包裹砂桩复合地基的承载力和沉降特性

李建军， 李剑锋， 王 瑞， 蔡 乔， 徐鹏程

(1. 中北大学 土木工程系， 山西 太原 030051； 2. 长安大学 公路学院， 陕西 西安 710061)

砂桩属于散体材料复合地基的一种，适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、杂填土等地基。砂桩法最早由法国工程师提出，经过不断改良优化，工法和技术都逐渐走向成熟，国内外许多专家学者也对砂桩进行了研究，得出了一些结论。Ayadat等[1]通过改变土工布刚度以及模拟水流强度，得出了砂桩承载力随土工布材料强度增加而变强。赵明华等[2,3]采用圆孔扩张理论，进行了桩土应力比计算及试验，得到了桩土应力应变关系表达式。Ambily等[3]对不同置换率、抗剪强度以及荷载水平条件下碎石桩单桩及群桩的承载力和破坏性能进行了数值分析。Tan等[5]介绍了碎石桩复合地基有限元分析中获得平面应变单元的两种简单方法，并将它们用于碎石桩群桩复合地基的分析。张仪萍等[6]针对土工袋装砂石桩复合地基，推导非瞬时加载情况下土工袋装砂石桩复合地基固结度的解析解，并给出相应计算公式。段园煜等[7]分析了分级静载试验下的沉降、桩土应力比以及袋体张力分布等变化规律。Yoo等[8]利用离心加载装置，对传统砂桩和有土工材料包裹砂桩的承载性能进行了对比分析，探讨了土工材料抗拉强度对于土工袋包裹砂桩的破坏模式和承载性能的影响。欧阳芳等[9,10]通过实验对包裹碎石桩承载性能进行了研究，得出了包裹碎石桩复合地基的抗震性能优于碎石桩复合地基的结论。

以上文献研究主要是以数值模拟和理论推导为主，本文通过自行设计模型槽布置群桩，采用复合地基单桩静载荷试验，研究了包裹砂桩挤密砂桩复合地基与压密砂土地基承载力与沉降特性的差异，在考虑群桩效应的基础上，探究了桩长、桩径、桩间距、长径比对包裹砂桩承载性状和沉降的影响，并初步讨论了单桩加载过程中对周边桩体的影响情况。

1 试验材料选择

1.1 模型桩制作及选材

采用白色土工布制作圆柱体模型桩外壳，内部充填砂子，砂采用分层振密的方式灌入，保证分层均匀压实模型桩，并对上下面进行蜡封密封，如图1。复合地基模型槽采用直径为75 cm，高为100 cm的圆形铁桶内部填充砂子制成，并分层均匀压实。填充材料选用级配砂(内摩擦角为33°，泊松比为0.31)。

1.2 模型桩加载装置

采用自制加载装置对复合地基模型进行加载，加载装置如图2所示。装置主要由：加压装置、支撑框架和沉降测量系统组成。加压装置由已知质量的砝码、垫块、承压板组成，量测系统则由加载平台、百分表、土压力盒组成，支撑构架包括固定立柱等构件[11]。

图1 模型砂桩

图2 模型复合地基加载装置注:1—模型砂桩；2—模型复合地基；3—土压力盒； 4—承压板；5—垫块；6—加载平台；7—砝码； 8—固定立柱；9—百分表；10—圆柱形砂箱；11—砂垫层

2 静载试验

在模型槽内分层均匀填入砂土，并压至密实，直到所需高度。采用正方形布桩，布桩时，首先用套板将9根模型砂桩固定于砂土表面，分层填入砂土并利用捣锤将砂土振捣密实。填砂过程中在桩端和距桩顶的1/3L，2/3L(L为桩长)高度的桩侧分别埋入土压力盒，如图2。

模型桩埋好后，在桩顶铺设1 cm垫层。然后依次安装承压板、垫块、百分表和加载平台，并保证其几何中心位于同一条直线上，且地基表面和承压板水平[11]。并预压一级荷载，保证加载过程中加载平台水平。最后进行静载荷试验。

