夯实水泥土桩复合地基有效桩长与桩身强度关系试验研究

佟建兴 ，闫明礼 ，孙训海 ，杨新辉 ，王明山

（1. 中国建筑科学研究院 地基基础研究所，北京 100013；2. 中国建筑科学研究院 建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013）

1 前 言

夯实水泥土桩法是20世纪90年代初期，中国建筑科学研究院地基基础研究所在北京等地旧城区危改小区工程中开发出的地基处理技术，该方法具有施工工艺简单、周期短、造价低、施工文明、质量容易控制等优点，已在北京、河北、天津、内蒙古等我国北方多个省市自治区广泛应用，产生了巨大的经济效益、社会效益和环境效益[1－4]。

夯实水泥土桩采用人工或机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配合比，在孔外充分拌合均匀制成水泥土混合料，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土桩[3]。一般取水泥和土的体积比为 1:5～1:8，桩身强度约为 3.0～6.0 MPa，处理深度不宜超过10 m。夯实水泥土桩复合地基传递竖向荷载的能力同桩身强度密切相关，强度越大，桩体传递垂直荷载的能力越强。给定桩身强度下，夯实水泥土桩复合地基存在有效桩长或有效复合土层厚度。

通过室内模型试验，实测得出本次试验条件下，不同桩长、不同桩身强度夯实水泥土桩复合地基的桩、土承载及变形性状，研究探讨了夯实水泥土桩复合地基的有效桩长与桩身强度关系问题。

2 试验内容

模型试验地点为中国建筑科学研究院地基基础研究所模型试验室，在人工填土地基中进行。试坑挖至-3.0 m原状土层，回填土采用黏质粉土，过筛分层回填并用木夯夯实，控制含水率为17%，按每层虚铺15 cm，夯实至10 cm控制。取原状土和回填土做试验。土的物理力学指标见表1。

夯实水泥土桩模型试验包括5个单桩复合地基载荷试验和 5个单桩载荷试验，试验编号为 1#～10#试验。夯实水泥土桩桩径为150 mm，桩长分别为1.5、2.5、3.5 m，桩身材料为搅拌均匀的水泥土拌合料，水泥标号为P.O32.5。土为黏质粉土，含水率按约17%控制。桩身水泥土配合比为体积比，分别采用水泥、土体积比为1:4、1:15和1:30 三种配合比。模型桩采用洛阳铲成孔，分层回填水泥土拌合料并用夯锤夯实成桩。夯锤重量为 15 kg，落距为 0.6 m。填料前，清底夯实，分层回填厚度为20 cm，每层夯实击数按30击控制。模型桩养护龄期为70 d。

褥垫层厚8 cm，材料为中砂，过筛后以相同落距落下，虚铺10 cm，摊平并夯实至8 cm。承压板就位，挖槽铺设形成侧限条件，铺设面积与承压板面积相同。单桩复合地基承压板尺寸（长×宽×高）为525 mm×525 mm×200 mm。

采用击实仪分别按水泥土质量比和体积比制作水泥土试块，试块为直径62.5 mm、高125 mm的圆柱体。水泥土质量比试块为标准养护，养护龄期为 37 d，水泥土体积比试块为与模型桩同条件养护，养护龄期为70 d。采用压力盒量测复合地基桩顶及桩间土应力，压力盒平面布置见图1。

图1 压力盒平面布置（单位：mm）Fig.1 Pressure box plane layout(unit: mm)

采用刚性变形深标量测桩间土变形，桩间土变形标埋设深度分别为0、-0.5、-1.5、-2.5、-3.5 m，桩顶标放置于桩顶表面，刚性变形标平面布置如图2所示。

先对天然地基和各单桩逐一进行加载，直至破坏，最后进行单桩复合地基载荷试验,载荷试验内容见表2。

图2 变形标平面布置（单位：mm）Fig.2 Deformation standard plane layout(unit: mm)

表2 载荷试验内容Table2 The programme of load tests

3 试验结果分析

3.1 桩身强度及水泥土的变形破坏形式

表3为本次试验标准养护条件下水泥土试块无侧限抗压强度，龄期37 d。由表可以看出，其他条件相同时，水泥土无侧限抗压强度随水泥掺入量的增加而增大；水泥土质量比为 1:20～1:4时，水泥土无侧限抗压强度为2.22～6.68 MPa。

图3为水泥土试块进行无侧限抗压强度试验后破坏照片。在竖向荷载作用下，水泥土试块发生压缩变形，产生斜向或竖向裂纹，当施加荷载接近试块屈服荷载时，水泥土试块出现与施加荷载方向一致的张裂缝，随着张裂缝的扩展，试块很快劈裂破坏。

