夯实水泥土楔形桩复合地基工作性状试验研究

何杰^{1, 2}，张可能¹，刘杰²，吴有平²，李冰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：针对软土地基中的夯实水泥土桩复合地基，分别进行1组圆柱形桩和3组不同楔角楔形桩的9桩复合地基对比试验，研究这4组复合地基在相同条件下的桩-土平均沉降差、桩体应力、平均桩-土应力比、平均沉降随荷载变化的规律。研究结果表明：夯实水泥土楔形桩能有效地调节桩-土沉降差和地基沉降，提高地基承载力；增大楔形桩的楔角能使桩体较早地发挥其承载性能；在一定荷载范围内，夯实水泥土楔形桩复合地基的平均    桩-土应力比夯实水泥土圆柱形桩复合地基的平均桩-土应力比大；随着荷载的增加，桩体所分担的荷载是有限的，夯实水泥土楔形桩复合地基的平均桩-土应力增长趋于稳定或下降，即楔形桩的倾斜侧壁能有效地缓解桩体应力集中现象。

关键词：楔形桩；夯实水泥土桩复合地基；桩-土沉降差；桩体应力；桩-土应力比

中图分类号：TU473            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)05-1920-06

Experimental research on bearing behavior of composite foundation with rammed soil-cement tapered piles

HE Jie^{1, 2}, ZHANG Ke-neng¹, LIU Jie², WU You-ping², LI Bing²

(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: Aimed at composite foundation with rammed cement-soil piles in soft ground, the contrast tests on a group of composite foundation with nine rammed cylindrical cement-soil piles and three groups of composite foundation with nine rammed tapered cement-soil piles were performed in laboratory, respectively. The average settlement difference among pile and soil, pile stress, average pile-soil stress ratio and the relationship between load and average settlement of four groups of composite foundation with rammed cement-soil piles were respectively studied under the same condition. The results indicate that the differential settlement between pile and soil can be adjusted by rammed tapered cement-soil pile, the ground settlement decreases and its bearing capacity is enhanced obviously. The bearing behavior of rammed tapered cement-soil piles in the composite foundation can be exerted by enhancing its taper. Within some load scopes, the average pile-soil stress ratio of composite foundation with rammed tapered cement-soil piles is higher than that of composite foundation with rammed cylindrical cement-soil piles. With the increase of load unceasingly, the load shared by tapered piles increases restrictedly, and the average pile-soil stress ratio of composite foundation with rammed cement-soil tapered piles is near a certain value or falls down, i.e. the slope skin of tapered pile can effectively alleviate the stress concentration of pile.

Key words: tapered pile; composite foundation with rammed cement-soil piles; differential settlement between pile and soil; pile stress; pile-soil stress ratio

楔形桩是一种既节省材料、施工简单，又能提高桩单位承载力的优良桩型。它巧妙地利用了桩的楔形侧壁，充分发挥了桩与土体间的相互作用。国内外学者对楔形桩开展了一系列研究，如：Nordlund^[1]对无黏性土中的楔形桩承载特性进行了研究，发现圆柱形桩的竖向承载力要比平均直径相等的楔形桩承载力低很多；Zil'berberg等^[2]对位于砂土中的圆柱形桩和平均直径相同的楔形桩进行了现场对比试验，发现楔形桩的承载力是圆柱形桩承载力的2.0~2.5倍；Ei等^[3-6]对楔形桩进行了模型试验研究；Ladanyi等^[7]对位于永久性冻土中的楔形桩和圆柱形桩的承载特性进行了对比试验研究，认为楔形桩是最安全的，且楔形桩的承载力随桩的沉降增大而增大；蒋建平等^[8]对楔形桩与圆柱形桩的承载特性进行了对比试验研究，发现楔形桩与同体积等直径桩相比，承载力增加而沉降减少；秦美前^[9]用碎石桩与楔形桩组合形成的复合地基来加固软土路基，取得了较好的效果。夯实水泥土桩复合地基作为软土处理的一种手段，被广泛应用于实际工程中。近年来，一些研究者对夯实水泥土圆柱形桩复合地基进行了系统研究^[10-15]，如分析了夯实水泥土桩复合地基的桩土应力比、桩体应力集中系数、桩间土应力减小系数的变化规律，并给出承载力特征值时以上三者的取值范围及其影响因素^[10-11]；研究了复合地基破坏模式，探讨了桩长、面积置换率对复合地基承载力的影响^[12]；分析了夯实水泥土桩荷载传递规律及侧摩阻力的分布特征，探讨了桩体、垫层、地基土的相互作用特性^[13]；对地基土反力分布特征、桩土荷载分担比、桩土应力比、单桩及复合地基中桩侧摩阻力分布特征等进行了研究^[14]；分析了垫层刚度对复合地基中桩顶及桩间土表面应力发挥进程的影响^[15]。刘杰等^[16]提出采用夯实水泥土楔形桩复合地基加固软土地基，并以剪切位移法为基础，通过引入Mylonakis & Gazetas桩-土相互作用及Winkler地基模型，同时考虑垫层的影响，提出一种综合考虑桩-土-垫层共同作用的复合地基分析方法，得到了夯实水泥土楔形桩复合地基中桩的合理楔角范围。尽管前人在楔形桩及夯实水泥土复合地基的性状等方面进行了许多研究，但对夯实水泥土楔形桩复合地基的性状及在夯实水泥土楔形桩复合地基中桩的工作状态问题研究较少。为此，本文作者基于夯实水泥土楔形桩与圆柱形桩复合地基载荷对比试验结果，针对复合地基中桩的工作性状进行研究。