本次试验加载方法参照《建筑地基处理技术规范》[12]附录C进行。第一级加载15.85 kg砝码，然后每级加载14.10 kg砝码，每次试验加载均加载至破坏，加载曲线末端为模型桩破坏前最后一级加载。每组砂桩的3次平行试验极差均小于极限应力平均值的30%，满足中国建筑规范《建筑地基处理技术规范》[12]要求。本试验的结束条件(依据附录B)为：复合地基静载荷试验要点，采用终止试验标准的第二条：荷载板的累计沉降达到其直径的6%。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

土工布包裹砂桩试验分为A～H组，试验参数及主要试验结果见表1。模型单桩复合地基的极限应力变化较大，极限应力平均值分布在85.36～229.53 kPa之间。

A～H组承载力-沉降曲线如图3所示：

图3为几种不同工况的砂土地基室内模型的荷载-沉降曲线，荷载-沉降曲线A～G为在砂土中增加包裹砂桩的挤密砂桩地基，荷载-沉降曲线H为不增加砂桩的压实砂土地基，挤密砂桩地基和压实砂土地基的密实度为1.583～1.586 g/cm3，挤密砂桩的设计参数见表1。所有工况的荷载-沉降曲线均表现为缓变型曲线，地基土在上部荷载作用下，地基变形由弹性逐渐向塑形发展，其中不加桩体的压实砂土地基(H组)的荷载-沉降曲线比其它所有增加竖向包裹砂桩的挤密砂桩复合地基的荷载-沉降曲线都陡，极限承载力最小，在同一级荷载下，不加桩体的压实砂土地基H组沉降最大。由此可见，在地基土中增加包裹砂桩可以有效限制地基土的侧向变形，发挥包裹砂桩桩体的竖向承载力，使处理后的复合地基承载力明显提高，地基沉降显著减少。

图3 包裹砂桩各组荷载-沉降曲线

表1 包裹砂桩试验参数

注：D为桩径

3.2 试验结果分析

3.2.1桩径对包裹砂桩复合地基承载力和沉降影响分析

在8种试验工况中，B，D，E工况为桩长300 mm，桩间距3.5D，置换率均为0.0639，桩径分别为20，30，40 mm。从图4不同桩径下荷载-沉降曲线中可以看出，三种工况的荷载-沉降曲线均为缓变型曲线，工况B(20 mm桩径)荷载-沉降曲线陡而短，工况E(40 mm桩径)缓而长，工况D(30 mm桩径)居中，曲线变化趋势更接近于工况B。在相同荷载下，三组曲线中B组沉降量最大，D组次之，E组沉降最小。随着桩径的增大，复合地基沉降越小；在相同沉降时，桩径越大，复合地基承载力也越大。置换率相同时，桩径对复合地基承载力与沉降影响相对较大，尤其是桩径达到40 mm时，相对变化显著。

图4 不同桩径下荷载-沉降曲线

3.2.2桩间距对包裹砂桩复合地基承载力和沉降影响分析

工况A，B，C桩长均为300 mm，桩径均为20 mm，桩间距由3D，3.5D增加到4D，置换率依次由0.0870，0.0639减小到0.0489，从图5不同桩间距下荷载-沉降曲线中可以看出，三种工况荷载-沉降曲线变化规律基本相同，但随桩间距增加，曲线变陡，包裹砂桩分担的荷载份额变小，对复合地基承载力的贡献减小，曲线变化接近不加包裹砂桩的工况H。工况A，B和C与不加桩体的压实砂土地基工况H地基极限承载力68.66 kPa比较，桩间距由3D，3.5D至4D，地基极限承载力平均值分别由123.92，109.34 kPa减少到85.36 kPa，极限承载力依次提高了80.5%，59.2%和24.3%，沉降依次减小了35.9%，17.3%和10.4%(表1)。由此可见，在同样密实度的情况下，采用包裹砂桩可以明显改善松散砂土地基性状，在保持其它条件不变，桩间距的减小可以提高复合地基承载力和降低沉降。