表4为同条件养护水泥土试块无侧限抗压强度和荷载水平达到单桩极限承载力时实测桩顶应力。可以看出，当荷载水平达到单桩极限承载力时，实测桩顶应力与同条件试块无侧限抗压强度基本相当，桩身产生压缩变形，直至桩身屈服，桩体发生竖向劈裂破坏，劈裂缝主要发生在桩身上端，沿桩身向下逐渐减小消失，如图4所示。

综上所述，与散体桩如碎石桩比较，夯实水泥土桩桩身具有中等黏结强度，不依靠桩周土的侧向约束，可以独立成桩。与刚性桩如CFG桩比较，夯实水泥土桩属半刚性桩，桩身强度较低。在竖向荷载作用下，夯实水泥土桩单桩破坏时主要为压曲破坏和刺入破坏两种形式，发生整体剪切破坏的可能性不大。

表3 标准养护条件下水泥土试块无侧限抗压强度Table3 The standard curing condition of soil-cement unconfined compressive strength

图3 夯实水泥土试块受压劈裂破坏Fig.3 Rammed soil-cement compression splitting failure

表4 水泥土试块无侧限抗压强度及夯实水泥土桩桩顶应力Table4 Unconfined compressive strength of cement soil and pile top stress of rammed soil-cement pile

图4 夯实水泥土桩受压劈裂破坏Fig.4 Rammed soil-cement pile compression splitting failure

给定桩身强度和桩长，当由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力大于由桩身强度确定的单桩承载力时，夯实水泥土桩单桩或复合地基破坏，表现为压曲破坏，即桩身劈裂破坏或桩身压缩量过大；当由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力小于由桩身强度确定的单桩承载力时，夯实水泥土桩单桩或复合地基破坏，表现为刺入破坏，即桩端刺入下卧层造成变形过大导致破坏。因此，夯实水泥土桩复合地基的桩体设计应以桩身强度控制。

3.2 单桩载荷试验对比分析

试验测得天然地基承载力特征值fak= 110 kPa,夯实水泥土桩单桩荷载-沉降(Q-s)曲线如图5所示，单桩承载力特征值见表5。由图5和表5可以看出，桩身水泥土配合比为1:4，桩长由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m时，单桩承载力特征值增大，桩长2.5 m和3.5 m的单桩承载力特征值相当，即给定桩身强度下，夯实水泥土桩单桩承载力随桩长增加而增大，达到某一桩长后（对应给定桩身强度的有效桩长），承载力不再继续增大；桩长同为2.5 m，桩身水泥土配比由1:4降低为1:15、1:30时，单桩承载力特征值减小，即给定桩长下，夯实水泥土桩单桩承载力随桩身强度降低而降低。

图5 单桩Q-s曲线Fig.5 Q-s curves of a single pile

表5 单桩承载力特征值Table5 The bearing capacity characteristic values of single pile

3.3 夯实水泥土桩复合地基载荷试验对比分析

夯实水泥土桩单桩复合地基荷载-沉降(Q-s)曲线如图6所示，按照相对变形值s/b = 0.01确定复合地基承载力特征值见表 6。由图表可以看出，桩身水泥土配合比为1:4，桩长由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m时，复合地基承载力特征值增大，桩长2.5 m和3.5 m的复合地基承载力特征值相当，即给定桩身强度 下，夯实水泥土桩复合地基承载力随桩长增加而增大，达到某一桩长后（对应给定桩身强度的有效桩长），承载力不再继续增大。桩长同为2.5 m，桩身水泥土配比由1:4降低为1:15、1:30时，复合地基承载力特征值减小，即给定桩长下，夯实水泥土桩复合地基承载力随桩身强度降低而降低。

图6 复合地基p-s曲线Fig.6 p-s curves of composite foundation

表6 复合地基承载力特征值Table6 The bearing capacity characteristic values of composite foundation

3.4 桩、土应力比和荷载分担比对比分析

图7为夯实水泥土桩复合地基中桩、土荷载分担比对比曲线，夯实水泥土桩复合地基达到其承载力特征值时（s/b = 0.01）桩土应力比及荷载分担比见表7，图8为夯实水泥土桩复合地基中桩土应力比对比曲线。由图7、8及表7可以看出，桩身水泥土配合比为1:4时，桩长由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m，同一荷载水平下，桩土应力比、桩荷载分担比随桩长增加而增大，土荷载分担比降低；荷载水平达到复合地基承载力特征值时，桩长分别为2.5 m和3.5 m的夯实水泥土桩复合地基的桩土应力比、桩荷载分担比、土荷载分担比基本相当。

