褥垫层厚度对劲芯搅拌桩复合地基承载特性影响与优化

李 丹 朱俊华 刘溪雨 简 迪 吴卓尔

(武汉科技大学城市建筑学院1) 武汉 430065) (武汉科技大学文法与经济学院2) 武汉 430065)

0 引 言

水泥土搅拌桩在竖向荷载作用下荷载传递规律符合双层扩散模式[1]，但是忽略了芯桩与水泥土桩作为一个整体可能是同时承受上部荷载的情况然后同时向桩底下层土体及桩土传递.本次室内试验研究芯桩与水泥土桩对上部荷载分担情况，并通过水泥土劲芯搅拌桩为载体深度探讨复合体材料的协同变形问题.

大量试验劲芯搅拌桩的工程经济成本远低于钢筋混凝土桩，其承载力还高于钢筋混凝土桩1.4～1.6倍[2]，同时实测劲芯搅拌桩的侧摩阻力是钻孔灌注桩的1.3～1.5倍.因而在实际工程中劲芯搅拌以其经济桩、工艺和加固作用等优势越来越被研究者重视,并不断尝试在实践中推广[3].

褥垫层在复合地基中的协调作用是不可忽略的，目前国内学者将褥垫层看作为复合地基的核心[4].褥垫层在以下几个方面扮演着重要的角色：①使桩和桩周土同时承担上部荷载;②通过铺设合理的褥垫层厚度调整桩土应力比;③调节桩土水平应力比.因而探讨褥垫层在哪种厚度下桩的承载力能够得到充分的发挥对实际工程具有指导意义.

综上所述，劲芯搅拌桩不论是在经济上还是在承载力方面远远高过同体积的钢筋混凝土桩，文中研究复合地基各组成部分之间荷载传递规律，设计优化寻找出复合地基每个组成部分的最佳参数[5].

1 试验设备与材料

模型箱的尺寸为585 mm×625 mm×1 100 mm，侧壁为10 mm的钢板.钢板用M8螺钉固定在旁边的角钢，角钢通过M8螺钉固定在底盘.100 kN的液压千斤顶，管径32，40，50，63和75 mm的UPVC管.试验用土采用杂填土及红色软黏土，其物理力学指标见表1.

表1 原状土基本参数

2 试验设计与方案

2.1 水泥土劲芯搅拌桩的预制

2.1.1混凝土芯桩的预制

采用混凝土预制桩，设计芯桩强度等级为C25，由于在对比模拟试验中采用混凝土芯桩强度过高，这里用水泥砂浆芯桩代替混凝土芯桩.预制芯桩所需的材料的配合比通过了大量的配合比试验所确定下来，预制的芯桩的尺寸也就是UPVC管的尺寸，在UPVC管内灌浆时要用配对的管帽封底，用振动台振捣完成，3 d后可以脱模，接着放到温度为20 ℃，湿度为98%的养护箱里面养护28 d.

2.1.2水泥土桩的预制

芯桩养护完成后，制备含水率为50%的红黏土，掺加质量分数33%的水泥搅拌完成后灌入75 mm×600 mm的UPVC管中，在匀速缓慢把养护完成的芯桩压入UPVC管内，在芯桩完全压入进去并且与水泥土桩管面平齐时即灌注完成.同理接着就是拆模养护过程，其养护条件与芯桩一样.为了让水泥土桩与芯桩更好的接触，在预压芯桩前要用钢丝球把芯桩表面打磨粗糙出现粗糙纹理即可，同时也可在芯桩预压过程中在芯桩表面抹一层高稠度的水泥浆[6-8]，保证芯桩与水泥土更好的接触.试验所用桩的尺寸见表2.

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表2 试验用桩尺寸表格

2.2 试验加载设备和仪器设备

图1为实验的加载装置，百分表放置位置和各界面上压力盒埋设示意图.复合地基群桩采用的是正方形布桩，桩间净距为200 mm.在第一层300 mm填土表面上标出群桩的位置并埋设压力盒，当桩底压力盒全部埋设完成后，在分层填土压实至桩顶位置并在桩顶以及桩周土表面埋设压力盒.最后在整个复合地基上面铺设一层20，40和60 mm厚度的褥垫层(中砂)前后进行三次实验，整平后在放置一块500 mm×500 mm×10 mm的加载钢板，预压静置2 h.静置完成后对复合地基进行分级加载试验，每级荷载对应的是千斤顶油压表显示的0.6和0.4 MPa循环增加，记录每级荷载作用下压力盒和应变片的应力应变情况.

