夯实水泥土桩-网复合地基工作性状对比试验研究

李运成¹，彭振斌¹，何杰²

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412007)

摘要：为了探讨夯实水泥土桩－网复合地基的工作性状，开展有、无土工格栅条件下夯实水泥土桩9桩复合地基模型的静载对比试验，分析有、无土工格栅对夯实水泥土复合地基的承载力、平均沉降量、桩-土沉降差、桩-土应力比及桩顶应力的影响。研究结果表明：在夯实水泥土桩复合地基的垫层内加入土工格栅后，地基承载力特征值提高约27.9%，桩-土平均沉降差减小56.5%~62.7%，桩–土应力比提高60.9%~70.8%，且各桩的受力更加均匀，有利于复合地基中桩体承载性能的发挥；当地基处理工程中遇到上部荷载较大或对地基沉降要求较高时，可在夯实水泥土桩复合地基的垫层内增设土工格栅来改善地基处理效果。

关键词：夯实水泥土桩；土工格栅；桩-网；复合地基；荷载试验

中图分类号：TU 472          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)10-3531-05

Comparative experimental study on working behavior of rammed cement-soil pile-net composite foundation

LI Yuncheng¹, PENG Zhenbin¹, HE Jie²

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Abstract: In order to study the working behavior of rammed cement-soil pile-net composite foundation, contrast static load tests of composite foundation with or without geogrids were performed, and each foundation model contained nine piles. The influences of geogrids on average pile-soil settlement difference, pile-soil stress ratio and the stress of top piles were analyzed. The results show that with geogrids in rammed cement-soil pile composite foundation, characteristic value of bearing capacity increases by approximately 27.9%,the average pile-soil settlement difference reduces by 56.5%-62.7%, the pile-soil stress ratio increases by 60.9%—70.8%, and the pile head stress is more even, which can promote the bearing behavior of piles in composite foundation. When ground treatment encounters comparatively larger load or higher settlement requirements that rammed cement-soil pile composite foundation can not meet the requirements, geogrids can be added to improve the treatment effect.

Key words: rammed cement-soil pile; geogrids; pile-net; composite foundation; load test

随着工程应用的需求变化和地基处理技术的发展，为了克服传统单一竖向增强型复合地基的不足，双向增强体复合地基应运而生。这种技术最早出现在土工格栅+散体材料桩加固软土地基的工程实际中^[1]，随后国内外许多学者对桩-网复合地基展开了一系列研究，如：Radhey等^[2]进行了土工格栅加固散体材料桩基础的载荷试验，揭示了土工格栅能较好地改善软土地基工作性状；Han等^[3]对软土上的桩承式加筋土加固区进行了数值分析，探讨了桩网复合地基的最大沉降量、差异沉降以及土工合成材料的拉应力分布情况。郑俊杰等^[4-5]推导了双向增强体复合地基的桩土应力比计算公式，并对其工作性状的时效性进行了研究；陈云敏等^[6]改进了传统的HEWLETT极限状态空间土拱分析方法并将其应用于桩承式路堤上，给出了桩体荷载分担比计算图；曹卫平等^[7]进行了桩承式路堤土拱效应试验，分析了桩土位移、路堤高度、桩梁净间距、桩梁宽度和水平加筋体等因素对桩土应力比和路堤沉降的影响；饶为国等^[8]以水泥土搅拌桩-网复合地基现场试验为基础，探讨了桩－网复合地基工后沉降量的薄板理论解计算方法；赵明华等^[9]提出了双向增强体复合地基沉降的计算方法，并对土工格室+碎石桩处治软土路基的加固机理和设计计算方法进行了探讨；吴九江等^[10]研究了软土地基中土工格栅+刚性桩和土工格室+刚性桩复合地基的工作性状，验证了桩-网复合地基能有效地减小地基的不均匀沉降与工后沉降；邹左胜^[11]对桩-网复合地基承工作性状进行了数值模拟，探讨了桩体刚度、桩间距、垫层厚度、垫层刚度、格栅层数等因素对复合地基沉降、桩-土应力比的影响；崔溦等^[12]提出了采用土工格栅+夯实水泥土桩复合地基处理山区沟谷软基，并进行了离心模型试验；曹云等^[13]探讨了粉喷桩-土工格栅复合地基联合加固高速公路软基工作机理，分析了复合地基的应力和位移特征。近年来，许多岩土工作者通过室内模型试验、现场测试等方法对夯实水泥土桩复合地基的工作性状进行了研究，相关研究成果^[14]证明了夯实水泥土桩在软土地基处理中的可行性和经济合理性。然而，当前桩-网复合地基的研究主要集中于散体材料桩-网复合地基和刚性桩-网复合地基方面，对夯实水泥土桩-网复合地基的研究较少。为此，本文作者基于有、无土工格栅情况下夯实水泥土桩复合地基静荷载试验，对比分析夯实水泥土桩–网复合地基的工作性状，以便为其在岩土工程界的应用与推广提供便利。