1  试验概况

为了探讨夯实水泥土楔形桩复合地基的工作性状，研究夯实水泥土楔形桩与圆柱形夯实水泥土桩所分担荷载方面的差异，共进行了4组不同截面的9桩夯实水泥土桩复合地基对比试验，如图1所示。

模型试验在长×宽×高为3.0 m×6.0 m×3.0 m的基坑中进行，基坑内分层填筑含水量为35%黏性土。对比试验分别在基坑中的4个划定区域进行。

填土完成基坑后，静置１周，将木制模型桩压入黏性软土中成孔，然后拔出模型桩，再向孔内分层夯填水泥与黏土的混合料，形成夯实水泥土桩。夯实水泥土桩桩长为1.2 m，桩间距为3d (其中，d为平均桩径)，桩体材料为水泥与黏土混合料，水泥标号为325，水泥掺量为10％，压实度为90%。

桩体施工结束28 d，通过载荷、压缩、剪切等常规试验测得土的主要物理力学参数，如表1所示。

通过对采用相同施工方法、同期制作的夯实水泥土试块进行侧无限抗压强度试验，测得水泥土28 d无侧限抗压强度为0.95 MPa。叶书麟^[17]经研究发现：当垂直压力达无侧限抗压强度的50%时，水泥土的应力与应变的比值为水泥土的变形模量，由此得测得E_p=81.3 MPa(E_p为水泥土的变形模量)。通过常规室内试验测得桩的主要物理力学参数如表2所示。

对于桩土顶面设置厚度为100 mm的碎石垫层，垫层压缩模量E_cs=45 MPa。

模型静荷载试验在成桩完成后静置40 d进行，均布荷载作用面到基坑底的距离b=2.8 m，荷载作用范围为B×B(B为载荷板的边长，1~4号模型的B分别为0.650，0.505，0.650和0.715 m，如图1所示)。为模拟均布荷载，在均布荷载作用范围的四边用竹木板制成长×宽×高为1.5 m×1.5 m×1.0 m的荷载箱，第1级荷载采用在荷载箱内充填厚为1.0 m的标准砂，以后各级荷载采用在标准砂表面设置橡胶板。在橡胶板上放置钢板，由千斤顶施加各级荷载(如图1所示)。静载试验严格按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)进行。为减少加载箱侧壁与标准砂之间的摩擦对试验结果的影响，试验前，在荷载箱内侧涂润滑油。

在荷载范围内的地基沉降采用沉降标，用千分表量测；桩顶与桩周土顶的应力均采用TXR-2030型应变式微型土压力计量测(如图1所示)。由于需保证填砂(第1级荷载)的一致性，需要人工进入荷载箱进行操作，对千分表的干扰较大，故千分表的读数自填砂完成后开始。

图1  试验装置示意图

Fig.1  Installation of experimental equipments

表1  土的物理力学参数

Table 1  Physical-mechanical index of soil

表2  桩的物理力学参数

Table 2  Physical-mechanical indexes of piles

2  试验结果分析

2.1  桩-土平均沉降差

对千分表的读数进行整理，得到4组复合地基中桩–土平均沉降差随总荷载增加的变化规律，如图2所示。从图2可以看出：(1) 当荷载较小时，4种桩型复合地基中的桩-土平均沉降差区别不很明显；(2) 随着荷载的增大，夯实水泥土圆柱形桩复合地基和夯实水泥土楔形桩复合地基的桩-土平均沉降差不断增大；夯实水泥土圆柱形桩复合地基的桩-土平均沉降差增长速率要大于夯实水泥土楔形桩复合地基的增长速率，且楔角越大的夯实水泥土楔形桩复合地基的桩-土平均沉降差的增长速率越小。可见：夯实水泥土楔形桩的倾斜侧壁能有效地增强桩-土相互作用，且这种作用随楔形桩楔角的增加而不断增强；夯实水泥土楔形桩能有效地调节桩-土减小沉降差。

