水泥搅拌桩复合地基桩土应力比的现场试验分析

郭增强，赵有明，付兵先

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.石家庄铁道学院，石家庄 050043)

水泥搅拌桩复合地基桩土应力比的现场试验分析

郭增强1，2，赵有明1，付兵先1

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.石家庄铁道学院，石家庄 050043)

桩土应力比是搅拌桩复合地基设计、施工时的重要控制参数。根据公路路基现场试验的实测数据，分析带格栅褥垫层不同位置处搅拌桩桩顶及桩间土的应力变化、桩顶和桩间土的沉降规律，总结了路堤施工过程荷载的传递规律，对水泥搅拌桩复合地基的设计和施工提出了具体建议。

水泥搅拌桩 现场试验 桩土应力比

目前在确定水泥搅拌桩复合地基承载力时，桩土应力比取值的变化范围比较大，而桩土应力比的影响因素又很多，在具体工程中较难明确桩土应力比的取值，在工程实践中开展桩土应力比针对性的试验研究是非常有必要的。

2 测试仪器布设结果分析

在路基中线位置埋设了两层共6个静土压力盒(每层3个)。下层在搅拌桩顶埋设2个土压力盒，在与桩顶高程相同的桩间土处设置一个。铺设一层30 cm细砂及一层CATT60钢塑格栅后埋设上层静土压力盒，位置与下层静土压力盒在同一断面，如图2所示。桩的压应力用桩顶位置处土压力盒的量测值表示。

图2 静土压力盒埋设示意

3 现场测试数据分析

3.1 桩、土压应力变化分析

随着施工的进展，路堤荷载逐渐增大，桩、桩间土压应力变化如图3所示。

图3 各测点桩、土压力变化曲线

1)随着路堤填筑高度的增加，不同位置处的静土压应力均有较大幅度的增长，其中以格栅下A桩顶压应力的增幅为最大。

2)格栅上桩顶与桩间土的应力增幅相关不大，由于加筋土工格栅垫层的张拉膜作用，格栅下桩顶应力增幅远大于桩间土应力增幅，而格栅下桩间土应力增幅小于格栅上桩间土应力增幅。

3)每次加载后，格栅下桩顶应力与桩间土应力都存在一个增长再衰减的过程，且桩顶应力的变化比桩间土应力的变化要大。应力增长是荷载增大作用的结果，应力衰减则原因复杂，一是颗粒性填料内部的应力变化有一个调整过程，另外由于桩间土沉降增大引起土工格栅的拉应力增大，其加筋作用增强，从而使上覆路基荷载的应力向桩顶转移。所以在沉降变形较小时，钢塑土工格栅就可以发挥较好的加筋作用。另外，桩身变形模量远大于桩间土变形模量，在外部荷载的影响下其应力的变化要远大于桩间土的应力变化。

4)相对于格栅下桩土应力的变化来说，格栅上桩土应力的变化较稳定。

5)在等载阶段，由于雨水的影响，不同位置处的静土压力均有较小的变化。由于桩间土排水固结作用，土体的强度不断加强，桩间土应力也缓慢地上升，表现为应变硬化。总体上桩土应力基本处于稳定状态。

3.2 桩土应力比分析

格栅下桩土应力比曲线如图4所示。

1)格栅下A搅拌桩的桩土应力比大于B搅拌桩的桩土应力比，但两条桩土应力比曲线的变化趋势一致。

图4 格栅下桩土应力比变化曲线

2)在路堤填筑高度较低时，桩土应力比较小。填筑1.6 m高后，桩土应力比随路基填高增加而迅速增大，在填筑高度2.48 m时达到一个小的峰值，此时桩土应力比分别为19.4和9.3，随后桩土应力比以较快速率下降，一直到填筑高度4 m时桩土应力比才逐渐增加，并于一段时间后达到另外一个峰值，此时桩土应力比分别为23.4和12.0。桩土应力比的变化规律反映了在加载过程中桩土应力传递的性状。在加载初期，由于荷载较小，路基沉降量也较小，加筋垫层的作用尚未发挥出来，此时桩土应力增幅基本相同，桩土应力比较小。当路基填筑到1.6 m高度时，随着路基沉降量的增加，加筋垫层的作用得到一定程度的发挥，桩身由于变形模量较大，其应力增加很快，桩土应力比迅速增大。在填筑高度达2.48 m时，在荷载的作用下，桩体产生了变形及下沉，造成桩间土应力增长的速率大于桩顶应力增长，桩土应力比相应地有所降低。但随着桩体的变形及下沉，桩侧摩阻力不断增大，桩的承载力也不断增大，此时，随着路基沉降的增大，土工格栅的拉应力增加，加筋垫层的作用进一步发挥，桩顶应力增长的速率加快，桩土应力比表现为上升。在超载预压一段时间后，由于桩间土应变硬化的作用，桩土应力比缓慢下降。

