大直径劲性搅拌桩承载力试验研究

赵子江，陈强，别社安

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300350；2.天津港航工程有限公司，天津 300457）

0 引言

劲性搅拌桩是将硬芯（PHC管桩、混凝土方桩等）植入凝结前的水泥土搅拌桩中，使桩顶载荷由芯桩传递至水泥土再传递到桩周土，可以有效提升承载力和控制沉降，在我国沿海地区的深厚软土层中广泛使用，避免了灌注桩施工泥浆排放污染、预制桩施工噪音污染，符合国家绿色施工的环保要求。

劲性搅拌桩自从在国内应用以来，不少学者对其承载机理进行了研究。1998年，凌光荣等[1]进行了劲性搅拌桩承载力试验，结果显示，劲性搅拌桩极限承载力比同尺寸灌注桩增大了1.36～1.54倍，且和插芯的长度、截面的含芯率有关。2000年，吴迈等[2-3]通过室内模型试验研究表明，劲性搅拌桩的芯桩和水泥土之间的侧摩阻力与水泥土无侧限抗压强度fcu有关，平均值约为0.194fcu，而水泥土本身的抗剪强度为0.2fcu～0.3fcu，所以在水泥土自身可能发生剪切破坏之前，芯体和水泥土之间已经发生破坏。2010年，丁永军等[4]的方形芯桩劲性搅拌桩承载力试验表明，劲性搅拌桩的侧摩阻力和规范建议的混凝土预制桩相比可以提高到1.29～3.9倍。2013年，钱于军等[5]以实际工程桩为背景，得出了管桩-水泥土复合桩身的轴力、桩端阻力分布特征。

本文进行了足尺度等长芯桩大直径劲性搅拌桩现场试验（JGJ-94—2008《建筑桩基技术规范》规定设计直径d≥800 mm为大直径桩），并和同直径灌注桩进行对比，研究试桩的承载力发挥机制，为重新修订DB29-102—2004《劲性搅拌桩技术规程》提供试验数据，以供桩基设计参考。

1 试验场地工程地质概况

试桩场地位于天津市汉沽区杨家泊镇天津港航桩业有限公司园区。场地地势平坦，原地貌为鱼池，地表为人工填土，勘察孔位布置在准备施工的搅拌桩孔位，土层的分布见图 1，各项物理力学指标见表1。

图1 土层分布和钢筋应力计在竖向土层分界面处布置Fig.1 Arrangement of soil distribution and string wire stress gauges at the soil interface

表1 桩长范围内土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indicators of soil layers within the length of the pile

2 试验方案

对劲性搅拌桩和相同直径灌注桩进行承载力试验对比测试，研究二者承载力差异。设置和劲性搅拌桩长度相同、水灰比一致的水泥土桩，取芯研究水泥土芯的单轴抗压强度随着埋深增大的变化趋势。本次试验所涉及的劲性搅拌桩、灌注桩、水泥土桩、管桩的桩长和数量如表2所示。

劲性搅拌桩芯桩采用国家建筑标准设计图集10G409，型号为PHC800C130-15、PHC600C 130-15和PHC600 C 130-10。劲性搅拌桩水泥土掺灰量22%（湿土重量），水灰比1.5，外掺减水剂为聚羧酸1%（水泥重量）。

劲性搅拌桩的施工工艺为“四搅四喷”，在桩顶以下3 m、桩底以上2 m范围内喷浆复搅。目的是使得水泥浆能与土充分拌和，提升桩身质量。

根据地质勘察报告，钢筋应力传感器埋设在每个土层交界面来监测轴力，位置如图1所示。本次现场单桩竖向抗压静载荷试验的检测方法为慢速维持荷载法。试验依据的规范条文为JTJ 255—2002《港口工程基桩静载荷试验规程》和JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》。

表2 试桩方案Table 2 Testing scheme

3 试验结果与分析

3.1 水泥土强度随深度的变化

对水泥土搅拌桩N1、N2进行钻芯取样，测试其单轴抗压强度，目的是考察搅拌桩水泥土的均匀性、完整性以及成桩质量。部分水泥土钻芯如图 2（a）所示。N1、N2在桩长范围内的取芯样品连续、完整、坚硬，搅拌均匀，呈柱状，表明芯样均匀性良好。

