水泥搅拌桩复合地基承载力辨析3
Discussion on the bearing capacity of cement
treated compo site foundation
郑 刚 顾晓鲁 姜忻良
(天津大学建筑工程学院，天津,300072)
中图法分类号 T U479 文献标识码 A 文章编号 1000-4548(2000)04-0487-03
作者简介 郑 刚，男,1967年生，博士，副教授，天津大学土木工程系副主任，天津市建筑学会地基基础学术委员会委员，硕士生导师。从事岩土工程教学、科研与设计工作。
1 复合地基承载力确定方法Ξ
水泥搅拌桩复合地基是目前国内多层建筑最为广
泛采用的地基处理措施之一，目前天津市大量安居住
宅工程采用水泥搅拌桩复合地基，也出现了不少事故。
其承载力的确定方法主要是通过经验公式或载荷试验
确定[1]。规范经验公式如下:
f sp,k=m R d k
A p
+β(1-m)f s,k(1)
式中 β为桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时可取0.5～1.0，当桩端土为硬土时取0.1～0.4，当不考虑桩间软土的作用时可取零;R d k为单桩竖向承载力标准值，应通过现场载荷试验确定，也可根据桩身水泥土材料强度或桩侧摩阻力和桩端阻力按刚性桩方法计算。由于计算单桩承载力R d k时材料强度折减系数取值不同和R d k取值的不同，不同设计者的f sp,k计算结果差别有时很大。
工程实践中常常采用现场载荷试验来确定复合地基承载力(而不是确定单桩承载力)。在满足终止加荷条件时，复合地基承载力基本值可以按照如下标准确定[1]:
(1)当Q-S曲线上有明显的比例极限时，可取该比例限荷载所对应的荷载;
(2)当极限荷载能确定，而其值又小于对应比例极限荷载值的115倍时，可取极限值荷载的一半;
(3)按相对变形值确定：可取S/b或S/d=0.004～0.01所对应的荷载。
由于规范没有明确以上3个标准的相对地位，因此，为降低载荷试验费用，往往在达到规范终止加载条件之前结束加载，采用第3条标准即变形控制的标准来确定复合地基承载力。常用的荷载板尺寸为0.707 m×0.707m～1.5m×1.5m，具体按桩距(或一根桩负担的面积)来确定。
2 复合地基载荷试验承载力判定标准辨析
211 桩间土承载力
水泥搅拌桩实际上是一种半刚性桩，与桩间土构成复合地基。桩间土承载力的发挥与水泥搅拌桩桩长、桩距、桩间土和桩端土层特性以及建筑物沉降量大小有关，桩顶与基础之间是否设置褥垫层也对桩间土承载力的发挥有影响。桩长大、桩距小、桩间土为欠固结土、桩端进入较硬土层以及建筑物沉降量小时桩间土承担外荷载份额小，反之则大。式(1)中β仅考虑了桩端土层对桩间土承载力发挥的影响，而没有明确规定其他因素的影响，有时不同设计者对β的取值差别很大。
对于载荷试验，规范[1]规定取沉降S=0.004～0.01b(b为荷载板的宽度)时所对应的荷载作为水泥搅拌桩复合地基承载力的基本值，与取沉降S=0.02b 时所对应的荷载作为天然地基承载力基本值，二者取用天然地基承载力对应的沉降不一致[2]，以桩间土天然地基载荷试验荷载-沉降曲线来说，二者取用的是
不同沉降对应的承载力(如图1所示)。如果假设地基完全弹性且不考虑载荷板下单桩对土承载力的影响，根据承载力对应的沉降量，复合地基载荷试验不可能使β为1，甚至不可能超过015，而且由于计算单桩承载力R d k取值(有时不同设计者的取值差别也较大)和β取值的不确定，试图以单桩复合地基载荷试验结果与复合地基承载力计算公式计算结果相对应并且根据此计算结果判断复合地基承载力试验值是否合格是不恰当的[2]，以此判断施工质量对施工单位也是不公平
Ξ到稿日期:1999-07-21
第22卷 第4期岩 土 工 程 学 报V ol.22 N o.4 2000年 7月Chine Journal of G eotechnical Engineering July, 2000