1  模型试验

为了探讨夯实水泥土桩-网复合地基的工作特性，设计2组复合地基静荷载模型试验：第1组为夯实水泥土9桩复合地基模型试验，第2组是在第1组模型的褥垫层内增设土工格栅，形成9桩夯实水泥土桩–网复合地基模型。试验装置如图1所示。

模型试验在室内基坑进行，基坑的长、宽、高均为3.0 m，坑内分层填筑含水量(质量分数)为35%黏性土，静置1周后将木制模型桩压入黏土内成孔，成孔后向孔内分层填入水泥土混合料并按密实度为90%的要求逐层夯实，形成夯实水泥土桩。九桩复合地基模型中桩体尺寸按工程桩中实际尺寸的10%取值：桩长为1.2 m，桩径为7.5 cm，桩间距为22.5 cm；成桩所用混合料的水泥掺量(质量分数)为10%，水泥标号为325。

图1  试验装置示意图

Fig. 1  Schematic diagrams of test equipments

成桩后28 d，对试验所用黏性土进行室内常规试验，获取土的主要物理力学参数，见表1。

模型试验中所用土工格栅为华东岩土工程材料有限公司生产的双向聚丙烯土工格栅，其相关技术指标见表2。

试验中采用夯实水泥土桩成桩法同期制作了夯实水泥土试块，测得水泥土试块28 d无侧限抗压强度为0.95 MPa。按叶书麟^[15]提供的水泥土压缩模量测试方法测得试验用夯实水泥土压缩模量E_p=81.3 MPa。模型试验所用夯实水泥土桩的主要物理力学参数见表3。表3中：S为褥垫层内无土工格栅时夯实水泥土桩复合地基模型；GS为褥垫层内布设土工格栅时夯实水泥土桩－网复合地基模型。

表1  土的主要物理力学参数

Table 1  Main physical and mechanical parameters of soil

表2  土工格栅技术参数

Table 2  Technical parameters of geogrids

表3  夯实水泥土桩的物理力学参数

Table 3  Physical and mechanical parameters of rammed cement-soil piles

考虑到模型试验施工的难度和工作量，仅进行2种垫层工况下的模型试验：无土工格栅时，桩土顶面设置厚度为100 mm的碎石垫层；有土工格栅时，碎石垫层的厚度仍为100 mm，土工格栅置于碎石垫层厚度方向的中间位置，碎石粒径为10~15 mm。

夯实水泥土桩成桩完成并静置40 d时进行静荷载试验，均布荷载作用范围为B×B(B为载荷板的长度，取0.675 m)，荷载作用面到基坑底的距离为2.8 m。为模拟均布荷载，在加载范围的四周用竹木板制成长、宽、高分别为1.5 m，1.5 m和1.0 m的荷载箱。在荷载箱内充填厚1.0 m的标准砂，并将其作为第1级荷载，后续各级荷载由千斤顶施加，静荷载试验按JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》进行。试验前，在荷载箱内侧涂上润滑油以减少箱壁与标准砂之间的摩擦对试验结果的影响。

试验中，采用TXR-2030型应变式微型土压力计测量桩顶与桩周土顶的应力，采用千分表测量复合地基沉降。

2  试验结果分析

2.1  荷载-平均沉降量曲线

将2组模型试验加载过程中各千分表所测桩、土沉降量进行加权平均，得到各模型的荷载-平均沉降量关系曲线，如图2所示。

图2  荷载-平均沉降关系

Fig. 2  Relationship between load and average settlement

由图2可知：1) 无论褥垫层内是否布设土工格栅，2组模型的荷载–平均沉降曲线均为1条缓变形曲线，且在荷载相同的条件下，模型GS比模型S的平均沉降量小；2) 在加载过程中，模型GS的平均沉降增速小于模型S平均沉降增速；3) 根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》的载荷试验标准，由双曲线载荷试验数据拟合模型求得模型S复合地基和模型GS的地基承载力特征值约分别为33.42 kPa和42.73 kPa，土工格栅–夯实水泥土桩复合地基的地基承载力较夯实水泥土桩复合地基高约27.9%。

