高笑娟，李躍輝，馬建軍，楊曉斌

（1.河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471023；2.洛陽市建工樁基檢測有限公司，河南洛陽 471000）

夯實水泥土樁復合地基的應用和承載力分析

高笑娟1，李躍輝1，馬建軍1，楊曉斌2

（1.河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471023；2.洛陽市建工樁基檢測有限公司，河南洛陽 471000）

為了研究單樁承載力對復合地基承載力的影響，在洛陽地區(qū)某具有濕陷性的黃土地基中進行了相關(guān)的靜載荷試驗。試驗結(jié)果顯示：當單樁承載力低于要求值時，復合地基的承載力也可能滿足設(shè)計要求。說明復合地基承載力不僅受單樁承載力的影響，而且與樁周土層的性質(zhì)密切相關(guān)。在靜載荷試驗的基礎(chǔ)上，利用有限元方法分析了復合地基承載力的影響因素。分析結(jié)果表明：復合地基承載力受樁周土層參數(shù)影響較大，受樁身水泥土強度影響較小。因此，利用經(jīng)驗公式對復合地基承載力計算時，可以適當降低對單樁承載力的要求而提高對樁周土層參數(shù)的要求。

夯實水泥土樁；復合地基；濕陷性黃土；承載力；水泥土強度

0 引言

在建筑業(yè)發(fā)展的過程中遇到的建筑地基復雜多樣，適合于不同地基土體的地基處理方法很多，其中夯實水泥土樁復合地基就是近些年來出現(xiàn)的一種相對新型的地基處理方法，適用于中國北方地下水位較低的地區(qū)。該方法將常用建筑材料水泥作為固化劑，采用人工或者機械的方法成孔之后，將水泥和土體按照一定的比例混合均勻，分層填入孔中并夯實形成有一定強度的水泥土樁體，與樁周土體和上部墊層一起形成復合地基以提高地基承載力［1］。夯實水泥土樁作為中等黏結(jié)強度樁，適用于地下水位以上淤泥質(zhì)土、素填土、粉土、粉質(zhì)黏土等地基加固［2－4］，特別是對于具有濕陷性的黃土地基，通過成樁過程中的擠密作用能夠消除黃土的濕陷性，取得比較經(jīng)濟的效果［5－6］。當前，夯實水泥土樁已經(jīng)在北京、天津、河北、河南、青海、內(nèi)蒙古等省市自治區(qū)應用［7］。

復合地基使用過程中，其承載力的確定一直是工程界普遍關(guān)注的問題。然而，當前夯實水泥土樁復合地基的設(shè)計和承載力計算方法嚴重滯后于實踐的發(fā)展，夯實水泥土樁對地基的加固和承載力的提高機理尚不清楚［8－9］。工程技術(shù)人員對夯實水泥土樁復合地基的設(shè)計計算通常根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式，考慮單樁承載力、樁周土層承載力、面積置換率和擠密系數(shù)等因素來確定，取得了較好的效果。但是工程中也出現(xiàn)了一些問題，例如：對某些場地上夯實水泥土樁復合地基進行的靜載荷試驗，發(fā)現(xiàn)雖然單樁承載力達不到設(shè)計要求值，而復合地基承載力卻滿足要求的現(xiàn)象，但是根據(jù)規(guī)范對單樁承載力的要求，還必須采取對單樁進行加固處理的措施。由此可見，復合地基承載力的影響因素多，樁土的作用機理復雜，依據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗公式計算出的承載力可能會給工程帶來一些問題，有必要對其進行專門深入的研究，以提高其合理性。本文根據(jù)洛陽某園區(qū)具有濕陷性黃土的復雜場地條件下夯實水泥土樁復合地基遇到的問題，結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了夯實水泥土樁單樁和復合地基承載力的相關(guān)因素，為工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

根據(jù)工程勘察的結(jié)果，擬建場地地形起伏較大，大致呈北低南高、西高東低之勢，地表呈臺階狀及斜坡分布，地層隨斜坡分布，層面坡度超過10%。根據(jù)野外鉆探、現(xiàn)場原位測試及室內(nèi)土工試驗成果進行綜合分析，除局部表層分布填土外，地基土主要為第四紀沖（坡）、洪積作用形成的黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾黏土層。場地有掩埋的古沖溝，局部有空洞、墓坑及2～6 m高的陡坎，場地淺部墓坑分布較多，造成淺層地基土層分布不連續(xù)?？辈炱陂g，部分鉆孔內(nèi)見有地下水，水位隨地勢變化，但水量總體不大且水位不高。場地地下水及土對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。由《巖土工程勘察規(guī)范》［10］判定，該場地屬于中等復雜的建筑場地。對場地土的濕陷性指標進行分析，結(jié)合《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》［11］，判定該場地屬于非自重濕陷性黃土場地，場地地基濕陷等級為Ⅰ級（輕微）。各層地基土的物理參數(shù)見表1。

