水泥攪拌樁復合地基承載力辨析3
Discussion on the bearing capacity of cement
treated compo site foundation
鄭 剛 顧曉魯 姜忻良
(天津大學建筑工程學院，天津,300072)
中圖法分類號 T U479 文獻標識碼 A 文章編號 1000-4548(2000)04-0487-03
作者簡介 鄭 剛，男,1967年生，博士，副教授，天津大學土木工程系副主任，天津市建筑學會地基基礎學術委員會委員，碩士生導師。從事巖土工程教學、科研與設計工作。
1 復合地基承載力確定方法Ξ
水泥攪拌樁復合地基是目前國內多層建筑最為廣
泛采用的地基處理措施之一，目前天津市大量安居住
宅工程采用水泥攪拌樁復合地基，也出現了不少事故。
其承載力的確定方法主要是通過經驗公式或載荷試驗
確定[1]。規范經驗公式如下:
f sp,k=m R d k
A p
+β(1-m)f s,k(1)
式中 β為樁間土承載力折減系數，當樁端土為軟土時可取0.5～1.0，當樁端土為硬土時取0.1～0.4，當不考慮樁間軟土的作用時可取零;R d k為單樁豎向承載力標準值，應通過現場載荷試驗確定，也可根據樁身水泥土材料強度或樁側摩阻力和樁端阻力按剛性樁方法計算。由于計算單樁承載力R d k時材料強度折減系數取值不同和R d k取值的不同，不同設計者的f sp,k計算結果差別有時很大。
工程實踐中常常采用現場載荷試驗來確定復合地基承載力(而不是確定單樁承載力)。在滿足終止加荷條件時，復合地基承載力基本值可以按照如下標準確定[1]:
(1)當Q-S曲線上有明顯的比例極限時，可取該比例限荷載所對應的荷載;
(2)當極限荷載能確定，而其值又小于對應比例極限荷載值的115倍時，可取極限值荷載的一半;
(3)按相對變形值確定：可取S/b或S/d=0.004～0.01所對應的荷載。
由于規范沒有明確以上3個標準的相對地位，因此，為降低載荷試驗費用，往往在達到規范終止加載條件之前結束加載，采用第3條標準即變形控制的標準來確定復合地基承載力。常用的荷載板尺寸為0.707 m×0.707m～1.5m×1.5m，具體按樁距(或一根樁負擔的面積)來確定。
2 復合地基載荷試驗承載力判定標準辨析
211 樁間土承載力
水泥攪拌樁實際上是一種半剛性樁，與樁間土構成復合地基。樁間土承載力的發揮與水泥攪拌樁樁長、樁距、樁間土和樁端土層特性以及建筑物沉降量大小有關，樁頂與基礎之間是否設置褥墊層也對樁間土承載力的發揮有影響。樁長大、樁距小、樁間土為欠固結土、樁端進入較硬土層以及建筑物沉降量小時樁間土承擔外荷載份額小，反之則大。式(1)中β僅考慮了樁端土層對樁間土承載力發揮的影響，而沒有明確規定其他因素的影響，有時不同設計者對β的取值差別很大。
對于載荷試驗，規范[1]規定取沉降S=0.004～0.01b(b為荷載板的寬度)時所對應的荷載作為水泥攪拌樁復合地基承載力的基本值，與取沉降S=0.02b 時所對應的荷載作為天然地基承載力基本值，二者取用天然地基承載力對應的沉降不一致[2]，以樁間土天然地基載荷試驗荷載-沉降曲線來說，二者取用的是
不同沉降對應的承載力(如圖1所示)。如果假設地基完全彈性且不考慮載荷板下單樁對土承載力的影響，根據承載力對應的沉降量，復合地基載荷試驗不可能使β為1，甚至不可能超過015，而且由于計算單樁承載力R d k取值(有時不同設計者的取值差別也較大)和β取值的不確定，試圖以單樁復合地基載荷試驗結果與復合地基承載力計算公式計算結果相對應并且根據此計算結果判斷復合地基承載力試驗值是否合格是不恰當的[2]，以此判斷施工質量對施工單位也是不公平
Ξ到稿日期:1999-07-21
第22卷 第4期巖 土 工 程 學 報V ol.22 N o.4 2000年 7月Chine Journal of G eotechnical Engineering July, 2000
的
。