以上现象表明：随着土工格栅的置入，碎石垫层的刚度有一定幅度提高，从而改善了夯实水泥土桩复合地基的工作性状，即减小了复合地基的平均沉降量，提高了复合地基承载力。

2.2  桩–土平均沉降差

整理各千分表读数，可得到加载过程中2组试验模型中桩–土平均沉降差的变化特征，如图3所示。

由图3可知：1) 2组复合地基模型的桩–土平均沉降差均随荷载的增大而增大；2) 随着荷载的增大，模型S的桩–土平均沉降差迅速增大，曲线呈二次函数曲线，而模型GS的桩–土平均沉降差增长幅度较小，且曲线接近为一次函数曲线；3) 在相同的荷载作用下，模型GS的桩–土平均沉降差比模型S的桩–土平均沉降差减少56.5%~62.7%。

图3  桩–土平均沉降差曲线

Fig. 3  Average settlement difference curves of pile-soil

以上现象表明：随着荷载增加，夯实水泥土桩向碎石垫层的刺入作用越大；在夯实水泥土桩复合地基的垫层中置入土工格栅，由于垫层的刚度有一定幅度提高，夯实水泥土桩向垫层的刺入受到限制，故土工格栅–夯实水泥土桩中的桩–土平均沉降差得到有效调节，使桩周土承载性能较早得到发挥；随着荷载的增大，土工格栅–夯实水泥土桩复合地基中桩与桩周土之间的沉降差几乎按一定比例缓慢地增大，这说明桩周土在加筋垫层压力的作用下，桩周土的强度有一定幅度提高，其承载性能也得到一定程度发挥。

2.3  平均桩–土应力比

整理加载过程中桩、土顶面的各微型土压力计读数，可得到2组复合地基模型的平均桩–土应力比与荷载的关系曲线，如图4所示。

由图4可知：1) 2组复合地基模型的平均桩–土应力比均随荷载的增加而递增；2) 在相同荷载作用下，模型GS的平均桩–土应力比大于模型S的平均桩－土应力比，其增大幅度为60.9%~70.8%；3) 随着荷载的增加，模型GS的平均桩–土应力的递增速率大于模型S的平均桩–土应力的递增速率。

以上现象表明：加筋垫层能较好地调节夯实水泥土桩复合地基的平均桩–土应力比，改善桩与桩周土的工作性状，有效地促进桩体承载性能的发挥，提高平均桩–土应力比。

2.4  桩顶应力

整理桩顶表面的微型土压力计的读数，得到2组模型试验中角桩、边中桩和中心桩的应力与荷载关系曲线，如图5所示。

由图5可知：1) 2组复合地基模型中各桩的桩顶应力随荷载的增大而增大；2) 在相同荷载作用下，模型GS中各桩桩顶的应力均比模型S中相应各桩桩顶的应力大；3) 同一复合地基中角桩的桩顶应力最大，边中桩的次之，中心桩的最小；4) 随着荷载的增加，模型GS中各桩桩顶的应力增长速率均比模型S中相应各桩的桩顶应力增长速率大，且桩顶应力增加幅度的规律是中心桩的最大(平均提高幅度约58.9%)，边中桩的次之(平均提高幅度约55.6%)，角桩的最小(平均提高幅度约47.1%)。

以上现象表明：土工格栅碎石垫层能有效调动夯实水泥土群桩复合地基中各桩的承载性能，提高各桩的荷载分担比例，调整部分桩体的应力集中现象，使各桩的承载性能均能得到较大程度发挥。

图4  平均桩–土应力比曲线

Fig. 4  Curves of average pile-soil stress ratio

图5  桩顶应力曲线

Fig. 5  Pile head stress curves

3  结论

1) 土工格栅能有效地提高垫层刚度，改善夯实水泥土地基的工作性能，加入格栅后地基承载力特征值提高约27.9%，桩－土平均沉降差减小56.5%~62.7%，桩–土应力比提高60.9%~70.8%。

2) 土工格栅加筋垫层能有效调节复合地基中部分桩体的应力集中，使复合地基中各桩的承载性能得到较大程度发挥。

3) 当地基处理工程中遇到上部荷载较大或对地基沉降要求较高而夯实水泥土桩复合地基不能满足要求时，可采用夯实水泥土桩－网复合地基进行处理。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-01-12；修回日期：2014-03-21

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51108176)(Project (51108176) supported by National Natural Science Foundation of China)

通信作者：李运成(1981-)，男，湖南浏阳人，博士研究生，讲师，从事岩土工程的教学与研究工作；电话：13908495122；E-mail：ychli1017@163.com