深层水泥土搅拌复合地基的桩土应力比试验研究

李计山

（中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，河北保定071000）

深层水泥土搅拌复合地基的桩土应力比试验研究

李计山*

（中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，河北保定071000）

采用深层水泥搅拌法处理含粗砾砂粘性土，进行复合地基试验，对试验结果进行分析，得出准确的桩土应力比。

深层搅拌；复合地基；桩土应力比

1 概述

本文对采用深层水泥搅拌法处理含水量较低的含粗砾砂的粘性土、残积土进行了试验。对试验过程进行了描述，对试验结果进行了分析。

2 地层概况

试验场地位于围海填土区，主要地层有：①层：填土。花岗岩坡、残积形成的粘性土和含砂粘性土，厚约3m。②-1层：中粗砾砂，海相成因，深灰—褐黄色，饱和松散，厚2m，w=18.6%。②-2层：粘土，部分粉质粘土，冲洪积成因，以洪积为主，灰—黄灰色，土质软，含少量有机质及中细砂颗粒，软塑，厚1.9m，w=34.8%。②-3层：粘性土及粘性土含粗砾砂，冲洪积成因，以洪积为主，颜色较杂，有褐黄、兰灰、灰绿等色，土质一般，可塑，厚2.8m，w=24%。含砂量33.6%～38.7%。②-4层：粘土及粘土含砾砂，冲洪积成因，洪积为主，褐灰、灰白、兰灰等色，土质较差，软塑，厚3.3m，w=30%～40%。含砂量30.1%～47.8%。④-1层：粘性土及含粗砾砂粘性土，残积成因，褐黄色，土质一般，粘性土中含大量云母，可塑，w=25%～32.5%，厚13.1m，含砂量30.1%～47.8%。

3 深层搅拌法

使用单轴搅拌机，动力74kW，转速40r/min，桩径500mm，采用425#普通硅酸盐水泥，水灰比0.8。0～5m范围内水泥掺入比18%，5m以下水泥掺入比15%，石膏掺入量为水泥用量的2%，木质素掺入量为水泥用量的2‰。

复合地基试桩布置见图1、图2、图3。

图1 1#复合地基(单位：mm)

图2 2#复合地基(单位：mm)

4 土压力盒埋设方法

方法一：将桩、土整平在同一水平面上，铺一层2mm厚细砂，再铺一层32mm厚水泥砂浆，将侧面用牛皮纸包裹的压力盒嵌入其中，土压力盒顶、底面与砂浆顶底面平齐，见图4。

方法二：将桩、土分别整平，放上土压力盒，周围培土夯实，使桩顶上土压力盒的顶面、土中土压力盒的顶面、未放土压力盒的桩顶面和地面在同一水平面，见图5。

土压力盒的布置位置见图1中T1～T4；图2中T5～T8、图3中T9～T17。

载荷试验结果见表1、表2、表3和图6。

5 试验结果分析

图3 3#复合地基(单位：mm)

图4 1#复合地基土压力盒埋设方法

图5 2#、3#复合地基土压力盒埋设方法

表1 1#复合地基桩土应力值表

1#复合地基土压力盒观测值如表1所示。在任何一级荷载下，将桩上土压力盒的应力值乘以载荷板下的桩顶面积（0.785m2）加上土中土压力盒的应力值与荷载板下土的面积（1.775m2)的乘积，所得的和远小于本级荷载。这说明桩上或土中的土压力盒观测值未反映实际加在桩或土上的应力。

表2 2#复合地基桩土应力值表

表3 3#复合地基桩土应力值表

图6 复合地基p-s线

分析造成桩、土压力盒观测不准的原因，主要是土压力盒的变形模量小于其周围水泥砂浆的变形模量，当加荷时，应力向土压力盒周围的水泥砂浆上集中，土压力盒所承担的是土压力盒与水泥砂浆等变形条件下的应力。

2#、3#复合地基土压力盒观测值见表2、表3。

在任一荷载下，将桩上土压力盒的观测值乘以载荷板下桩顶面积的积，加上土中土压力盒观测值与载荷板下土的面积的积，其值大于所施加荷载。

分析造成这种现象的原因：一是桩上土压力盒周围培土。在荷载作用下，放有土压力盒的桩与未放土压力盒的桩承受近乎相等的压力。在放有土压力盒的桩上，这个压力大部分集中在土压力盒上，只有一小部分分布在桩顶上部土压力盒周围的土体上，土压力盒上的应力大于桩体上的应力，故用桩上土压力盒所测得的应力乘以桩的截面积所得的力显然大于桩实际承受的力。二是桩上土压力盒所承受的应力大于土压力盒的额定值，它已不能再反映实际的应力，故不能用观测到的桩土应力值计算桩土应力比。分析土压力盒埋设方法，笔者认为埋设方法二土中土压力盒的观测值较接近实际情况。

以土中土压力盒观测值为准，求出桩上应力值，进而求出桩土应力比n值，见表4、表5。

表4 2#复合地基的桩土应力比

表5 3#复合地基的桩土应力比

从图7中可以看出，2#复合地基的n-p线是一条斜线，3#复合地基的n-p线是一条曲线，理论分析，当p=0时n=0、n-p线应是一条经过原点的曲线，3#复合地基的n-p线近似于这一理论曲线，分析这一曲线可知，在前几级荷载作用下应力迅速向桩上集中，这是由于桩的压缩模量大，土的压缩模量小所致，在曲线上表现为斜率大于1。当桩上荷载接近桩的极限荷载时，曲线变缓，斜率小于1，应力开始向土上集中，当土的沉降变形较大时，应力再次向桩上集中，在图7中表现为曲线上翘。2#复合地基的n-p线取点较少，不能反映出该曲线后半部分的趋势，故无法分析。

图7 复合地基n-p线

从图6的p-s曲线可看出1#复合地基的极限承载力为970kN。2#复合地基的极限承载力为860kN。由于受加荷能力的限制，3#复合地基的极限荷载未做出。但从其已有部分的趋势来看它的极限荷载约为800kN。3#复合地基的桩土置换率高于1#复合地基和2#复合地基的置换率，但其极限荷载却比他们低。分析造成这种现象的原因，笔者认为是由于桩间距过小，搅拌过程中地表几米的桩间土被搅疏松，是造成极限承载力低的原因之一。从理论上讲，应该置换率越大极限承载力也越大。造成这种实际与理论不一致的原因是理论上未考虑桩间土地表部分被搅疏松这一实际存在的问题，对不同的地层产生这一现象的桩间距可能不一样。

6 结论

水泥深层搅拌法不仅可用于处理淤泥、软粘土地基，还可用于处理含水量较低的含粗砾砂残积土。

桩上土压力盒的埋设技术要求较高，受外部条件的影响较大，当直接把土压力盒放在桩顶作为应力传感器一样使用时，需用大量程的土压力盒。相比之下，土中土压力盒受外界条件的影响较小，直接埋入土中的土压力盒比埋入水泥砂浆中土压力盒更能反映土中实际应力。

桩土应力比n是一个随应力增大而增加的值，它们之间并不是简单地线性关系，而是近似于二次曲线（抛物线）关系，n值的变化范围从1.85～7.5。在计算复合地基的标准承载力时，一般情况下可取为6。

采用复合地基时，桩土置换率并非越大越好，桩间距过小时，搅拌可能会破坏地表1～2m范围内桩间土的原结构，使其变疏松，降低桩间土的承载力，复合地基承载力也降低。

TU473.1

A

1004-5716(2015)05-0008-03

2014-11-14

2014-11-30

李计山（1959-），男（汉族），河北隆尧人，高级工程师，现从事岩土工程技术工作。