水泥搅拌桩复合地基若干关键问题研究评述

苗 壮

(中铁二院西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

水泥搅拌桩复合地基若干关键问题研究评述

苗 壮

(中铁二院西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

从复合地基承载力的确定、桩土相互作用受力机理、沉降量计算及预测三个方面分析了水泥搅拌桩复合地基研究中的若干关键问题，并对取得的成果进行了阐述，同时指出了今后需进一步探讨的内容要点，为工程施工技术水平的提高奠定基础。

水泥搅拌桩，复合地基，沉降量，预测

水泥搅拌桩加固软土的基本原理是基于水泥与土的物理化学反应过程，通过专门机械设备将水泥喷入处理的软土地基内，并在喷注过程中将水泥与土体搅拌均匀，使水泥与土体发生一系列水解和水化反应，生成水泥水化物并形成胶凝体[1]，形成的桩体具有较高的强度和较低的压缩性，与周围土体一起组成复合地基共同承担上部荷载。水泥搅拌桩复合地基在施工完成一个月后，就可达到一定的强度，相对于排水固结法，该法施工速度较快、加固效果良好，广泛应用于软土地基处理中。

虽然水泥搅拌桩已得到了广泛的应用，但一些设计理论问题仍不成熟。由于地层本身的非均匀性、各向异性，以及桩体与土体相互作用机理十分复杂，基于许多假设和简化的设计理论往往与工程实际存在一定误差，这种误差的解决需要大量工程经验的积累，工程经验的总结对设计理论的检验，有助于推动设计理论的发展和完善。文献[2]指出，水泥搅拌桩复合地基的沉降计算水平远低于地基承载力的，也与工程实践存在一定误差[2]。因此，本文在总结前人研究成果的基础上，探讨水泥搅拌桩目前研究中的一些关键问题及未来需要进一步研究的内容。

1 复合地基承载力的确定

水泥搅拌桩复合地基的承载力与许多因素有关，与单桩承载力、桩周土的工程性质以及两者之间的相互作用有关，承载力一般可根据现场静载试验或理论计算确定，静载试验最能够反映承载力的作用机理，但静载试验往往花费较大，在现场静载试验不可取的情况下，可以借助于理论公式计算单桩竖向抗压极限荷载。目前计算方法主要有两种，即灌注桩相似法和桩土相互作用法(规范推荐的方法)。文献[3]认为水泥搅拌桩的工作机理与混凝土灌注桩的极为相似，因此建议采用灌注桩的极限荷载理论计算水泥搅拌桩的。该法取按桩身承载力和桩与桩周土强度两个条件决定的承载力的较小值[4]，见式(1)；对于复合地基承载力，可通过现场复合地基静力载荷试验求得，或按式(2)计算：

Rk=ηfcu,kAp，Rk=qsUpl+αApqp

(1)

(2)

限于篇幅，公式符号具体意义可参见《建筑地基处理技术规范》。

2 桩土相互作用受力机理

现场实测是揭示水泥搅拌桩复合地基在荷载作用下受力变形特征规律一种非常重要的手段，目前工程界十分重视其现场试验研究[5,6]，试验研究的主要内容有：单桩和复合地基承载力试验、路基沉降和侧向变形、桩土应力比和荷载传递规律等，通过在地基内埋设相关测试仪器进行观测，及时反馈工程信息，对施工进行指导。工程监测受试验仪器、场地复杂程度等诸多因素影响，测试结果也不尽相同，许多测试方法还有待改进。

文献[7]分析了用测斜仪测量软土路基侧向变形存在的问题，考虑了软土层顶部硬壳层对测斜管的约束及测斜管与软土刚度差异等影响因素，探讨了测斜管与软土相互作用的力学机理及位移计算方法。在桩土应力比研究方面，文献[8]通过现场测试，分析了桩土应力比的测试结果；文献[9]认为柔性基础下的复合地基桩土应力比n数值远比刚性基础下小得多，指出了规范推荐的n=3～6偏大，桩土应力比在加荷初期最大，随着荷载的增加而减小，后又增加呈波浪形变化；文献[10]通过现场试验并结合桩间土的室内三轴试验，分析了桩土应力比产生的机理，指出桩身材料表现为应变软化，而桩间土表现为应变硬化，所以桩土应力比先是增大，达到峰值后逐渐减小；此外，文献[11]根据搅拌桩荷载传递规律分析提出了包含桩顶沉降量的桩土应力比公式；文献[12]通过对复合地基上部填土的力学分析，推导出一个求解桩顶平面处的桩土应力比公式。柔性路堤下的水泥搅拌桩复合地基和刚性基础下的水泥搅拌桩复合地基的受力机理不同，文献[13]通过离心机试验模拟桩土的应力分布规律，发现路堤下的水泥搅拌桩地基，桩土沉降量并不同步，桩土应力比达到峰值小于预压期；当桩间距一定时，外荷载越大，桩土应力比反而降低。

3 沉降量计算及预测

3.1 沉降量计算

目前水泥搅拌桩复合地基的沉降理论的实用计算方法，包括复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法三种。这些方法都认为复合地基的沉降量由复合土层的沉降量S1和桩端以下未加固土层的沉降量S2两部分组成，即：S=S1+S2。复合加固土层的压缩量一般可取10 MPa～30 MPa，目前较为成熟的计算方法包括：