圖1 樁間土承載力的確定
Fig.1 Determination of the bearing capacity of s oil
212 樁頂反力及單樁極限承載力
計算水泥攪拌樁單樁承載力時，是按剛性樁的原理來計算樁側摩阻力和端阻力，而計算復合地基沉降時，其基本假定又是認為樁與樁間土變形是協調的，樁土之間不存在相對滑移，這時其實是將水泥土類半剛性樁視為柔性樁。兩者之間存在著概念上的不一致。
為了研究水泥攪拌樁荷載傳遞規律，筆者進行了剛性樁和水泥土樁的荷載傳遞室內對比模型試驗[2]，見圖2。從試驗結果可以得出以下幾點認識:
(1)水泥土樁由于攪拌較為均勻，水泥摻入比又較
高(18%),28d 齡期時樁土接觸面荷載傳遞情況與干法成孔灌注樁情況較為接近；本次試驗中樁的極限側摩阻力高于濕法成孔(有泥皮)灌注樁極限側摩阻力。
(2)在本試驗條件下，剛性樁和半剛性樁(水泥攪
拌樁)樁體模量相對于土體壓縮模量都較高，兩者的樁土接觸面荷載傳遞沒有大的差別，均表現出了一定的樁土接觸面相對滑移現象。由此可以認為，當采用水泥攪拌樁等半剛性樁加固軟土地基時，如同規范經驗公式一樣[1]，可以將半剛性樁視為剛性樁樁體來計算樁側摩阻力。
(3)28d 齡期時水泥土半剛性樁的極限側摩阻力高于灌注樁的極限側摩阻力。對濕法成孔估計是灌注樁樁周軟弱泥皮的存在所致；干法成孔灌注柱因為成孔時樁周土體發生松弛，而且水泥硬化導致樁身收縮，也削弱了其側摩阻力，而水泥攪拌樁成樁過程中有擠土作用，故側摩阻力高。實際工程中水泥土攪拌樁沒有表現出高于灌注樁的承載力，主要是因為樁身強度低，水泥土彈性模量也相對較低，試樁時容易發生材料破壞或樁身壓縮量大導致樁頂沉降超過判定復合地基承載力對應的沉降標準S =0.004～0.01b (b 為荷載板的寬度)。
段繼偉[3]
的現場試驗表明，當荷載加至極限時，在樁頂以下1.5m 處樁身被壓壞，筆者設計的幾個工程進行了單樁極限承載力試驗，均將樁頂壓裂(由于樁頂一般鋪設5～20mm 厚的細砂找平層，削弱了載荷板對
樁頂的水平向約束)。顯然，對于由樁側摩阻力和樁端
阻力提供的承載力大于樁身材料強度提供的承載力的長樁，材料強度決定了單樁極限承載力大小。復
合地基載荷試驗根據樁距(或一根樁承擔的處理面積)來確定荷載板寬度b ，取對應于荷載板沉降S =0.004～0.01b 荷載為復合地基承載力。按照這一標準，對同一根樁，如果采用不同尺寸的荷載板，則復合地基承載力標準值對應的樁頂反力是不同的(見圖
3)，荷載板尺寸越大，使用的單樁承載力越高，反之當
樁距越小，即荷載板尺寸越小，使用的單樁承載力越
小。這顯然是完全不合理的。泉州某工程分別采用了800mm ×800mm 和1700mm ×1700mm 的荷載板，并按S =0.01b 對應的荷載作為復合地基承載力基本值，對應的樁頂沉降分別為8mm 和17mm ，相差一倍多。這說明，類似水泥土攪拌樁這類半剛性樁，雖然可以按樁來計算單樁承載力標準值(規范經驗公式亦如此)，而且此承載力標準應是明確的，但在載荷試驗時卻隨荷載板尺寸的不同而變化了。使用的單樁承載力與其極限承載力相比，其相對大小是未知的，即其安全度是不明確的。
規范[1]規定公式(1)中單樁承載力標準值應通過載荷試驗來確定，而規范又只規定了復合地基承載力載荷試驗的標準，卻沒有規定單樁承載力載荷試驗標準，使工程技術人員難以適從
。
圖2 樁土接觸面荷載傳遞試驗
Fig.2 M odel test of load trans fer on the inter face of pile and s
oil
圖3 水泥攪拌樁單樁荷載-沉降曲線及承載力確定
Fig.3 Determination of the bearing capacity
of the cement treated column
213 復合地基承載力
綜合以上分析，如果承認攪拌樁存在單樁極限承
載力，雖然規范經驗公式計算單樁承載力時對水泥土