表1 各層地基土的物理參數(shù)

園區(qū)內(nèi)擬建建筑類型有車庫、幼兒園、辦公樓、小高層住宅和高層住宅等，對地基承載力要求不一。結(jié)合場地特征、洛陽地區(qū)的施工方法、經(jīng)濟效益等多方面的因素，對獨立基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、復合載體夯擴樁基礎(chǔ)、夯實水泥土樁復合地基等進行綜合分析，最后確定多層框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑、小高層和高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)建筑采用夯實水泥土樁復合地基。對于樁持力層在地下水位附近的，采用夯實水泥土樁施工時，樁端夯實填料之前在樁底加入硬骨料夯底，確保樁底夯實。對于部分建筑基底懸空的，在夯實水泥土樁施工前清除表層虛填土，采用素土分層壓實回填到基底標高以上，然后進行夯實水泥土樁的施工。

2 夯實水泥土樁的設(shè)計和檢測

2.1 夯實水泥土樁復合地基設(shè)計

以2-1＃樓為例，該建筑地上5層、地下1層，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，要求復合地基承載力290 kPa以上。設(shè)計時夯實水泥土樁采用等邊三角形布樁，樁間距取2.2d（d為樁身直徑），設(shè)計樁長不小于8.5 m。根據(jù)擬建建筑物的巖土工程條件，以（5）粉質(zhì)黏土或（6）粉質(zhì)黏土層作為夯實水泥土樁的持力層。

規(guī)范規(guī)定，夯實水泥土樁初步設(shè)計時，復合地基的承載力特征值按以下公式計算：

單樁豎向承載力特征值Ra由下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；qpa、qsia分別為樁端阻力、樁側(cè)阻力特征值，kPa；Ap為樁底端橫截面面積，m2；up為樁身周邊長度，m；li為第i層土的厚度，m；m為置換率；β為樁間土承載力折減因數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

樁體試塊抗壓強度平均值應滿足下式要求：

式中：fcu為樁體混合料試塊（邊長150 mm立方體）標準養(yǎng)護28 d抗壓強度平均值（按4.50 MPa取值計算）。

結(jié)合式（2）和式（3），確定樁徑0.5 m、樁長8.5 m的夯實水泥土樁單樁豎向承載力特征值為290 kN。

對于復合地基的承載力，當樁直徑為0.5 m，樁間距為1.10 m，按等邊三角形布樁計算置換率m＝0.187。當樁身壓實效果及樁間土擠密效果滿足規(guī)范要求時，β取值為0.85，在樁身強度滿足要求的情況下，按式（1）估算，處理后的復合地基承載力特征值可達373 kPa左右，滿足設(shè)計要求。

2.2 承載力檢測

圖1 復合地基載荷試驗示意圖

單樁載荷試驗采用壓重平臺反力裝置，堆載重物為預制混凝土塊。復合地基載荷試驗裝置由反力系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、觀測記錄系統(tǒng)3部分組成，堆載重物為預制混凝土試塊，如圖1所示。試驗采用直徑為1.26 m的圓形承壓板，壓板面積為1.25 m2。對于單樁和復合地基的載荷試驗標準分別按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［12］和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［3］的要求進行。

在對單樁和復合地基進行載荷試驗之前，對處理后的樁周土層性質(zhì)進行了檢測，檢測結(jié)果顯示：土層被顯著擠密，樁周土層的壓縮模量值列在表1中，并且土層的濕陷性已經(jīng)消除。

單樁的靜載荷試驗隨機選取14根，約占本工程總樁數(shù)1 423根的1%，單樁復合地基試驗選取14個點，約占1%。靜載荷試驗結(jié)果表明：對于進行靜載荷試驗的14根單樁，其中8根樁承載力滿足設(shè)計要求，6根樁承載力不滿足設(shè)計要求。不符合承載力要求的單樁為檢測總樁數(shù)的42.8%，并且14根試驗樁的極差已超過其平均值的30%。進行單樁復合地基載荷試驗的14個點，承載力均滿足工程要求。承載力不滿足要求的6根樁荷載-沉降曲線（P-s曲線）如圖2所示，限于篇幅，復合地基試驗的P-s曲線未列出。從圖2中曲線的發(fā)展情況來看，單樁的P-s曲線并未出現(xiàn)“陡降段”。除了473＃樁和607＃樁由于沉降不符合規(guī)范要求而未加載到極限值之外，其他4根樁均加載至設(shè)計極限荷載，只是沉降值超過規(guī)范要求。本工程中單樁的P-s曲線為“緩變型”，說明未發(fā)生文獻［13－14］中所說的樁身材料破壞，試驗后對部分單樁的開挖也證實了這個結(jié)論。根據(jù)當前規(guī)范對單樁承載力的要求，對單樁進行了加固補強。