图2  桩–土平均沉降差曲线

Fig.2  Curves of average settlement difference between pile and earth

2.2  桩体应力

对微型土压力计的读数进行整理，得到了4组复合地基中角桩、边中桩、中桩的应力随荷载增加的变化规律，如图3~5所示。从图3~5可以看出：复合地基中各桩桩顶的应力随荷载的增加而增加；在荷载作用初期，4个复合地基中角桩、边中桩、中桩的应力差别不大；当荷载较小时，圆柱形桩的应力随荷载的增加而缓慢增加，楔形桩的应力则随荷载的增加而迅速增加，且楔角越大，楔形桩应力增加的幅度越大；当荷载较大时，圆柱形桩的应力开始迅速增加，且增加的幅度随荷载的增加而不断增大；楔形桩的应力的增长速率随荷载的增加而不断减缓，并有趋于稳定的趋势，且楔角越小，使楔形桩的应力趋于稳定的荷载越小。

图3  中桩应力曲线

Fig.3  Curves of central pile stress

图4  边中桩应力曲线

Fig.4  Curves of center pile at edge stress

图5  角桩应力曲线

Fig.5  Curves of corner pile stress

对比图3~5可以得出在同一个复合地基中各桩的应力变化规律：角桩的应力最大，边中桩的应力次之，中桩的应力最小；随着荷载的增加，角桩应力的增加速率最大，中桩应力的增加速率最小，边中桩应力的增加速率介于两者之间。可见：夯实水泥土楔形桩复合地基中桩体分担荷载的规律与夯实水泥土圆柱形桩复合地中桩体分担荷载的规律是一致的；增大楔形桩的楔角能使桩体较早地发挥其承载性能，但随着荷载的增加，桩体所分担的荷载是有限的，在工程实际中，要根据实际情况选择合理的楔角。

2.3  平均桩-土应力比

对微型土压力计的读数进行进一步整理，得到4组复合地基的平均桩-土应力比随荷载增加的变化规律，如图6所示。从图6可以看出：夯实水泥土圆柱形桩复合地基的平均桩-土应力比随荷载增加而递增，且荷载越大，其增加的速率不断提高；在加载初期，4种桩型复合地基中的平均桩-土应力比较接近；随着荷载的增加，夯实水泥土楔形桩复合地基的平均桩-土应力比迅速增加，且增加的速率随楔角增大而增大，其增长速率远大于圆柱形桩平均桩-土应力比的增长速率；随着荷载的进一步增大，楔角较小楔形桩复合地基的平均桩–土应力比开始下降，楔角较大楔形桩复合地基的平均桩-土应力比则有下降或稳定的趋势。

图6  平均桩-土应力比曲线

Fig.6  Relationship between pile and soil stress ratio

可见：在一定荷载范围内，楔形桩能有效地发挥桩体的承载性能，其性能要比圆柱形桩的性能优；随着荷载的不断增大，楔形桩-土相互作用进一步增强，桩周土的承载能力得到有效发挥，楔形桩的倾斜侧壁能有效地缓解桩体应力集中；夯实水泥土楔形桩能有效地调节平均桩-土应力，但并不是楔角越大的楔形桩其调节功能越强，这就存在1个最佳的楔角使桩、土在复合地基中均能发挥其最大的承载性能，从而提高地基承载力。最佳的楔角范围有待进一步研究。

2.4  荷载-沉降曲线

根据千分表所测得的桩、土沉降读数进行了加权平均处理，得到4组复合地基的荷载-平均沉降关系，如图7所示。

从由图7可以看出：夯实水泥土桩复合地基的荷载-平均沉降曲线均为缓变形曲线；在相同荷载作用下，夯实水泥土楔形桩复合地基的平均沉降比夯实水泥土圆柱形桩复合地基的平均沉降小，且楔角越大，夯实水泥土楔形桩复合地基的平均沉降越小。可见：在相同地质条件下，楔形桩能较有效地减小地基沉降，提高复合地基的承载力。

图7 荷载-沉降曲线

Fig.7  Relationship between load and settlement

3  结论

(1) 夯实水泥土楔形桩的倾斜侧壁能增强桩-土相互作用，能有效地调节桩-土沉降差和地基沉降，提高地基承载力。

(2) 夯实水泥土楔形桩复合地基中桩体分担荷载的规律与夯实水泥土圆柱形桩复合地中桩体分担荷载的规律一致；增大楔形桩的楔角能使桩体较早地发挥其承载性能，但随着荷载的增加，桩体所分担的荷载是有限的，在工程实际中，要根据实际情况选择合理的楔角。

(3) 在一定荷载范围内，夯实水泥土楔形桩复合地基的平均桩-土应力较夯实水泥土圆柱形桩复合地基的平均桩-土应力比大，楔形桩桩体的承载性能得到较早发挥，其性能要比圆柱形桩的性能优；随着荷载增大，楔形桩-土相互作用进一步增强，桩周土的承载能力得到有效发挥，楔形桩的倾斜侧壁能有效地缓解桩体应力集中现象；夯实水泥土楔形桩能有效地调节平均桩-土应力，但最佳的楔角范围有待进一步研究。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-08-05；修回日期：2011-10-09

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51108176，51078140)；湖南省博士生科研创新项目(CX2010B050)

通信作者：何杰(1976-)，男，湖南汨罗人，博士研究生，副教授，从事地基处理技术研究；电话：13507336475；E-mail: hjhlhjy@yahoo.com.cn