夯实水泥土桩复合地基的应用和承载力分析

高笑娟，李跃辉，马建军，杨晓斌

（1.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023；2.洛阳市建工桩基检测有限公司，河南洛阳 471000）

夯实水泥土桩复合地基的应用和承载力分析

高笑娟1，李跃辉1，马建军1，杨晓斌2

（1.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023；2.洛阳市建工桩基检测有限公司，河南洛阳 471000）

为了研究单桩承载力对复合地基承载力的影响，在洛阳地区某具有湿陷性的黄土地基中进行了相关的静载荷试验。试验结果显示：当单桩承载力低于要求值时，复合地基的承载力也可能满足设计要求。说明复合地基承载力不仅受单桩承载力的影响，而且与桩周土层的性质密切相关。在静载荷试验的基础上，利用有限元方法分析了复合地基承载力的影响因素。分析结果表明：复合地基承载力受桩周土层参数影响较大，受桩身水泥土强度影响较小。因此，利用经验公式对复合地基承载力计算时，可以适当降低对单桩承载力的要求而提高对桩周土层参数的要求。

夯实水泥土桩；复合地基；湿陷性黄土；承载力；水泥土强度

0 引言

在建筑业发展的过程中遇到的建筑地基复杂多样，适合于不同地基土体的地基处理方法很多，其中夯实水泥土桩复合地基就是近些年来出现的一种相对新型的地基处理方法，适用于中国北方地下水位较低的地区。该方法将常用建筑材料水泥作为固化剂，采用人工或者机械的方法成孔之后，将水泥和土体按照一定的比例混合均匀，分层填入孔中并夯实形成有一定强度的水泥土桩体，与桩周土体和上部垫层一起形成复合地基以提高地基承载力［1］。夯实水泥土桩作为中等黏结强度桩，适用于地下水位以上淤泥质土、素填土、粉土、粉质黏土等地基加固［2－4］，特别是对于具有湿陷性的黄土地基，通过成桩过程中的挤密作用能够消除黄土的湿陷性，取得比较经济的效果［5－6］。当前，夯实水泥土桩已经在北京、天津、河北、河南、青海、内蒙古等省市自治区应用［7］。

复合地基使用过程中，其承载力的确定一直是工程界普遍关注的问题。然而，当前夯实水泥土桩复合地基的设计和承载力计算方法严重滞后于实践的发展，夯实水泥土桩对地基的加固和承载力的提高机理尚不清楚［8－9］。工程技术人员对夯实水泥土桩复合地基的设计计算通常根据有关经验公式，考虑单桩承载力、桩周土层承载力、面积置换率和挤密系数等因素来确定，取得了较好的效果。但是工程中也出现了一些问题，例如：对某些场地上夯实水泥土桩复合地基进行的静载荷试验，发现虽然单桩承载力达不到设计要求值，而复合地基承载力却满足要求的现象，但是根据规范对单桩承载力的要求，还必须采取对单桩进行加固处理的措施。由此可见，复合地基承载力的影响因素多，桩土的作用机理复杂，依据现有的经验公式计算出的承载力可能会给工程带来一些问题，有必要对其进行专门深入的研究，以提高其合理性。本文根据洛阳某园区具有湿陷性黄土的复杂场地条件下夯实水泥土桩复合地基遇到的问题，结合数值模拟的方法研究了夯实水泥土桩单桩和复合地基承载力的相关因素，为工程设计提供参考。

1 工程概况

根据工程勘察的结果，拟建场地地形起伏较大，大致呈北低南高、西高东低之势，地表呈台阶状及斜坡分布，地层随斜坡分布，层面坡度超过10%。根据野外钻探、现场原位测试及室内土工试验成果进行综合分析，除局部表层分布填土外，地基土主要为第四纪冲（坡）、洪积作用形成的黄土状粉质黏土、粉质黏土夹黏土层。场地有掩埋的古冲沟，局部有空洞、墓坑及2～6 m高的陡坎，场地浅部墓坑分布较多，造成浅层地基土层分布不连续。勘察期间，部分钻孔内见有地下水，水位随地势变化，但水量总体不大且水位不高。场地地下水及土对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。由《岩土工程勘察规范》［10］判定，该场地属于中等复杂的建筑场地。对场地土的湿陷性指标进行分析，结合《湿陷性黄土地区建筑规范》［11］，判定该场地属于非自重湿陷性黄土场地，场地地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）。各层地基土的物理参数见表1。