图7 桩土荷载分担比对比曲线Fig.7 Pile-soil load sharing ratio curves

表7 桩土荷载分担比及桩土应力比Table7 Pile-soil load sharing ratio and pile-soil stress ratio

桩长同为2.5 m时，桩身水泥土配合比由1:4降低为1:15、1:30，同一荷载水平下，桩土应力比、桩荷载分担比随桩身强度降低而显著减小，土荷载分担比显著增大；荷载水平达到复合地基承载力特征值时，桩身水泥土配合比分别为1:15和1:30的夯实水泥土桩复合地基的桩土应力比、桩荷载分担比、土荷载分担比基本相当，桩土应力比和桩荷载分担比明显低于桩身水泥土配合比为1:4的夯实水泥土桩复合地基。

图8 桩土应力比曲线Fig.8 Pile-soil stress ratio curves

3.5 复合地基变形对比分析

图9为荷载p = 315 kPa时夯实水泥土桩复合地基中桩间土的深层变形对比曲线，图10、11为荷载水平（p = 300～320 kPa）相当时夯实水泥土桩复合地基中桩间土的深层变形等值线图。由桩间土的深层变形对比曲线和变形场等值线图可以看出，各荷载水平下，1～5#试验的变形区均主要集中在2.5 m深度范围内，即4.76倍基础宽度或16.7倍桩径范围内。

图9 夯实水泥土桩复合地基深层变形对比曲线Fig.9 Comparison of deformation in the deep soil of rammed soil-cement pile composite foundation

图10 桩身强度相同、桩长不同夯实水泥土桩复合地基变形等值线（单位：mm）Fig.10 Deformation contour maps of rammed soil-cement pile composite foundation with same pile strength and the different pile lengths(unit: mm)

图11 桩长相同、桩身强度不同夯实水泥土桩复合地基变形等值线（单位：mm）Fig.11 Deformation contour maps of rammed soil-cement pile composite foundation with the same pile length and different pile strengths(unit: mm)

荷载水平相当下，当桩身水泥土配合比为1：4时，相同深度位置处的变形量，1#试验高于2#、3#试验，而2#和3#试验的变形量则相差不大，即夯实水泥土桩桩长由1.5 m增加至2.5 m，复合土层厚度增加，变形量降低；当夯实水泥土桩桩长继续增加，由2.5 m增加至3.5 m后，尽管复合土层厚度相应增加，但对减小变形量效果不明显。荷载水平相当下，当桩长同为2.5 m时，相同深度位置处的变形量，5#试验最大，4#试验次之，2#试验最小。即夯实水泥土桩桩身水泥土配合比由1:30、1:15增加至1:4，桩身强度相应增加，变形量降低，对减小变形量效果明显。

4 结 论

（1）给定桩身强度下，夯实水泥土桩单桩和复合地基承载力随桩长增加而增大，达到某一桩长后，继续增加桩长，承载力提高幅度不大，减小变形量效果不明显。

（2）给定桩长下，随着桩身强度的提高，夯实水泥土桩单桩和复合地基承载力增大，变形量降低。

（3）夯实水泥土桩复合地基桩身强度同有效桩长存在相关关系。给定桩身强度下，对应某一桩长，当由桩身强度确定的单桩承载力小于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，继续增加桩长，对提高单桩及复合地基承载力、减小变形量效果不明显，该桩长即为给定桩身强度下夯实水泥土桩的有效桩长，对应土层厚度即为给定桩身强度下夯实水泥土桩复合地基的有效复合土层厚度。

（4）在实际工程中，夯实水泥土桩单桩承载力特征值、复合地基承载力特征值应按现场载荷试验确定，初步设计按规范公式估算时应考虑桩身强度对承载力的影响，桩体设计应以桩身强度控制，应使由桩身强度确定的单桩承载力大于（或等于）由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力。

[1]中国建筑科学研究院. JGJ79－2002建筑地基处理技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2002

[2]闫明礼,滕延京,梁军,等. 夯实水泥土桩复合地基试验研究[R]. 北京: 中国建筑科学研究院地基基础研究所,河北省建筑科学研究院,1995.

[3]闫明礼,张东刚. CFG桩复合地基技术及工程实践（第二版）[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2006.

[4]张振栓,王占雷,杨志红,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.