图1 加载装置及压力盒埋设情况(单位：mm)

3 试验结果分析

3.1 劲芯搅拌桩复合地基的沉降量

地基静压放置2 d后，在试验箱上面拼装加载横梁与千斤顶完成后才可对复合地基进行分级荷载加载试验,每级荷载分别以千斤顶油压表显示的0.6，0.4 MPa为循环荷载加载，记录每级荷载作用下的压力盒、应变仪的数据.当褥垫层厚度为20 mm的一整组试验完成后，在铺设褥垫层厚度为40 mm继续重复上述试验步骤，褥垫层厚度为60 mm的整组试验也是如此，直至所有试验加载完成.

图2为不同含芯率和芯长比的复合地基沉降量对比曲线图.

图2 不同含芯率和芯长比的复合地基沉降量对比曲线图

由图2a)可知:不同含芯率的复合地基的沉降变化趋势大体是一致的.但是劲芯搅拌桩复合地基在含芯率为28.4%所表现出的沉降量是最小的，含芯率在28.4%以下沉降量随含芯率增加而减少，在28.4%以上随着含芯率增加而增加.在分级荷载加载初期各复合地基含芯率劲芯搅拌桩的沉降量的差距不大，随着上部荷载的逐渐增加桩的沉降量差距逐渐显现出来.由图2b)可知，芯长比也是影响复合地基承载特性的因素之一.芯长比为0.67的水泥土劲芯搅拌桩复合地基所表现出来的沉降量都是最小的.在芯长比0.67以下的范围内，沉降量随着芯长比增加而减小，在芯长比0.67以上随着芯长比增加而增加.通过前面含芯率与芯长比试验中可以得出本次试验复合地基的最佳含芯率与芯长比分别为28.4%和0.67.上述含芯率与芯长比试验表明:随着上部荷载的逐渐增加含芯率与芯长比对复合地基承载特性的影响越来越大.

以最佳含芯率28.4%和最佳芯长比0.67为例来加以分析，见图3.

图3 不同厚度褥垫层作用下含芯率28%与芯长比0.67沉降量对比图

由图3可知：随着褥垫层厚度的增大复合地基的沉降量也随之增大，这并不能说明褥垫层在20 mm的时候是最佳厚度，即有可能褥垫层的厚度越大自身的压缩变形越大，但是对比含芯率28.4%在厚度20与60 mm分级荷载油表刻度3与10 MPa的沉降量差值分别为1.08与3.38 mm，随着上部荷载的增加褥垫层的厚度对复合地基的沉降量的影响越来越大.

3.2 劲芯搅拌桩与桩间土应力变化

图4为桩与土应力变化曲线.由图4可知：随着上部荷载的不断增加，桩顶、芯桩顶、外桩顶、桩底的应力也在同步增加，桩间土的增加值相对较小而桩应力增加较快，因为劲芯搅拌桩相对于地基土体而言桩的刚度与压缩模量比土体大，在上部荷载作用下桩顶这一截面劲芯搅拌桩所受的应力比桩周土体所受到的应力大的多.观察到在第五级荷载前后曲线斜率不同出现拐点，荷载增加的趋势变缓，这是因为在1～5级荷载受载范围内复合地基是以褥垫层的压缩为主，在后续荷载范围作用下复合地基是地基土体压缩为主.而从第6级荷载作用以后，褥垫层被压密开始进入塑性阶段，桩周土体开始发挥功能，桩周土体被挤压承担上部荷载的能力开始增强，为劲芯搅拌桩承担一部分上部荷载，因此从第6级荷载开始桩周土所受的荷载增加速度变快，劲芯搅拌桩的桩顶与桩底的应力变化速度变缓.

图4 桩与土应力变化曲线图

3.3 芯桩与水泥土桩荷载分担

图5为不同含芯率劲芯搅拌桩荷载分担比对比曲图.