表1 各层地基土的物理参数

园区内拟建建筑类型有车库、幼儿园、办公楼、小高层住宅和高层住宅等，对地基承载力要求不一。结合场地特征、洛阳地区的施工方法、经济效益等多方面的因素，对独立基础、钻孔灌注桩基础、复合载体夯扩桩基础、夯实水泥土桩复合地基等进行综合分析，最后确定多层框架剪力墙结构建筑、小高层和高层住宅剪力墙结构建筑采用夯实水泥土桩复合地基。对于桩持力层在地下水位附近的，采用夯实水泥土桩施工时，桩端夯实填料之前在桩底加入硬骨料夯底，确保桩底夯实。对于部分建筑基底悬空的，在夯实水泥土桩施工前清除表层虚填土，采用素土分层压实回填到基底标高以上，然后进行夯实水泥土桩的施工。

2 夯实水泥土桩的设计和检测

2.1 夯实水泥土桩复合地基设计

以2-1＃楼为例，该建筑地上5层、地下1层，采用框架剪力墙结构，要求复合地基承载力290 kPa以上。设计时夯实水泥土桩采用等边三角形布桩，桩间距取2.2d（d为桩身直径），设计桩长不小于8.5 m。根据拟建建筑物的岩土工程条件，以（5）粉质黏土或（6）粉质黏土层作为夯实水泥土桩的持力层。

规范规定，夯实水泥土桩初步设计时，复合地基的承载力特征值按以下公式计算：

单桩竖向承载力特征值Ra由下式计算：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；qpa、qsia分别为桩端阻力、桩侧阻力特征值，kPa；Ap为桩底端横截面面积，m2；up为桩身周边长度，m；li为第i层土的厚度，m；m为置换率；β为桩间土承载力折减因数；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa。

桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

式中：fcu为桩体混合料试块（边长150 mm立方体）标准养护28 d抗压强度平均值（按4.50 MPa取值计算）。

结合式（2）和式（3），确定桩径0.5 m、桩长8.5 m的夯实水泥土桩单桩竖向承载力特征值为290 kN。

对于复合地基的承载力，当桩直径为0.5 m，桩间距为1.10 m，按等边三角形布桩计算置换率m＝0.187。当桩身压实效果及桩间土挤密效果满足规范要求时，β取值为0.85，在桩身强度满足要求的情况下，按式（1）估算，处理后的复合地基承载力特征值可达373 kPa左右，满足设计要求。

2.2 承载力检测

图1 复合地基载荷试验示意图

单桩载荷试验采用压重平台反力装置，堆载重物为预制混凝土块。复合地基载荷试验装置由反力系统、加压系统、观测记录系统3部分组成，堆载重物为预制混凝土试块，如图1所示。试验采用直径为1.26 m的圆形承压板，压板面积为1.25 m2。对于单桩和复合地基的载荷试验标准分别按照《建筑地基基础设计规范》［12］和《建筑地基处理技术规范》［3］的要求进行。

在对单桩和复合地基进行载荷试验之前，对处理后的桩周土层性质进行了检测，检测结果显示：土层被显著挤密，桩周土层的压缩模量值列在表1中，并且土层的湿陷性已经消除。

单桩的静载荷试验随机选取14根，约占本工程总桩数1 423根的1%，单桩复合地基试验选取14个点，约占1%。静载荷试验结果表明：对于进行静载荷试验的14根单桩，其中8根桩承载力满足设计要求，6根桩承载力不满足设计要求。不符合承载力要求的单桩为检测总桩数的42.8%，并且14根试验桩的极差已超过其平均值的30%。进行单桩复合地基载荷试验的14个点，承载力均满足工程要求。承载力不满足要求的6根桩荷载-沉降曲线（P-s曲线）如图2所示，限于篇幅，复合地基试验的P-s曲线未列出。从图2中曲线的发展情况来看，单桩的P-s曲线并未出现“陡降段”。除了473＃桩和607＃桩由于沉降不符合规范要求而未加载到极限值之外，其他4根桩均加载至设计极限荷载，只是沉降值超过规范要求。本工程中单桩的P-s曲线为“缓变型”，说明未发生文献［13－14］中所说的桩身材料破坏，试验后对部分单桩的开挖也证实了这个结论。根据当前规范对单桩承载力的要求，对单桩进行了加固补强。