图5 不同桩间距下荷载-沉降曲线

3.2.3桩长对包裹砂桩复合地基承载力和沉降影响分析

工况D，F和G的桩径均为30 mm，桩间距均为3.5D，桩长分别为300，400，500 mm。三种工况的荷载-沉降曲线非常接近，重合度较高(图6)，由此可见桩长对包裹砂桩复合地基承载力和沉降的影响不太显著，对于包裹砂桩复合地基而言，在满足复合地基承载力和沉降的前提下，可以尽量减少包裹砂桩的长度，有效降低成本。

图6 不同桩长下荷载-沉降曲线

3.2.4长径比对包裹砂桩复合地基承载力和沉降影响分析

工况B，D，E，F，G曲线置换率相同，均为0.069，除了桩径为40 mm的E组荷载-沉降曲线外，桩径为20 mm的B曲线和桩径为30 mm的D，F和G曲线变化几乎一致(图7)。工况E的桩长为300 mm，小于工况F和G，显然不是桩长引起承载力的明显提高，且有前面分析可知，桩长对包裹砂桩复合地基的承载力影响不显著。计算工况B，D，E，F，G的长径比，依次分别为15，10，7.5，13.3，16.7，可以看出，工况E的长径比明显小于其他包裹砂桩的长径比，桩土应力比更大，更有利于桩的承载力发挥。

图7 相同置换率下各组荷载-沉降曲线

3.2.5试验桩加载过程对其周边桩体的影响

为了研究包裹砂桩复合地基单桩加载过程对其周边桩体的影响，每次模型加载试验结束后都进行开挖观测，通过开挖观察发现，桩间距为3D时，与其相邻的4根边桩均会发生弯曲现象；桩间距为3.5D时，相近的4根边桩有1根或2根发生弯曲现象；桩间距为4D时，相近的4根边桩几乎没有发生边桩弯曲现象。以上现象说明，包裹砂桩处理的复合地基，桩间距为3D时，试验桩对相邻桩的影响较大，单桩复合地基上部加载的应力扩散至周边侧限桩，从而使侧限桩侧面受压弯曲；桩间距为3.5D时，试验桩对相邻桩影响相对较弱；桩间距达到4D时，试验桩与其他桩之间几乎不存在相互影响，因此可以认为，包裹砂桩复合地基单桩静载对其周边桩体影响范围不大于4D。

3.2.6试验桩侧土压力与桩端土压力分析

为了研究试验桩桩侧和桩端土压力的变化规律，在试验桩距桩顶1/3L处和2/3L处分别对称埋置侧向土压力盒，用于测量静载试验过程中试验桩侧向土压力的变化，在桩端埋设1个土压力盒，用于量测端阻力的分担比例。桩顶荷载达到最大值时，桩侧1/3L处桩侧向土压力占桩顶荷载百分比为18.87%～22.14%，平均值为20.5%；桩侧2/3L处桩侧向土压力占桩顶荷载百分比为13.14%～14.66%，平均值为13.81%；桩端荷载占桩顶荷载百分比6.66%～7.78%，平均值为7.17%，见表2。桩侧和桩端荷载分配比例与桩长关系不大，见表2中工况D，F和G，这也进一步验证了前述结论。

表2 各组桩体不同位置土压力分布

从表2可以看出，E桩的极限承载力(229.53 kPa)比D桩(139.81 kPa)增加了64%，桩长相同条件下，侧阻占桩顶荷载百分比差别不大，故相应深度处的侧阻也增加了约64%，造成以上差异的可能原因是：其一，由于桩径增大，桩侧接触面积增大，从而导致侧阻增大，该部分导致侧阻增大33%；其二，桩径增加，桩的竖向刚度和侧向抗弯刚度都会增加，同时承压板的面积增加，在加载过程中，试验桩周边的包裹砂桩对桩间土的侧限作用增强，试验桩周围形成了一个相对封闭的体系，承压板加载过程中，施加于桩间土体的竖向附加应力向下向外扩散过程中，侧向扩散受到一定限制，增强了试验桩与侧限桩之间土体的侧向应力；其三，桩间土挤密效应有可能使桩间土内摩擦角增加，因此产生侧向土压力系数增大。综上三种情况的共同影响，提高了侧阻力，进而形成较高的桩顶承载力。