圖2 失效樁的P-s曲線

由以上檢測結(jié)果可見：夯實水泥土樁單樁和其形成的復合地基在承載上存在差別。對單樁進行載荷試驗時，樁頂直接承受上部荷載，樁身發(fā)生豎向位移和豎向壓縮變形；復合地基是單樁與其周圍的土層一起，通過上部褥墊層的協(xié)調(diào)共同承擔上部荷載。因此，復合地基承載力除了受單樁承載力影響之外，還應與樁周土層的性質(zhì)和上部褥墊層的性質(zhì)密切相關(guān)。對于本工程中出現(xiàn)的問題，在洛陽地區(qū)其他工程中也出現(xiàn)過，說明復合地基承載力計算時單樁的作用需要重新考慮，或者在采用此類復合地基時，對單樁承載力的靜載荷試驗的要求有必要進行深入探討。然而由于靜載荷試驗數(shù)據(jù)有限，還由于工程中的種種限制，不可能對每根失效單樁進行開挖分析，因此，有必要采取有限元方法對夯實水泥土樁及其復合地基的承載力影響因素進行規(guī)律性分析，找出其中影響大的因素，為工程設(shè)計提供參考。

3 單樁和復合地基承載性狀模擬分析

3.1 分析模型

本次分析采用商用有限元分析軟件ABAQUS，由于單樁和單樁復合地基幾何尺寸對稱，所受到的荷載也對稱，分析時對樁和復合地基均采用軸對稱模型，可以將三維問題轉(zhuǎn)化成二維問題，簡化分析過程。樁周土層的劃分以2-1＃樓6＃樁孔勘察的結(jié)果為例，樁周土層共分成6層，土層的參數(shù)取表1中實測的結(jié)果。樁側(cè)土的壓縮模量取單樁施工后擠密后的模量值。樁身和承壓板采取線彈性模型，樁周土層和墊層采用Mohr-Coulomb模型，該模型能更好地反映土和墊層這種散粒材料的工程特性［15］。對于墊層為了避免分析不收斂，對土的黏聚力取一個較小的數(shù)值而不是直接取為0。模型的底面固定豎向和水平方向的位移，兩側(cè)面約束水平方向位移。樁和周圍土層采用摩擦接觸，壓板和墊層、墊層和樁頂之間采用Tie接觸。

圖3 模擬曲線與實測曲線對比

為了驗證有限元分析的可靠性，對復合地基311＃點進行模擬分析，圖3為模擬P-s曲線與實測曲線的對比。由圖3可知：模擬的結(jié)果與實測結(jié)果比較接近，基本上能夠反映復合地基的沉降發(fā)展過程，說明采用有限元分析法是可行的。

3.2 樁身強度對承載力的影響

為了研究樁身強度對單樁和復合地基承載力的影響程度和影響規(guī)律，樁身采用線彈性模型，影響樁身強度的因素僅為其彈性模量值，改變樁身的彈性模量進行了3次分析，單樁樁頂?shù)腜-s曲線和單樁復合地基承壓板的P-s曲線見圖4和圖5。通過圖4和圖5的對比分析可知：對于單樁來說，其樁身剛度直接影響樁頂沉降量，樁身的彈性模量越大，樁身的壓縮變形越小，樁的承載力就越高，這和文獻［16］的研究結(jié)果是一致的。當樁身彈性模量Ep分別為200 MPa、300 MPa和500 MPa時，在584 kN荷載作用下樁頂沉降量分別為13.18 mm、9.71 mm和6.56 mm。對于同樣單樁形成的復合地基，樁身彈性模量的改變也能影響到承壓板的沉降量，但是由于上部墊層的作用，這種影響要小得多。當樁身彈性模量從200 MPa增加到300 MPa時，在584 kPa的荷載下，承壓板的沉降量從17.8 mm減小到16.7 mm；而當樁身彈性模量繼續(xù)增加到500 MPa時，承壓板的沉降不減小反而又有增加趨勢。這說明樁身強度的增加對復合地基承載力的提高程度有限，復合地基的承載力除了受到單樁樁身強度影響之外，還受到樁周土層各種參數(shù)的影響。