图2 失效桩的P-s曲线

由以上检测结果可见：夯实水泥土桩单桩和其形成的复合地基在承载上存在差别。对单桩进行载荷试验时，桩顶直接承受上部荷载，桩身发生竖向位移和竖向压缩变形；复合地基是单桩与其周围的土层一起，通过上部褥垫层的协调共同承担上部荷载。因此，复合地基承载力除了受单桩承载力影响之外，还应与桩周土层的性质和上部褥垫层的性质密切相关。对于本工程中出现的问题，在洛阳地区其他工程中也出现过，说明复合地基承载力计算时单桩的作用需要重新考虑，或者在采用此类复合地基时，对单桩承载力的静载荷试验的要求有必要进行深入探讨。然而由于静载荷试验数据有限，还由于工程中的种种限制，不可能对每根失效单桩进行开挖分析，因此，有必要采取有限元方法对夯实水泥土桩及其复合地基的承载力影响因素进行规律性分析，找出其中影响大的因素，为工程设计提供参考。

3 单桩和复合地基承载性状模拟分析

3.1 分析模型

本次分析采用商用有限元分析软件ABAQUS，由于单桩和单桩复合地基几何尺寸对称，所受到的荷载也对称，分析时对桩和复合地基均采用轴对称模型，可以将三维问题转化成二维问题，简化分析过程。桩周土层的划分以2-1＃楼6＃桩孔勘察的结果为例，桩周土层共分成6层，土层的参数取表1中实测的结果。桩侧土的压缩模量取单桩施工后挤密后的模量值。桩身和承压板采取线弹性模型，桩周土层和垫层采用Mohr-Coulomb模型，该模型能更好地反映土和垫层这种散粒材料的工程特性［15］。对于垫层为了避免分析不收敛，对土的黏聚力取一个较小的数值而不是直接取为0。模型的底面固定竖向和水平方向的位移，两侧面约束水平方向位移。桩和周围土层采用摩擦接触，压板和垫层、垫层和桩顶之间采用Tie接触。

图3 模拟曲线与实测曲线对比

为了验证有限元分析的可靠性，对复合地基311＃点进行模拟分析，图3为模拟P-s曲线与实测曲线的对比。由图3可知：模拟的结果与实测结果比较接近，基本上能够反映复合地基的沉降发展过程，说明采用有限元分析法是可行的。

3.2 桩身强度对承载力的影响

为了研究桩身强度对单桩和复合地基承载力的影响程度和影响规律，桩身采用线弹性模型，影响桩身强度的因素仅为其弹性模量值，改变桩身的弹性模量进行了3次分析，单桩桩顶的P-s曲线和单桩复合地基承压板的P-s曲线见图4和图5。通过图4和图5的对比分析可知：对于单桩来说，其桩身刚度直接影响桩顶沉降量，桩身的弹性模量越大，桩身的压缩变形越小，桩的承载力就越高，这和文献［16］的研究结果是一致的。当桩身弹性模量Ep分别为200 MPa、300 MPa和500 MPa时，在584 kN荷载作用下桩顶沉降量分别为13.18 mm、9.71 mm和6.56 mm。对于同样单桩形成的复合地基，桩身弹性模量的改变也能影响到承压板的沉降量，但是由于上部垫层的作用，这种影响要小得多。当桩身弹性模量从200 MPa增加到300 MPa时，在584 kPa的荷载下，承压板的沉降量从17.8 mm减小到16.7 mm；而当桩身弹性模量继续增加到500 MPa时，承压板的沉降不减小反而又有增加趋势。这说明桩身强度的增加对复合地基承载力的提高程度有限，复合地基的承载力除了受到单桩桩身强度影响之外，还受到桩周土层各种参数的影响。