884巖 土 工 程 學 報 2000年
強度乘了一個折減系數，但按現行標準根據載荷試驗確定的所謂復合地基承載力基本值不是一個意義明確的值，樁體承載力安全度不明確。因此，要對復合地基承載力進行檢驗，必須進行單樁承載力載荷試驗，再綜合考慮水泥攪拌樁樁長、樁距、樁間土和樁端土層特性以及建筑物沉降量大小對樁間土承載力發揮的影響，來確定復合地基承載力。
3 復合地基工作機理及承載力判定標
準建議
載荷試驗確定的復合地基承載力應該有明確的安
全度，與剛性樁相同，樁體承載力標準值應該是下面兩因素確定的較小值:①樁身材料強度，應滿足一定安全度，如安全系數2;②樁側阻力和樁端阻力。因此，載荷試驗也必須反映上述因素。筆者進行的水泥攪拌樁單樁有限元—無限元耦合分析[4]也表明，樁土模量比20～40時，隨著樁頂荷載水平的提高和樁頂沉降量的增大，樁頂以下2～4m 范圍內可以產生樁土接觸面相對滑移，因此，對于短樁，單樁承載力可以按沉降量大小控制。而長樁樁身下部很難出現樁土相對滑移，承載力往往受樁身材料強度
控制，但在樁身發生材料強度破壞之前，往往因樁身壓縮量大而導致樁頂沉降超過判定復合地基承載力對應的沉降標準S =0.004～0.01b (b 為荷載板的寬度)。因此，根據前文分析和其他研究者成果，建議復合地基載荷試驗應類似剛性樁，試驗方法應該考慮單樁達到極限承載力后的破壞形式:
(1)對于長樁(樁長大于6m ，軟土中大于8m )，不宜進行復合地基試驗，應進行單樁承載力載荷試驗，主要根據材料強度確定單樁承載力極限值，樁體壓壞時荷載-沉降曲線出現陡降段。
(2)對短樁，當樁端進入硬持力層時，宜進行單樁
試驗，單樁極限承載力主要由樁身材料強度決定，按剛性樁承載力判定標準判定單樁極限承載力。
(3)對于短樁，如無較好樁端持力層，單樁極限承載力一般不是由材料強度控制，而是由沉降控制。置換率低時，攪拌樁近似以單樁工作時宜進行單樁試驗；置換率高時，可將加固區視為換土墊層，采用天然地基承載力判定標準判定復合地基承載力(荷載板尺寸按單樁處理面積確定)，例如，無法判定極限承載力時，可取S/b =0.015～0.020確定承載力基本值。當Q -S 曲線上有明確的比例極限時，可取該比例極限荷載所對應的荷載作為承載力基本值；當極限荷載能確定，而其值又小于對應比例極限荷載值的115倍時，可取極限荷載的一半。
對應以上三種情況，已知單樁承載力，計算復合地基承載力時，樁間土承載力折減系數β建議分別取011～0.5,0～015和015～110，并根據建筑物預估沉降量大小分別取高值或低值。
以上試驗標準符合復合地基一般工作機理，實現了與規范經驗公式配套。筆者設計的百余幢磚混住宅復合地基均參考了上述試驗標準。最后必須指出，地基處理深度(即樁長)除必須滿足承載力要求外，還必須滿足沉降控制的要求。而且，根據變形控制的觀點，后者往往更為重要。
參 考 文 獻
1 J G J 79—91建筑地基處理技術規范.1992
2 鄭 剛，姜忻良.水泥攪拌樁復合地基承載力研究.巖土力
學,1999,20(3):46～50
3 段繼偉，龔曉南等.水泥攪拌樁荷載傳遞規律.巖土工程學
報,1994,16(4):1～7
4 鄭 剛.水泥攪拌樁有限元—無限元耦合分析.天津大學學
報,2000,33(6)(待出版)
參考文獻著錄規則
包括本刊在內的我國大部分期刊普遍采用國家標準規定的順序編碼制的文獻著錄規則。
所謂順序編碼制，是指對引用的文獻，按它們在論著中出現的順序，連續編碼，將序號置于方括號內。在論著最后列出連續排列、與正文一一對應的文獻，每一條文獻都應作到項目完整、內容準確。而且項目內容次序及使用的標點應嚴格符合國標(期刊的征稿簡則)的規定。注意：文獻項目之間使用的標點是具有特定意義的著錄標點，不要用語言文字的標點符號的概念去理解。著錄標點不得隨意改動和省略。
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