圖4 樁頂沉降與樁身剛度的關(guān)系

圖5 壓板沉降與樁身剛度的關(guān)系

3.3 樁周土抗剪強度指標的影響

由于分析時對土層采用的是Mohr-Coulomb模型，該模型中能夠影響到土層力學性質(zhì)的指標有土的抗剪強度指標（黏聚力和內(nèi)摩擦角）以及土層的壓縮模量。因此，需要分析幾個參數(shù)對單樁和復合地基承載力的影響。圖6和圖7分別為考慮樁周所有土層的抗剪強度指標后，所得的單樁樁頂和承壓板頂部隨荷載的變化情況。由圖6和圖7可以看出：對于本次分析，在改變樁周土層抗剪強度指標時，樁頂?shù)某两抵翟趲追N情況下沒有太大變化。本次分析的夯實水泥土樁是一種柔性樁，在樁頂荷載作用下，樁身發(fā)生的壓縮變形較大，樁周和土層之間相對滑移較小，因此，樁側(cè)土層的抗剪強度指標對樁頂沉降的影響不明顯。而對于復合地基，樁周土性質(zhì)參數(shù)改變之后，壓板頂部的沉降受到影響，土的抗剪強度越高，壓板的沉降量越小。按照規(guī)范中對復合地基承載力的評價方法，即是以承壓板頂部的沉降量為判斷依據(jù)，說明復合地基的承載力高。但這個影響也有一定的范圍，例如圖7中，在壓板荷載為580 kPa時，對于原土，壓板的沉降為17.8 mm；當土層的黏聚力增加5 kPa，內(nèi)摩擦角增加5°時，壓板沉降減小到15.59 mm；當黏聚力增加10 kPa，內(nèi)摩擦角增加10°時，壓板沉降為14.35 mm。

圖6 單樁沉降量與土的抗剪強度指標的關(guān)系

圖7 復合地基沉降量與土抗剪強度指標的關(guān)系

3.4 樁周土層彈性模量的影響

圖8和圖9分別為對樁周不同深度的土層彈性模量改變后沉降的變化情況。本工程中樁周1～4層土位于樁身較靠上部位，5～6層土位于樁身下部和樁端底部。由圖8和圖9可見：樁周不同深度土層的彈性模量對樁和復合地基的承載力有影響，而且樁身上部土層的影響大于下部土層，對復合地基承載力的影響大于對單樁承載力的影響。因此，對于復合地基，施工時對靠上部分土層的擠密至關(guān)重要，直接影響到復合地基的承載力。因為夯實水泥土樁樁體剛度較小，屬于柔性樁，在受到荷載以后樁身的壓縮變形主要發(fā)生在樁身上部一定范圍之內(nèi)，主要是上部承擔荷載，因此下部土層的影響較小。

圖8 樁頂沉降與樁周土層彈性模量的關(guān)系

4 結(jié)論

結(jié)合洛陽地區(qū)一處具有濕陷性的復雜建筑場地上的夯實水泥土樁及其復合地基的靜載荷試驗結(jié)果，研究了夯實水泥土樁復合地基在該場地上的應用情況。分析了該復合地基承載力計算公式的估算方法，并且結(jié)合有限元方法分析了夯實水泥土樁單樁及其復合地基承載力的影響因素，主要得出以下結(jié)論：

（1）夯實水泥土樁在地下水位較低的復雜建筑場地上能夠使用，施工過程中對樁周土層的擠密作用能夠消除濕陷性黃土的濕陷性，提高地基的承載力，但復合地基承載力提高的機理不夠明確，還需深入研究。

（2）對夯實水泥土單樁和復合地基承載力的靜載荷試驗結(jié)果表明：當單樁承載力達不到規(guī)范要求值時，復合地基的承載力也可能滿足要求。因此，對復合地基承載力計算可適當減小單樁承載力所占比例，提高土層性質(zhì)對復合地基承載力所占比例。

（3）夯實水泥土樁單樁和其復合地基承載力的影響因素不同，單樁更多受到樁身彈性模量的影響，復合地基承載力更多受到樁周土層抗剪強度參數(shù)的影響。

（4）樁周上部土層的強度對單樁和復合地基承載力的影響大于下部土層，且對復合地基承載力的影響大于單樁，因此，工程施工時應盡量對上層土充分擠密以保證復合地基的承載力。

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TU443

A

1672－6871（2015）05－0062－06

國家自然科學基金項目（51474095）；河南省教育廳重點基金項目（14A410003）

高笑娟（1973－），女，河南偃師人，副教授，博士，研究方向為地下結(jié)構(gòu)與土相互作用.

2015－01－16