格栅状搅拌桩复合地基静载试验研究

吕文志，饶锡保，徐　晗，程永辉

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉　430010; 2.大连万达商业地产股份有限公司，北京　100022)

格栅状搅拌桩复合地基静载试验研究

吕文志1,2，饶锡保1，徐晗1，程永辉1

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉430010; 2.大连万达商业地产股份有限公司，北京100022)

摘要：为科学、合理地在砂土地基中进行高置换率栅状搅拌桩复合地基的设计和施工，在湖北汉江流域兴隆水利枢纽工程中，开展了格栅状搅拌桩复合地基静载荷试验研究。试验结果表明：① 可将P-ΔS/ΔP试验曲线归纳为3个阶段，即桩侧阻力发挥的直线段、桩端阻力逐步发挥的调整变化段与桩端阻力完全发挥的破坏段；②采用P-ΔS/ΔP曲线比P-S曲线更能反映桩基刚度变化及其工作形状与荷载传递规律；③高置换率的口型砂基搅拌桩外侧摩阻力可全长发挥，其极限承载力主要受桩底砂性土密实状态下剪松破坏后的残余强度控制，属于典型的摩擦端承桩。

关键词：格栅状搅拌桩；砂性土地基；静载试验；桩基刚度；桩侧阻力

1研究背景

在工程实践中，搅拌桩复合地基多以独立单桩型式和地基土构成，可称之为散点状搅拌桩复合地基；而搅拌桩纵横相互搭接成格栅状连续墙，格栅墙和被格栅墙分割的土柱一起组成的复合地基，为简便起见，可称之为格栅状搅拌桩复合地基。

散点状搅拌桩常用于淤泥、淤泥质土等承载力≤120 kPa的软黏土或粉土等地基，以解决承载力、稳定性和变形问题为主[1-3]；而格栅状搅拌桩用于以上地层，更易满足荷载水平高、沉降要求严、地基性质差等特殊情况对地基的要求[4-7]；此外，国内外还经常将格栅状搅拌桩用于松散-稍密砂土或粉土地基，解决地震液化问题、防渗问题；而在同时满足承载力、稳定性、变形问题及地震液化、软土振陷、防渗等问题上，格栅状搅拌桩复合地基更有着综合优势。

散点状搅拌桩复合地基的破坏模式一般可以分为桩间土先破坏和桩体先破坏2种情况，在实际工程中桩间土与桩体同时达到极限状态的概率很小[1,3]。刚性基础(如建筑刚性基础、箱形基础，又如混凝土大坝等)下的破坏形式为桩体首先破坏进而引发复合地基全面破坏的可能性较大，我国《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)中即采用此模式；而柔性基础下的破坏模式为桩间土先破坏的可能性较大[8]。

格栅状搅拌桩复合地基的破坏模式则较复杂。刚性基础下的破坏模式为格栅墙首先破坏的可能性较大；而当基础是柔性时，若格栅墙间距较大，土拱效应较弱，墙间土受荷较大，超过格栅墙侧限能力时，墙与墙间土同时破坏，若格栅墙间距较小，土拱效应较强，则格栅墙首先破坏的可能性较大[8]。

上述分析表明，由于结构形式、桩体强度、地基刚度、破坏模式等的不同，散点状与格栅状搅拌桩复合地基的承载力与变形等性状存在较大差异[8-9]，我国现行规范的理论与方法不能完全适用于格栅状搅拌桩复合地基。

目前国内外对于散点状搅拌桩复合地基取得了丰富成果[10-14]，但关于格栅状搅拌桩复合地基工作性状的研究工作却相对较少[6,9]。开展格栅状搅拌桩复合地基性状的室内外试验研究，既有理论意义，也有非常重要的工程实践意义。

湖北汉江流域兴隆水利枢纽是南水北调中线一期工程的重要组成部分，其中粉细砂层为枢纽主体建筑物地基，其厚度大约为20 m，结构较疏松，压缩性较大，承载力较低。为了提高坝址地基的承载能力、抗变形及抗渗、抗液化能力，设计采用格栅状搅拌桩处理电站厂房地基，其置换率高达40%～60%，为科学、合理地在砂土地基中进行高置换率栅状搅拌桩复合地基的设计和施工，对兴隆水泥枢纽格栅状搅拌桩复合地基进行了全面研究。

2工程地质条件概述

根据《兴隆初勘报告》，本次试验场地地层自上而下依次如表1和图1所示。

表1　主要土层渗透性

图1　坝址区工程地质剖面图Fig.1　Geological profile of Xinglong dam site

图2　格栅状试验群桩构型与土压力盒埋设Fig.2　Grid shape of trial piles and layout of earth pressure cells

3格栅状群桩静载试验

3.1试验布置

3.2试验结果

采用20%的掺灰量，水灰比1.0，按复搅复喷工艺施工，90 d龄期141个抽芯芯样强度最大值16.5 MPa，最小值2.6 MPa，均值7.058 MPa，标准差2.326 MPa，变异系数0.330，修正系数0.953，标准值6.724 MPa。群桩参数及静载试验结果见表2。