图2 水泥土强度随深度的变化及部分钻芯展示Fig.2 Variation of cement-soil strength with depth and part of core display

水泥土取芯强度随着深度增加单轴抗压强度逐渐减小，如图 2（b）所示，与文献[6]结果一致。取芯结果表明桩身上部成桩质量仍然好于桩身下部。N1钻芯平均强度4.307 MPa，N2钻芯平均强度3.355 MPa，所有取芯的最小值为2.17 MPa。

式中：Fs为管桩和水泥土内界面所能提供的极限剪切力；d为管桩的直径；L为管桩的长度；α为水泥土内界面黏结系数，文献[2]表明水泥土内界面黏结系数平均值为0.19，仅与水泥土无侧限抗压强度fcu相关。

保守计算，fcu取N1、N2所有取芯样品中最小值2.17 MPa，按照式（1）计算S11、S5的内界面极限剪切力。计算结果为S11内界面可以提供31 719 kN抗剪力，S5可以提供23 789.2 kN抗剪力，远大于S11的极限载荷10 000 kN和S5的极限载荷9 000 kN，表明水泥土和管桩接触的内界面所能提供的抗剪力富余量足够，可使管桩和水泥土协同发挥作用。

图3所示为劲性搅拌桩开挖结果，图3（a）是长度为24.6 m，内插PHC600管桩的劲性搅拌桩，图 3（b）是长度为29.6 m，内插PHC800管桩的劲性搅拌桩，观察发现这两种劲性搅拌桩的水泥土部分质地坚硬，搅拌均匀，与N1、N2取芯的样品性状接近。水泥土桩侧表面凸凹不平增强了与桩侧土之间的摩阻力。

图3 劲性搅拌桩开挖结果Fig.3 Excavation results of reinforced mixing pile

3.2 极限承载力和位移分析

各试桩的Q-S曲线如图4所示。本次试验所有试桩的载荷-桩顶沉降曲线有明显的陡降拐点，属于陡降型Q-S曲线。GS3、GS4、S4、S5、S6、S11最后一级沉降量大于上一级沉降量的8倍，试桩S9、S10最后一级大于上一级5倍。试桩的极限承载力均取破坏载荷的上级载荷值，见表3。在各个桩型极限承载力之前，在相同数值的载荷下，桩顶沉降量的大小分别为：灌注桩＞短桩＞长桩，劲性搅拌桩比同长度的灌注桩有更好的沉降控制效果。

图4 试桩Q-S曲线Fig.4 Q-S curve of test pile

表3 试桩承载力统计Table 3 Summary of bearing capacity of test piles

3.3 轴力分布

取具有代表性的试桩分析劲性搅拌桩轴力沿着深度的分布规律，并分析和同长度灌注桩规律的异同。

GS3灌注桩轴力分布如图 5（a）所示，初始加载荷载较小时，轴力曲线很陡峭，表明轴力沿深度衰减速率很快，侧阻力发挥程度很小。随着荷载逐级增大，轴力曲线逐渐变缓，斜率逐渐减小，表明侧阻力发挥的比例逐渐在增大；对于某一土层，随着载荷逐渐增大，轴力曲线表现为斜率逐渐减小，曲线变缓，在这一层土的侧阻力也逐渐增大。

图5 试桩在各级载荷下轴力分布曲线Fig.5 Distribution curve of axial force of test pile under various loads

图 5（b）为劲性搅拌桩S11的分级加载轴力图。由于S11和GS3处于相同土层，二者轴力趋势类似地表现为：随着载荷增大侧阻力沿着深度逐渐增大，且在同一土层中侧阻也逐渐增大。但劲性搅拌桩的载荷传递机制不同于传统的灌注桩，轴力曲线也展现出一些新的特点。S11轴力曲线在土层5-2有变缓的趋势，表明随着载荷增大，搅拌桩侧阻力在这段土层中发挥程度较好。另外，S11端阻力发挥比例比GS3高，结合图6可以看出，随着载荷逐渐增大，S11端阻承载比为0.089～0.18，GS3 仅为 0.034～0.087（端阻承载比=端阻力/桩顶轴力）。这是因为灌注桩端沉渣，没有预制桩对桩周土和桩端土挤密加固作用，所以灌注桩的端阻承载比很小。但劲性搅拌桩是植入桩，PHC管桩插入水泥土时，对桩周土和桩端土产生两种效果，一是将水泥土挤开，物理性地对水泥土挤密，二是入渗的水泥浆对桩周土产生化学凝固作用。最终使得桩端土被一定程度地加固，劲性搅拌桩体现出半刚性桩特性，荷载传递规律类似于刚性桩。