为了详细说明静载试验过程中桩侧土压力和桩端土压力的变化过程，下面以D组试验为例对其进行分析。图8中，a曲线为桩端土压力；b曲线为桩侧2/3L处的桩侧土压力；c曲线为桩侧1/3L处的桩侧土压力；d曲线为桩顶加荷的土压力。对于D组，其桩顶极限承载力平均值为139.81 kPa，砂桩发生压屈破坏时，桩侧1/3L处土压力最大值为28.831 kPa，桩侧1/3L处的极限承载力为桩顶极限承载力的20.65%；桩侧2/3L处土压力最大值为20.132 kPa，桩侧2/3L处的极限承载力为桩顶极限承载力的14.39%；桩端土压力最大值为10.582 kPa，桩底极限承载力为桩顶极限承载力的7.20%。其他各组所占百分比情况如表2所示。

图8 D组桩体不同位置的土压力-时间曲线

对于以上现象解释如下：包裹砂桩距桩顶1/3L处桩侧向土压力明显大于距桩顶2/3L处，由Li Jianjun等[13]先前研究可知，对于包裹砂桩，从桩顶附近，由于复合地基静载荷试验中，承压板对试验桩和桩周土同时加载，在距桩顶一定范围，桩侧土的竖向附加应力增加，引起桩侧土对试验桩侧向约束增加，因此在桩附近，包裹砂桩不会发生鼓胀破坏，在距桩顶一定范围内，桩侧土对包裹砂桩约束减弱，包裹体材料强度不足时，桩会发生鼓胀破坏，包裹体材料强度满足要求时，包裹砂桩将发生压屈。由此可以推测，提高砂桩顶部一定范围的侧向约束，防止包裹砂桩发生桩侧鼓胀破坏，有利于提高包裹砂桩的竖向承载力。由于试验中桩侧埋设土压力盒较少，还无法确定砂桩侧向压力最大点确切范围，有待进一步的研究。

4 结 论

(1)通过自行设计模型槽布置群桩，采用复合地基单桩静载荷试验对包裹砂桩挤密砂桩复合地基与压密砂土地基承载力与沉降特性进行了对比试验，试验结果表明在地基土中增加包裹砂桩可以有效限制地基土的侧向变形，发挥包裹砂桩桩体的竖向承载力，使得处理后的复合地基承载力明显提高，地基沉降显著减少。

(2)研究了桩长、桩径、桩间距和长径比的改变对包裹砂桩复合地基承载力与沉降的影响。桩长对包裹砂桩复合地基承载力和沉降的影响不太显著。桩径、桩间距和长径比对包裹砂桩复合地基承载力和沉降影响较为显著，随桩径增大和桩间距减小，复合地基承载力提高，沉降降低，反之亦然。

(3)通过观察包裹砂桩复合地基单桩静载荷试验后试验桩与其周边桩体的变形，桩间距为3D时，试验桩加载对相邻桩的影响较大，周边桩全部受压弯曲；桩间距为3.5D时，试验桩对相邻桩影响相对较弱，距试验桩最近的4根边桩有1根或2根发生弯曲变形；桩间距达到4D时，试验桩与其他桩之间几乎不存在相互影响。因此，包裹砂桩复合地基单桩静载对其周边桩体影响范围不大于4D。

(4)通过在试验桩距桩顶1/3L处、2/3L处和桩端埋置土压力盒，测量静载试验过程中试验桩侧向和桩端土压力的变化，桩侧1/3L处桩侧向土压力占桩顶荷载约为20.5%左右，桩侧2/3L处桩侧向土压力占桩顶荷载约为13.81%，桩端荷载占桩顶荷载约为7.17%，桩侧和桩端荷载分配比例与桩长关系不大。