的
。
图1 桩间土承载力的确定
Fig.1 Determination of the bearing capacity of s oil
212 桩顶反力及单桩极限承载力
计算水泥搅拌桩单桩承载力时，是按刚性桩的原理来计算桩侧摩阻力和端阻力，而计算复合地基沉降时，其基本假定又是认为桩与桩间土变形是协调的，桩土之间不存在相对滑移，这时其实是将水泥土类半刚性桩视为柔性桩。两者之间存在着概念上的不一致。
为了研究水泥搅拌桩荷载传递规律，笔者进行了刚性桩和水泥土桩的荷载传递室内对比模型试验[2]，见图2。从试验结果可以得出以下几点认识:
(1)水泥土桩由于搅拌较为均匀，水泥掺入比又较
高(18%),28d 龄期时桩土接触面荷载传递情况与干法成孔灌注桩情况较为接近；本次试验中桩的极限侧摩阻力高于湿法成孔(有泥皮)灌注桩极限侧摩阻力。
(2)在本试验条件下，刚性桩和半刚性桩(水泥搅
拌桩)桩体模量相对于土体压缩模量都较高，两者的桩土接触面荷载传递没有大的差别，均表现出了一定的桩土接触面相对滑移现象。由此可以认为，当采用水泥搅拌桩等半刚性桩加固软土地基时，如同规范经验公式一样[1]，可以将半刚性桩视为刚性桩桩体来计算桩侧摩阻力。
(3)28d 龄期时水泥土半刚性桩的极限侧摩阻力高于灌注桩的极限侧摩阻力。对湿法成孔估计是灌注桩桩周软弱泥皮的存在所致；干法成孔灌注柱因为成孔时桩周土体发生松弛，而且水泥硬化导致桩身收缩，也削弱了其侧摩阻力，而水泥搅拌桩成桩过程中有挤土作用，故侧摩阻力高。实际工程中水泥土搅拌桩没有表现出高于灌注桩的承载力，主要是因为桩身强度低，水泥土弹性模量也相对较低，试桩时容易发生材料破坏或桩身压缩量大导致桩顶沉降超过判定复合地基承载力对应的沉降标准S =0.004～0.01b (b 为荷载板的宽度)。
段继伟[3]
的现场试验表明，当荷载加至极限时，在桩顶以下1.5m 处桩身被压坏，笔者设计的几个工程进行了单桩极限承载力试验，均将桩顶压裂(由于桩顶一般铺设5～20mm 厚的细砂找平层，削弱了载荷板对
桩顶的水平向约束)。显然，对于由桩侧摩阻力和桩端
阻力提供的承载力大于桩身材料强度提供的承载力的长桩，材料强度决定了单桩极限承载力大小。复
合地基载荷试验根据桩距(或一根桩承担的处理面积)来确定荷载板宽度b ，取对应于荷载板沉降S =0.004～0.01b 荷载为复合地基承载力。按照这一标准，对同一根桩，如果采用不同尺寸的荷载板，则复合地基承载力标准值对应的桩顶反力是不同的(见图
3)，荷载板尺寸越大，使用的单桩承载力越高，反之当
桩距越小，即荷载板尺寸越小，使用的单桩承载力越
小。这显然是完全不合理的。泉州某工程分别采用了800mm ×800mm 和1700mm ×1700mm 的荷载板，并按S =0.01b 对应的荷载作为复合地基承载力基本值，对应的桩顶沉降分别为8mm 和17mm ，相差一倍多。这说明，类似水泥土搅拌桩这类半刚性桩，虽然可以按桩来计算单桩承载力标准值(规范经验公式亦如此)，而且此承载力标准应是明确的，但在载荷试验时却随荷载板尺寸的不同而变化了。使用的单桩承载力与其极限承载力相比，其相对大小是未知的，即其安全度是不明确的。
规范[1]规定公式(1)中单桩承载力标准值应通过载荷试验来确定，而规范又只规定了复合地基承载力载荷试验的标准，却没有规定单桩承载力载荷试验标准，使工程技术人员难以适从
。
图2 桩土接触面荷载传递试验
Fig.2 M odel test of load trans fer on the inter face of pile and s
oil
图3 水泥搅拌桩单桩荷载-沉降曲线及承载力确定
Fig.3 Determination of the bearing capacity
of the cement treated column
213 复合地基承载力
综合以上分析，如果承认搅拌桩存在单桩极限承
载力，虽然规范经验公式计算单桩承载力时对水泥土
884岩 土 工 程 学 报 2000年