表2　群桩承载力特征值取值

3.3群桩荷载传递过程简析

3.3.1群桩静载试验常规曲线简析

因群桩周边地层主要为砂层、桩底为砂卵石地层，故其静载试验常规荷载与沉降曲线(P-S)、沉降与时间曲线(S-lgt)随着砂性土逐步压密而呈现缓变形态，除荷载与沉降值有区别外，曲线形态并没有大的区别，参见图3格栅状群桩试验P-S曲线、S-lgt曲线。因此，为深入研究荷载传递规律，就需要对试验结果采用其他办法分析。

需要说明的是，所有S-lgt曲线基本都呈水平形态，某级荷载下的沉降都没有随时间发展而出现软化现象，说明静载试验荷载逐步压密砂性土地基，地基能稳定提供承载力，且最大荷载下地层尚未破坏。

图3　格栅状群桩试验P-S曲线、S-lgt曲线Fig.3　P-S curve and S-lgt curve of grid-shaped CDM piles

3.3.2群桩静载试验P-ΔS/ΔP曲线分析

为分析砂性土地基的静载试验成果，采用了可反映荷载增加过程中地基力学特性变化的荷载与沉降随荷载变化速率曲线(P-ΔS/ΔP)，其中ΔS/ΔP为单位荷载下沉降变化，该指标能反映出地基柔度或刚度特性。从P-ΔS/ΔP曲线可发现荷载增加过程中桩基刚度的变化，从而对荷载传递和桩基承载力展开分析。如曲线上某段ΔS/ΔP值变大，表明单位荷载下沉降变大，桩基柔度变大、刚度变小，可能在桩身、桩侧或是桩端存在弱化。桩基刚度的变化，通过桩顶砂垫层与桩底持力层的刺入，引起桩间土受荷水平的变化，从而引起桩土应力比n的变化。因此P-ΔS/ΔP曲线和P-n曲线有一定关联性，可相互参考分析。分别绘制A3,A2,A1型格栅状群桩试验曲线，如图4至图6所示。可将P-ΔS/ΔP曲线归纳为以下3段。

图4　A3型格栅状群桩试验曲线Fig.4　Test curves of grid-shaped CDM piles for type A3

图5　A2型格栅状群桩试验曲线Fig.5　Test curves of grid-shaped CDM piles for type A2

图6　A1型格栅状群桩试验曲线Fig.6　Test curves of grid-shaped CDM piles for type A1

3.3.2.1桩侧阻力发挥的直线段

口型布置搅拌桩群在荷载板受力后，桩墙和墙内(或腔内)地基土通过柔性砂垫层协同工作、共同承担荷载板传来压力，此时桩头和桩身上段便开始产生压缩变形，桩与桩周土会因此产生侧阻力，使得桩身轴力减小直到为0，则轴力零点以下桩侧摩阻力不发挥，此时桩的沉降是稳步增加，也即是P-ΔS/ΔP曲线的直线段，该段主要反映出桩侧地基土对桩基承载力的贡献。

如果桩体完整性好且强度与刚度足够，随着外荷增加，桩身轴力便会继续往下传递，直到桩底，此时桩侧阻力全部发挥，P-ΔS/ΔP曲线直线段结束。实际上，因为水泥土材料强度不是很高，会因一定的塑性变形使得实际会有一定偏离；而群桩对桩身通过错位互补、桥架跨越作用对局部缺陷的消除和桩基刚度调整也会引起较单桩更为明显的前段、中段或末段的偏离直线。故P-ΔS/ΔP曲线中的直线段会有一定程度波状起伏，只有桩身完整性和整体强度较好情况，方能出现线性较好的直线段。在此P-ΔS/ΔP曲线的直线段，桩基承载力贡献以侧阻为主，桩底持力层压缩量非常微小，P-n曲线中的桩土应力比持续升高。

3.3.2.2桩端阻力逐步发挥的调整变化段

与单桩类似，群桩侧阻力全桩长发挥后，再增加的荷载中将主要由桩端阻力承担，桩工作性态开始受到桩端土的影响，桩基刚度会与前述直线段形态出现变化，也即P-ΔS/ΔP曲线形态出现变化处，桩侧阻力大部发挥、桩端阻力开始调动。随着桩身应力的往下传递，桩身缺陷会逐步显现，桩的工作性态也会同时受到桩身缺陷的影响。因此，该段曲线形态会因砂性土桩端持力层逐步压密、调整、反复变化，也会受到桩身缺陷引起弱化影响。