3)格栅下A桩和B桩的桩土应力比相差较大，按照超载预压后期A桩和B桩的平均桩土应力比等于20.4计算，桩顶平均应力为428.7 kPa，桩间土平均应力为21.0 kPa，反算得到的填筑高度为6.26 m，与实际填筑高度4.16 m不符。按照B桩的桩土应力比等于10.5计算，桩顶平均应力为220.8 kPa，桩间土平均应力为21.0 kPa，反算得到的填筑高度为3.7 m，考虑到格栅的应力扩散作用，反算得到的填筑高度是比较合理的结果，因此，格栅下桩土应力比B桩为10.0左右是比较合理的。此时，格栅下桩土荷载比为2.80，桩顶荷载为46.3 kN，与搅拌桩设计承载力100 kN相差甚远。土工格栅上侧(相当于无土工格栅时)A桩和B桩平均桩土应力比为1.1，桩土荷载比0.29，桩顶荷载为12.4 kN。根据以上计算结果可知，加筋垫层向每根桩转移荷载33.1 kN，占桩顶荷载的71.5%。可见，由于土拱效应及拉膜效应的双重作用，加筋垫层复合地基桩土受力的作用非常明显。因此，为了减小垫层的厚度，同时又能起到协调变形的作用，必须在垫层中铺设相应刚度的土工格栅。

格栅上桩土应力比曲线如图5所示。桩土应力比的变化过程比较简单。在加载阶段，格栅上桩土应力比随荷载的增加有较小幅度的增加，在一次性加载1.38 m填料时，桩土应力比并没有明显的上升，而是在经过较小的增长后转入缓慢下降阶段。这是由于桩身强度比桩间土高，因此在加载期间桩土应力比不断上升，而在等载阶段，随着桩间土强度的不断增加，桩土应力比表现为缓慢下降。

图5 格栅上桩土应力比变化曲线

3.3 桩土应力比随沉降变化关系

桩土应力比曲线与沉降曲线关系如图6所示。桩土应力比与沉降有很好的对应关系，在加载期间，桩土应力比基本随沉降的增大而增加。在格栅下桩土应力比达到第一个峰值并不断下降期间，桩身和桩间土压缩变形速率较大，也就是桩侧摩阻力迅速增大的阶段，正是桩土发生相对位移使桩的承载力提高，导致桩土应力重新分配才出现了桩土应力比的第一个峰值。在等载预压的前期，沉降速率较大，桩土应力比则表现为缓慢上升，随着沉降的增加，桩间土在应变硬化的作用下，承受的应力越来越大，桩土应力比也随之逐渐减小。此外，桩顶沉降量与桩间土沉降量基本一致的现象反映出垫层的刚性较大，这是由于钢塑土工格栅的加筋作用明显，提高了垫层刚度的结果。

图6 桩土应力比曲线、沉降曲线

4 结论

根据现场实测数据的分析得到以下结论:桩土应力比随填筑高度的增大而增大。预压期，总体上桩土应力比随时间增加而增大;格栅下部的桩土应力比大于格栅上部的桩土应力比，说明了复合地基加筋垫层协调桩土荷载比的作用非常明显;格栅上、下的桩土应力比相差很大，复合地基设计时应采用格栅下部的桩土应力比;桩顶设置强度较高的土工格栅时，建议搅拌桩复合地基桩土应力比取值约为10，桩土荷载比约为3.46;现场测试时，采用受压面积较大的土压力盒测试桩土应力比效果较好。

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TU472.3+6

B

1003-1995(2010)05-0093-03

1 工程概况

广东佛山环市高等级公路路基宽度120～150 m，路堤设计高度为2.0～4.5 m。沿线遍布软土地基，试验段地层主要由第四系填土层和冲积层组成。软土层(淤泥、淤泥质土等)厚度约7.5～10.0 m，部分路段软土层夹薄砂层较多或含砂量较大，软土有机质含量较少，约1.34% ～2.65%，软土层下普遍下卧砂层，必须进行软基加固处理。试验段采用搅拌桩复合地基(如图1所示)，搅拌桩设计长度为10 m，以穿透软土层进入硬土层0.5 m为准，按梅花形布桩，间距为1.2 m，桩身直径为 50 cm，采用P.O32.5水泥，用灰量 50 kg/m。搅拌桩采用喷浆法施工，四喷四搅成桩，下沉、提升速度不大于0.8 m/min，每根桩施工时间不小于40 min，水灰比根据工艺性试桩确定为0.63。桩顶填筑30 cm细砂后铺设一层CATT60-60钢塑土工格栅。路堤填筑采用细砂，采用薄层轮加法，每层压实厚度不超过50 cm。

图1 搅拌桩施工示意(单位:m)

2010-01-20;修回日期:2010-02-25 作者简介:郭增强(1970— )，男，河北石家庄人，博士研究生。

(责任审编 王 红)