.6倍。

图1 刚性芯复合桩极限承载力随芯径变化曲线

4.3 刚性芯复合桩的荷载传递过程

在每棵刚性芯复合桩静载试验结束以后，移除垫层均发现夯实水泥土桩桩顶稍有挤土，但未被破坏，刚性芯桩桩顶也完好无损，仪器监测数据也能证明这一点。刚性芯复合桩整体下沉，而不是在桩顶附近“鼓出”形式破坏，这说明荷载已经通过刚性芯桩传至桩的深部，使水泥土桩长充分发挥作用。刚性芯桩桩顶略高出水泥土桩桩顶1cm左右，据复合地基理论可知：由于水泥土桩的变形模量小于刚性芯桩的变形模量，刚性芯桩向上刺入垫层，荷载在桩顶由水泥土桩与刚性芯桩分担，在桩体上部水泥土桩将荷载传给桩周土，同时通过负摩擦传给刚性芯桩，随荷载向下传递刚性芯桩将其上荷载传给水泥土桩，水泥土桩将其传给桩周土、桩端土。

5 结论

刚性芯复合桩作为一种崭新的桩型，以夯实水泥土桩为母体，以灌注桩为芯桩形成刚性芯复合桩，利用了灌注桩的桩体高强度与水泥土桩高侧摩阻力的优点，摒弃彼此不足之处，从而实现了这两种桩型的优化。通过现场静载竖向抗压试验，测得不同荷载级别下，刚性芯复合桩芯桩与水泥土桩应力比与荷载的关系、荷载分担比与荷载的关系，芯底应力与荷载的关系。在同一级荷载下，分析不同芯径的刚性芯复合桩的芯桩桩顶及桩底应力，水泥土桩顶的应力、芯桩顶与水泥土桩顶的应力比及其荷载分担比与芯径的关系。将水泥土桩视为含芯率为零的刚性芯复合桩，将灌注桩视含芯100%的刚性芯复合桩，对不同芯径组合的刚性芯复合桩极限承载力进行比较。

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