对比A3-1和A3-2桩的P-ΔS/ΔP曲线(参见图4)，A3-1桩身完整性更好和强度更高，A3-2桩在1 000 kPa时即出现急剧桩基刚度弱化现象，因侧阻力已经大部分发挥、端阻力完全发挥尚早，故应与局部桩身强度弱化有较大关联。因错位互补、桥架跨越作用，A3-2桩后续又恢复正常。受强度影响，桩土应力比大小与曲线形态两者也明显不同，A3-2桩土应力比明显偏小，且有3个以上调整平台。

分析A2-1桩和A2-2桩的P-ΔS/ΔP曲线和P-n曲线(参见图5)，两者桩身完整性和强度都较好，故曲线形态和荷载大小相近。A2-2桩显示此型群桩在1 200 kPa时即出现急剧桩基刚度变化现象，应与桩端阻力发挥有较大关联。端阻力发挥到荷载1 500～1 750 kPa时桩土应力比达到最大，A2-1桩端压密和刚度强化较A2-2桩明显，故其桩土应力比较大。

分析A1-1桩和A1-2桩的P-ΔS/ΔP曲线和P-n曲线(参见图6)，两者桩身完整性和强度都较好(A1-1桩在初始阶段存在桩顶局部弱化现象，后续通过错位互补、桥架跨越作用发挥了较高强度)，故曲线形态和荷载大小相近。A1-1桩经过2次桩端压密，其刚度强化较A1-2桩明显。

3.3.2.3桩端阻力完全发挥的破坏段

经过桩端砂性土逐步压密和桩端阻力完全发挥，密砂进入剪松阶段，对应在P-ΔS/ΔP曲线上存在明显弱化段，虽还有弱化后的再恢复(如A2-1桩和A2-2桩尾部)过程，但其斜率明显较调整阶段大且调整阶段较短，鉴于其沉降已较大，定义为工程意义上的破坏阶段。

综合本次试验结果，整个过程中，P-S曲线呈缓降型，无陡降段，而P-ΔS/ΔP曲线经历了初始直线段后端阻力开始发挥，并在桩端砂卵石层压密增强过程中，呈现有多个平展台阶(变缓)或尖突性反转(刚度弱化后再恢复)，整个曲线历程中以此阶段为主体；后期会因密实砂性土剪松而出现沉降过大、桩基破坏。

4结论

(1) 格栅状群桩P-ΔS/ΔP曲线可归纳为3段，即桩侧阻力发挥的直线段、桩端阻力逐步发挥的调整变化段与桩端阻力完全发挥的破坏性段。

(2) 静载试验结果表明，高置换率的口型砂基搅拌桩采用P-ΔS/ΔP曲线比P-S曲线更能反映桩基刚度变化及其工作形状与荷载传递规律。

(3) 高置换率的口型砂基搅拌桩侧阻力可全长发挥，其极限承载力主要受桩底砂性土密实状态下剪松破坏后的残余强度控制，属于典型的摩擦端承桩。

参考文献：

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(编辑：赵卫兵)

LÜ Wen-zhi1,2, RAO Xi-bao1,XU Han1,CHENG Yong-hui1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,

Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China;

2.Dalian Wanda Commercial Real Estate Co., Ltd.,Beijing100022, China)

Static Load Tests on Composite Foundation of Grid-shaped CDM Piles

Abstract:In order to realize the scientific and reasonable design and construction of composite foundation of grid-shaped CDM(cement deep mixing) piles with high-replacement rate in sand foundation, we carried out the static load tests on the composite foundation of grid-shaped CDM piles, Xinglong hydro-junction in Hanjiang River basin in Hubei provinceis taken as example. Result shows that 1) the P-ΔS/ΔP(pressure vs. variation rate of settlement with pressure) curve of CDM piles can be divided into three sections, that is, the line segment of pile shaft resistance, the adjustment and change section of pile tip resistance and the failure section of pile tip resistance. 2) The curve of P-ΔS/ΔPcould better reflect the rigid variation and working behavior of the composite foundation of CDM piles than the curve of P-S(pressure vs. settlement). Moreover, the pile shaft resistance can be fully developed, which has mouth-shaped layout with high-replacement rate in sand foundation. The piles in grid shape are typical frictional end bearing piles as the limit bearing capacity of pile is mainly affected by the residual strength of bottom sandy soil in compacted state after shear failure.

Key words:grid-shaped CDM piles; sandy soil foundation;static load test; stiffness of pile foundation; pile shaft resistance

收稿日期：2015-03-12；修回日期：2015-04-28

基金项目：国家自然科学基金项目(51309029);长江科学院创新团队项目(CKSF2015051/YT)；长江科学院院所基金项目(CKSF2015036/YT)

作者简介：吕文志(1975-)，男，湖北武穴人，高级工程师，博士，主要从事地基处理应用研究，(电话)18008622865(电子信箱)wz13871282176@163.com。 通讯作者：饶锡保(1964-)，男，湖北武穴人，教授级高级工程师，硕士，主要从事岩土力学性质方面的工作，(电话)027-82829741(电子信箱)raoxibao8899@126.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150178

中图分类号：TV223.2

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0065-05

2016,33(06):65-69