1)复合模量法，根据桩土置换率、桩身压缩模量、桩间土压缩模量，换算成一种压缩模量，称为复合模量，在加固土层内，用该复合模量计算该层的沉降量，可采用分层综合法或应力面积法。2)应力修正法(Es法)，根据桩土应力比换算出桩土各自分担的荷载，忽略掉水泥搅拌桩的存在，用弹性理论结合分层综合法求出加固土体的沉降量，视为复合地基的沉降量。3)桩身压缩量法(Ep法)，由于水泥搅拌桩为柔性桩，所以在上部荷载作用下，可假定桩体底端不会刺入下部未加固土层。根据桩土应力比，求出作用在桩体上的荷载，采用桩体的压缩模量计算桩身压缩量，将桩身压缩量视为复合地基加固区的沉降量。

水泥搅拌桩加固体以下部分的下卧层沉降，可以采用《建筑地基基础设计规范》推荐的分层总和法求解，加固区下部下卧层的荷载，一般可以采用应力扩散法、等效实体法和当层法。此外还有Mindlin-Geddes方法以及改进的Geddes法[14]。

文献[3]通过对本构模型和参数的选取，将加固体和下卧层看作双层加筋地基，采用数值分析计算复合地基沉降量。文献[4]将水泥土搅拌桩复合地基用复合模量法计算出临界桩长范围内的压缩量作为加固层的压缩量，下卧层采用分层总和法计算。

3.2 最终沉降量预测

由于室内试验和沉降计算理论的种种局限性，使得沉降的计算值与实测值往往存在着较大的差距，因此采用沉降的实测值预测工后沉降具有十分重要的意义，人们提出了多种沉降预测方法，例如：双曲线法、指数曲线、Asako法、三点法、日本常用的星野法和浅岗松尾法等。每种模型都有其优点和缺点，难以肯定哪一种模型更能符合实际情况，具体情况具体分析。例如：双曲线法和指数法表达简单，易于计算，但是工程初期的沉降并不表现为双曲线和指数形，仅适用于沉降平缓的阶段(荷载稳定)；神经网络法拟合的预测值与实测值非常接近，适合于整个实测期范围内的预测，但是预测地基的最终沉降，神经网络法预测的结果不尽人意，可能表现得不合常理；灰色GM(1，1)是指数增长的曲线，并不趋于一个稳定的值，前期的预测效果也较好，但是长期的预测值有无限增长的特征。对地基做地下处理之后，其沉降观测资料用三点法计算就不会理想，而对于未做地下处理的地基，不能用门田法分析对应的观测资料。

文献[15]建立了考虑流变对沉降的影响沉降与时间关系的模型，采用最小二乘法对模型系数进行回归，利用建立的模型预测沉降。近几年发展起来的灰色理论方法、神经网络法等，所有这些方法各有其优、缺点，关键在于工程的实际情况，在实践中不断积累经验，掌握应用的技巧。文献[16]指出不管用上述哪一种方法，推算出的沉降值基本上都小于实测值。土层越软弱，越深厚，偏差就越大。

4 进一步研究的内容

虽然水泥搅拌桩已有不少成功案例，且进行了大量研究，取得了众多研究成果，但对于其研究仍存在一些需要进一步研究的内容：

1)水泥搅拌桩复合地基的承载力确定方面，通常情况下由桩体本身确定的承载力要大于由桩土相互作用确定的，桩土相互作用的机理非常复杂，不但与桩土的界面摩擦性能、桩底土的工程性质有关，还取决于两者的压缩模量比例大小。这些受力作用机理综合地可以通过静载试验结果反映出来，因此搜集不同工程静载试验结果，与地层条件进行比对，找出相应的规律或反推理论计算公式的经验参数，具有十分重要的意义。

2)桩土相互作用情况可利用桩土应力比的大小来衡量，该值与桩土的相互作用与上部荷载形式、大小等密切相关。对于柔性荷载，可通过对上部填土内部受力机理的分析，根据力平衡原理，求出桩土应力的关系，总结出一个实用的桩土应力比理论或经验公式。

3)水泥搅拌桩复合地基沉降的计算方法有很多，但是各计算结果相差很多，且与沉降实测值有较大的差距。因此对以往的沉降计算方法进行分析，分析其缺点和适用性，对某种方法的适用性进行验证。考虑到土性参数的变异性，求出水泥搅拌桩复合地基在某一概率下的沉降值区间，这比采用单一的沉降值更具合理性。

4)沉降预测方面。每种预测方法都有其优缺点，水泥搅拌桩复合地基的沉降特性与传统的软土地基沉降特性有所差异，探讨不同方法的预测精度，找出相对合理的预测方法，此外也可以采用综合预测方法对最终沉降进行预测。

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[2] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

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The review on several key research issues about cement mixing pile composite foundation

MIAO Zhuang

(Xi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaRailwayEryuan,Xi’an710054,China)

The paper analyzes some key problems in the research on the composite foundation of the cement mixing pile from the stressed mechanism of the mutual effect between piles and soil, the calculation of the settlement volume, and the forecasting, illustrates some achievement, and points out the contents of the study in future, so as to lay the foundation for the improvement of the construction technology of projects.

cement mixing pile, composite foundation, settlement volume, forecasting

1009-6825(2014)03-0096-02

2013-11-06

苗 壮(1980- )，男，工程师

TU473

A