铁２０１０年第５期 道建 筑 ９３ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１０）０５—００９３—０３ 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） 摘要：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。 关键词：水泥搅拌桩 现场试验 桩土应力比 中图分类号：ＴＵ４７２．３ ６ 文献标识码：Ｂ 目前在确定水泥搅拌桩复合地基承载力时，桩土 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 ｉｎ。沿线遍布软土地基，试 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。 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 Ｉｎ，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 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 ２测试仪器布设结果分析 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 ｅｍ，采用Ｐ．０３２．５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 ｏｍ细砂后铺设一层ＣＡＴＴ６０－６０钢塑土工格栅。 示。桩的压应力用桩顶位置处土压力盒的量测值 表示。 静士压力龠 搅拌桩 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。 ／ （ａ）断面图 （ｂ）平面图 图２静土压力盒埋设示意 ３现场测试数据分析 图１搅拌桩施工示意（单位：ｍ） ３．１桩、土压应力变化分析 收稿日期：２０１０－０１－２０；修回日期：２０１０－０２－２５ 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。 、 作者简介：郭增强（１９７０一），男，河北石家庄人，博士研究生。 ９４ 铁道建筑 时间，ｄ ００ ２００ ｇｕ。＿【×／趟饵 辇ｆ ｏ 瑚 格栅下桩间土应力２ ／ ／Ｂ桩格栅上桩土应力６ 格栅上桩问土应力５ Ｂ桩格栅下桩土应力３ Ａ桩格栅上桩土应力４ 里３００ Ｒ 出 ４００ Ａ桩格栅下桩土应力１ 图３各测点桩、土压力变化曲线 ｇ，Ⅳ 恒 臀 堪州 加 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。 ０ ５ ｍ 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 图４格栅下桩土应力比变化曲线 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 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 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 静土压力均有较小的变化。由于桩间土排水固结作 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， 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 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 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 致。 ２）在路堤填筑高度较低时，桩土应力比较小。填 预压一段时间后，由于桩间土应变硬化的作用，桩土应 ２０１０年第５期 水泥搅拌桩复合地基桩土应力比的现场试验分析 ９５ 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，桩问土平均应 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 身强度比桩问土高，因此在加载期间桩土应力比不断 上升，而在等载阶段，随着桩问土强度的不断增加，桩 土应力比表现为缓慢下降。 ｇ １．５ １．０ 桓 ０．５ Ｏ ０ ５ 丑 ０ 耄 ２．Ｏ 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，在加载期问，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。 时间／ｄ ５Ｏ ｌｏｏ ｌ５Ｏ ２００ ２５０ 。 ５ 姜 簧１０ ＼呈登 兰 ．—一 Ｉ ５ 格栅下桩土 萎 桩间土沉降曲 趟２０ ２５ 桩顶沉降曲线 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。 参 考 文 献 ［１］马时冬．水泥搅拌桩复合地基桩土应力比测试研究［Ｊ］．土 木工程学报，２００２（２）：４８—５１． ［２］郭忠贤，杨志红，王占雷．夯实水泥土桩复合地基桩土应力 比的研究［Ｊ］．工程勘察，２００６（６）：１０—１３． ［３］朱奎，吴冬虎，邵少锋，等．刚一柔性桩复合地基静荷载试 验探讨［Ｊ］．铁道建筑，２００６（５）：６７—７０． ［４］方磊，谢永利．柔性基础下复合地基桩土应力比模型试验 研究［Ｊ］．华东公路，２００４（５）：６４—６６． （责任审编 王红）