强度乘了一个折减系数，但按现行标准根据载荷试验确定的所谓复合地基承载力基本值不是一个意义明确的值，桩体承载力安全度不明确。因此，要对复合地基承载力进行检验，必须进行单桩承载力载荷试验，再综合考虑水泥搅拌桩桩长、桩距、桩间土和桩端土层特性以及建筑物沉降量大小对桩间土承载力发挥的影响，来确定复合地基承载力。
3 复合地基工作机理及承载力判定标
准建议
载荷试验确定的复合地基承载力应该有明确的安
全度，与刚性桩相同，桩体承载力标准值应该是下面两因素确定的较小值:①桩身材料强度，应满足一定安全度，如安全系数2;②桩侧阻力和桩端阻力。因此，载荷试验也必须反映上述因素。笔者进行的水泥搅拌桩单桩有限元—无限元耦合分析[4]也表明，桩土模量比20～40时，随着桩顶荷载水平的提高和桩顶沉降量的增大，桩顶以下2～4m 范围内可以产生桩土接触面相对滑移，因此，对于短桩，单桩承载力可以按沉降量大小控制。而长桩桩身下部很难出现桩土相对滑移，承载力往往受桩身材料强度
控制，但在桩身发生材料强度破坏之前，往往因桩身压缩量大而导致桩顶沉降超过判定复合地基承载力对应的沉降标准S =0.004～0.01b (b 为荷载板的宽度)。因此，根据前文分析和其他研究者成果，建议复合地基载荷试验应类似刚性桩，试验方法应该考虑单桩达到极限承载力后的破坏形式:
(1)对于长桩(桩长大于6m ，软土中大于8m )，不宜进行复合地基试验，应进行单桩承载力载荷试验，主要根据材料强度确定单桩承载力极限值，桩体压坏时荷载-沉降曲线出现陡降段。
(2)对短桩，当桩端进入硬持力层时，宜进行单桩
试验，单桩极限承载力主要由桩身材料强度决定，按刚性桩承载力判定标准判定单桩极限承载力。
(3)对于短桩，如无较好桩端持力层，单桩极限承载力一般不是由材料强度控制，而是由沉降控制。置换率低时，搅拌桩近似以单桩工作时宜进行单桩试验；置换率高时，可将加固区视为换土垫层，采用天然地基承载力判定标准判定复合地基承载力(荷载板尺寸按单桩处理面积确定)，例如，无法判定极限承载力时，可取S/b =0.015～0.020确定承载力基本值。当Q -S 曲线上有明确的比例极限时，可取该比例极限荷载所对应的荷载作为承载力基本值；当极限荷载能确定，而其值又小于对应比例极限荷载值的115倍时，可取极限荷载的一半。
对应以上三种情况，已知单桩承载力，计算复合地基承载力时，桩间土承载力折减系数β建议分别取011～0.5,0～015和015～110，并根据建筑物预估沉降量大小分别取高值或低值。
以上试验标准符合复合地基一般工作机理，实现了与规范经验公式配套。笔者设计的百余幢砖混住宅复合地基均参考了上述试验标准。最后必须指出，地基处理深度(即桩长)除必须满足承载力要求外，还必须满足沉降控制的要求。而且，根据变形控制的观点，后者往往更为重要。
参 考 文 献
1 J G J 79—91建筑地基处理技术规范.1992
2 郑 刚，姜忻良.水泥搅拌桩复合地基承载力研究.岩土力
学,1999,20(3):46～50
3 段继伟，龚晓南等.水泥搅拌桩荷载传递规律.岩土工程学
报,1994,16(4):1～7
4 郑 刚.水泥搅拌桩有限元—无限元耦合分析.天津大学学
报,2000,33(6)(待出版)
参考文献著录规则
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所谓顺序编码制，是指对引用的文献，按它们在论著中出现的顺序，连续编码，将序号置于方括号内。在论著最后列出连续排列、与正文一一对应的文献，每一条文献都应作到项目完整、内容准确。而且项目内容次序及使用的标点应严格符合国标(期刊的征稿简则)的规定。注意：文献项目之间使用的标点是具有特定意义的著录标点，不要用语言文字的标点符号的概念去理解。著录标点不得随意改动和省略。
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84 第4期郑 刚等1水泥搅拌桩复合地基承载力辨析