图4 桩顶沉降与桩身刚度的关系

图5 压板沉降与桩身刚度的关系

3.3 桩周土抗剪强度指标的影响

由于分析时对土层采用的是Mohr-Coulomb模型，该模型中能够影响到土层力学性质的指标有土的抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）以及土层的压缩模量。因此，需要分析几个参数对单桩和复合地基承载力的影响。图6和图7分别为考虑桩周所有土层的抗剪强度指标后，所得的单桩桩顶和承压板顶部随荷载的变化情况。由图6和图7可以看出：对于本次分析，在改变桩周土层抗剪强度指标时，桩顶的沉降值在几种情况下没有太大变化。本次分析的夯实水泥土桩是一种柔性桩，在桩顶荷载作用下，桩身发生的压缩变形较大，桩周和土层之间相对滑移较小，因此，桩侧土层的抗剪强度指标对桩顶沉降的影响不明显。而对于复合地基，桩周土性质参数改变之后，压板顶部的沉降受到影响，土的抗剪强度越高，压板的沉降量越小。按照规范中对复合地基承载力的评价方法，即是以承压板顶部的沉降量为判断依据，说明复合地基的承载力高。但这个影响也有一定的范围，例如图7中，在压板荷载为580 kPa时，对于原土，压板的沉降为17.8 mm；当土层的黏聚力增加5 kPa，内摩擦角增加5°时，压板沉降减小到15.59 mm；当黏聚力增加10 kPa，内摩擦角增加10°时，压板沉降为14.35 mm。

图6 单桩沉降量与土的抗剪强度指标的关系

图7 复合地基沉降量与土抗剪强度指标的关系

3.4 桩周土层弹性模量的影响

图8和图9分别为对桩周不同深度的土层弹性模量改变后沉降的变化情况。本工程中桩周1～4层土位于桩身较靠上部位，5～6层土位于桩身下部和桩端底部。由图8和图9可见：桩周不同深度土层的弹性模量对桩和复合地基的承载力有影响，而且桩身上部土层的影响大于下部土层，对复合地基承载力的影响大于对单桩承载力的影响。因此，对于复合地基，施工时对靠上部分土层的挤密至关重要，直接影响到复合地基的承载力。因为夯实水泥土桩桩体刚度较小，属于柔性桩，在受到荷载以后桩身的压缩变形主要发生在桩身上部一定范围之内，主要是上部承担荷载，因此下部土层的影响较小。

图8 桩顶沉降与桩周土层弹性模量的关系

4 结论

结合洛阳地区一处具有湿陷性的复杂建筑场地上的夯实水泥土桩及其复合地基的静载荷试验结果，研究了夯实水泥土桩复合地基在该场地上的应用情况。分析了该复合地基承载力计算公式的估算方法，并且结合有限元方法分析了夯实水泥土桩单桩及其复合地基承载力的影响因素，主要得出以下结论：

（1）夯实水泥土桩在地下水位较低的复杂建筑场地上能够使用，施工过程中对桩周土层的挤密作用能够消除湿陷性黄土的湿陷性，提高地基的承载力，但复合地基承载力提高的机理不够明确，还需深入研究。

（2）对夯实水泥土单桩和复合地基承载力的静载荷试验结果表明：当单桩承载力达不到规范要求值时，复合地基的承载力也可能满足要求。因此，对复合地基承载力计算可适当减小单桩承载力所占比例，提高土层性质对复合地基承载力所占比例。

（3）夯实水泥土桩单桩和其复合地基承载力的影响因素不同，单桩更多受到桩身弹性模量的影响，复合地基承载力更多受到桩周土层抗剪强度参数的影响。

（4）桩周上部土层的强度对单桩和复合地基承载力的影响大于下部土层，且对复合地基承载力的影响大于单桩，因此，工程施工时应尽量对上层土充分挤密以保证复合地基的承载力。

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TU443

A

1672－6871（2015）05－0062－06

国家自然科学基金项目（51474095）；河南省教育厅重点基金项目（14A410003）

高笑娟（1973－），女，河南偃师人，副教授，博士，研究方向为地下结构与土相互作用.

2015－01－16