图5 不同含芯率劲芯搅拌桩荷载分担比对比曲图

3.4 褥垫层厚度对劲芯搅拌桩复合地基承载特性影响

3.4.1褥垫层厚度对桩顶应力影响

图6为不同厚度褥垫层作用下桩顶应力变化曲线.由图6可知：褥垫层的厚度对劲芯搅拌桩复合地基的承载特性具有显著影响，特别是桩顶荷载，在褥垫层20 mm时候桩顶荷载比厚度60 mm的褥垫层在同一级荷载情况下大40 kPa左右，分析得出设置厚度不同的褥垫层对桩身应力的影响很大.另一方面，在同级荷载作用下褥垫层厚度为20 mm的时候桩顶的应力是最大的，褥垫层厚度为40 mm的次之，褥垫层厚度为60 mm的最小，试验证明桩顶荷载随着褥垫层厚度的增加先减小后增大，说明褥垫层存在一个最佳合理厚度.

图6 不同厚度褥垫层作用下桩顶应力变化曲线

3.4.2褥垫层厚度对桩土应力比影响

图7为不同厚度褥垫层的桩土应力比.由图7可知：在整个加载过程中褥垫层20 mm的桩土应力比比60 mm的大，两种厚度褥垫层的峰值相差160直至到达后续的稳定阶段，而压力盒#212的桩土应力比一直是在减少阶段，这表示在随着荷载的增加桩周土开始发挥其承载能力.

图7 不同厚度作用下桩土应力比值

通过不同褥垫层厚度的条件下复合地基劲芯搅拌桩的桩土应力比，从而能够了解褥垫层对复合地基承载特性的影响，得到适用于工程条件的褥垫层参数.

3.5 复合体材料的协同变形

桩顶芯桩与水泥土外桩的变形量见表3.

表3 组合桩变形量

对于劲芯搅拌桩而言，由于在桩顶附近并没有发生芯桩和水泥土桩脱离现象(如出现脱离应变片将直接受力静态电阻应变仪将出现数据大幅度变化)，表明上部芯桩和水泥土桩相对位移较小.图8为组合桩桩顶截面微变量变化图.

图8 组合桩桩顶截面微变量变化图

由图8可知:复合体材料在竖向荷载作用下，弹性模量较高的材料承担更多的上部荷载，在上部荷载较小时两复合体材料之间相对滑移程度较小，随着上部荷载的逐渐增加，压缩模量较小的材料组合体由于大压缩量与强度高的材料组合体产生大的相对位移.这样竖向一部分荷载可以通过相对位移产生的摩擦剪应力传递给周边的土体，并协调和分担上部荷载.

4 结 论

1)在有褥垫层的复合地基劲芯搅拌桩的沉降量p-S曲线是缓变型.褥垫层由于自身的压缩变形随着褥垫层厚度的增加，复合地基的沉降量在逐渐增加.通过对比褥垫层厚度在20与60 mm在分级荷载作用下沉降量差值，可以得出随着上部荷载的增加，褥垫层厚度对复合地基的沉降量影响越来越大.

2)通过对比含芯率试验复合地基的沉降量，可得含芯率28.4%的复合地基产生的沉降最小，因而确定含芯率28.4%为最佳含芯率.通对对比芯长比试验复合地基的沉降量，发现芯长比0.67的复合地基产生的沉降最小，因而确定本次试验的最佳芯长比为0.67.

3)通过对比各劲芯搅拌桩在相同厚度褥垫层作用下芯桩顶与外桩顶的荷载，发现由于含芯率的不同其荷载分担比也不同，芯桩均承担大部分上部荷载.

4)随着上部荷载的增加，桩间土与桩顶荷载在逐渐增加，在褥垫层厚度为40 mm的时候桩顶荷载最小.当褥垫层厚度超过40 mm的时候桩间土的应力增加速率更加显著.对于桩土应力比在褥垫层20 mm时最大，在褥垫层厚度60 mm的时候最小，桩土应力比都是先增加达到峰值后在逐渐减小逐渐趋近于稳定.这说明合适厚度的褥垫层可以调节桩间土与桩的应力分担，防止应力的过分集中.

5)复合材料在竖向受载体系下，随着上部荷载的增加，弹性模量较小的水泥土桩的大压缩变形致使芯桩与水泥土桩之间的相对位移逐渐增大，也使得芯桩承担了更大的摩擦压力，同时也是降低搅拌桩的受压荷载的因素.