图6 端阻力承载比Fig.6 Bearing ratio of end resistance

劲性搅拌桩S5的轴力趋势和S11类似，如图5（c）所示。结合图6可以看出，S5的端阻承载比大于GS3、S11，表明短劲性搅拌桩的端阻发挥的时机更早且比例更大。另外，结合图1、表1可以看到S5桩端位于端阻力标准值较大的5-2粉砂层，对桩端阻力发挥也有很大贡献。

3.4 劲性搅拌桩侧摩阻力调整系数确定

劲性搅拌桩侧阻有两种估算方法：

1）统一调整系数法：文献[1]劲性搅拌桩现场原型试验和其后在天津市进行的百余根工程桩检测结果表明，在不同地质条件下以预制桩侧阻为基数的总侧阻力调整系数差异不大，约为1.5±0.2即 1.3～1.7。

2）分层调整系数法：行业标准JGJ/T 327—2014《劲性复合桩技术规程》对各土层取泥浆护壁钻孔桩的侧阻值乘以根据各土层的岩性分别给出的不同侧阻调整系数，取值范围是1.3～2.3，黏性土取低值，砂性土取高值。

分层调整系数法目前尚缺少试验依据，有待深入研究。现有的试验结果与《劲性复合桩技术规程》给出的分层调整系数方法匹配不太理想。作者将同直径劲性搅拌桩和灌注桩的侧阻极限值的总和（单桩总侧阻力）进行对比，计算结果如表4所示，发现总侧阻力的调整系数为1.408～1.643，与文献[1]的试验结果以及天津市工程经验侧阻调整系数值基本一致。

表4 试桩总极限侧摩阻力对比Table 4 Comparison of lateral friction resistance of test piles

3.5 大直径劲性搅拌桩荷载传递规律

在荷载作用下，由于劲性搅拌桩中水泥土部分的弹性模量远小于内插的PHC管桩的弹模，桩顶的绝大部分荷载首先由PHC管桩承担，管桩和水泥土的内界面可以提供足够的抗剪力，以确保竖向载荷以剪应力的形式传递给水泥土，然后再通过水泥土传递给桩周土，最终劲性搅拌桩通过水泥土外界面摩阻力传递到地基土并在地基土中形成应力场。这个过程称为芯桩与水泥土协调作用。这样，通过管桩和水泥土结合的形式，分别利用了抗压刚度较大的PHC管桩和大直径大表面积水泥土外壳的优势，后者可以提供更大的侧表面积来承担侧摩阻力。劲性搅拌桩桩身结构合理，和同尺寸的灌注桩比，可以大幅度提升极限承载力，提供相同的承载力所需的桩身长度大幅度减少，降低了单位承载力造价。

4 结语

在本文场地地层条件下，进行了等长芯劲性搅拌桩和同直径的灌注桩承载力对比试验，结论如下：

1）1 200 mm大直径劲性搅拌桩极限承载力是同直径、同长度灌注桩的1.6倍左右，总侧阻比值在1.408～1.643之间。

2）随着载荷逐渐增大，在极限承载力状态时，劲性搅拌桩端阻力可以达到总荷载的18%，同规格灌注桩仅为8.7%，承载比高于后者，短劲性搅拌桩的比例更大可达到21.3%，且端阻发挥的时机更早。

3）大直径劲性搅拌桩施工效率高，利用工厂预制的PHC管桩作为芯桩，成桩质量容易得到控制，是一种绿色环保、经济高效的施工工艺。在提供相同的承载力的情况下，所需桩长比灌注桩少，可以降低单位承载力造价。