孟庆宏

(中川铁路有限公司，兰州　730000)



水泥搅拌饱和黄土复合地基桩土荷载分担研究

孟庆宏

(中川铁路有限公司，兰州730000)

摘要：兰州至中川机场城际铁路工程沿线大多地段属于饱和黄土地基，承载力低，压缩性大，无法满足设计要求，采取水泥土搅拌桩复合地基进行加固，通过现场实测路堤荷载及刚性承载板下水泥土搅拌桩复合地基中桩土荷载分担情况。结果表明：随着路堤填筑高度及时间的增加，桩体、桩间土的应力都增大，桩体的应力大于桩间土的应力；相同的路堤填土荷载下，二灰掺量16%的复合地基中最大桩顶应力272.5 kPa，对应桩间土应力45.5 kPa；二灰掺量12%的最大桩顶应力166.3 kPa，对应桩间土应力为69.3 kPa。随着二灰掺入量的增加，路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比增大，二灰掺量16%时的最大桩土应力比为5.57，是二灰掺量为12%的2.34倍；刚性基础下桩土应力比随荷载的变化呈现出凸单峰曲线。复合地基中桩体应力集中系数的值随着荷载的增加而逐渐增大，桩间土应力减小系数随着荷载的增加而减小。

关键词：水泥土搅拌桩；饱和黄土；路堤荷载；现场测试；桩土应力比

1概述

黄土是指第四纪以来在半干旱、干旱地区陆相沉积的特殊土，以粉粒为主，富含钙质的粉土或粉质黏土。我国黄土分布占全国陆地面积的6.1%左右，主要分布在我国的西北平原和华北平原。大多黄土天然含水率低，干燥时比较坚固，承载力较高，遇水容易受到侵蚀。当含水率增加、饱和度大于80%时，形成饱和黄土，具有含水率高、压缩性大、抗剪强度低等不良工程特性[1-2]。饱和黄土地基承载力低、变形大，无法满足工程要求，需进行地基处理，常把饱和黄土地基按软弱地基来对待[3]。

采用水泥和粉煤灰作为固化剂加固饱和黄土地基，形成水泥搅拌饱和黄土复合地基，相比天然地基，应力场和位移场均发生了较大的变化。在外荷载作用下，桩体与桩间土共同承担上部荷载[5]。桩土应力比，即桩顶平均应力与桩间土平均应力的比值，反映了复合地基中桩体和桩间土共同承担上部荷载时的分担比例。水泥土搅拌桩复合地基中桩土应力比的研究主要有以下3方面：①室内模型试验[6]，研究不同基础刚度下桩土应力比的变化规律；②通过现场实测[7-14]分析刚性承载板下及路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比变化规律；③通过数值模拟[15]不同条件下复合地基的工作性状以及各因素之间的相互影响，并与实测结果对比。由于桩土应力比的影响因素复杂，且现行有关规范中都涉及地区经验，因此进行路堤下复合地基桩土应力比现场试验研究是十分必要的。

目前，我国学者对黄土的改良和加固已进行了长期研究，但是，对于饱和黄土地基的处理，尤其是采用水泥粉煤灰搅拌桩加固饱和黄土地基的研究还较少，缺乏地区经验。本文结合兰州至中川机场城际铁路工程，选用水泥粉煤灰搅拌桩加固饱和黄土地基。本文通过现场实测路堤荷载及刚性承载板下水泥土搅拌桩复合地基桩顶、桩间土应力，分析桩土应力比的变化规律，探讨饱和黄土场地水泥土搅拌桩复合地基的受力特性及桩土荷载分担情况，为该地区水泥土搅拌桩加固饱和黄土地基设计及分析计算积累地区经验。

2试验路段概况

实测工作所在的试验段位于兰州至中川机场城际铁路某一标段，里程DK48+025.78～DK49+991.00，共长1 965.22 m。该段路基位于兰州市永登县树屏镇，根据地质调查、钻孔揭示，工程涉及的主要地层为：分布于表层的第四系全新统人工填筑土、砂质黄土，分布于黄土层以下的第四系全新统粉砂、细砂、中砂、粗砂、砂砾以及第三系中心统泥岩夹砂层。工点范围内的地表水主要为碱沟沟水，水量较小。根据钻孔DZ-832附近地表水质分析报告，对混凝土结构具有硫酸盐、氯盐侵蚀性，环境作用等级为H2、L1。地下水位第四系潜水，水位埋深2～10 m。

根据静力触探成果及土工试验报告分析，工点范围内分布着饱和黄土，静力触探贯入阻力Ps多为336～505 kPa，地基土基本承载力为43～62 kPa。很显然，该段饱和黄土地基承载力及沉降量不能满足设计要求，对其进行加固处理。选用水泥土搅拌桩对饱和黄土地基进行加固处理，形成水泥粉煤灰搅拌饱和黄土桩体复合地基。设计的水泥土搅拌桩基本资料见表1，搅拌桩所用的固化剂为水泥与粉煤灰的混合料，以下简称“二灰”。

表1　水泥土搅拌桩基本资料

3试验仪器埋设及测试过程

3.1仪器的选择与埋设

选择的仪器是由长沙金码科技实业有限公司生产的型号为JMZX-5003A的振弦式土压力盒。量程为1.0 MPa的大量程土压力盒24个，埋设于桩顶；量程为0.3 MPa的小量程土压力盒44个，埋设于桩间土，共计埋设土压力盒68个。

在路堤填筑之前，将土压力盒埋设于桩顶、桩间土的表面。二灰掺量为12%、16%、20%的试验段各选2个断面埋设土压力盒。每个断面路基中心处选取2根桩进行量测。取桩顶土压力盒所测应力的平均值作为桩顶应力，取四周土压力盒所测应力的平均值作为桩间土应力。土压力盒的埋设情况如图1、图2所示，土压力盒的埋设位置见表2。

图1　试验组1土压力盒的埋设示意

图2　试验组2土压力盒的埋设示意

二灰掺量/%试验分组里程桩顶土压力盒埋设桩周土土压力盒埋设12试验组1K48+4604个8个12试验组2K48+4804个6个16试验组1K48+7804个8个16试验组2K48+8104个6个20试验组1K48+5504个8个20试验组2K48+5704个6个

3.2测试过程

3.2.1测试方法

测试期间，按照“开始施工→一层路堤填筑完毕→8～10 h后测读数据→下一层路堤开始填筑”这样的过程进行测试。保证数据的采集在一定程度上与施工过程保持一致，确保数据的稳定性。整个测试期间每天测读1次数据，共历时11 个月。

3.2.2测试中需要注意的问题

(1)路堤填筑初期，土压力盒的上部覆土很少，为了避免机械对其产生不利的影响，采取以下措施：待垫层底层施工完成后，挖开垫层埋设土压力盒，人工夯实上部填土。垫层施工第二层时，压路机通过埋设有土压力盒的断面时静止振动碾压，只允许静压。

(2)如果在测试期间出现土压力盒失效的情况，土压力盒损坏或超出土压力盒的量程及测试数据不稳定，在数据处理时应该将这些数据剔除。

4桩土荷载分担测试结果分析

在上部结构荷载作用下，水泥搅拌饱和黄土复合地基中桩体与桩间土各自荷载分担情况直接关系复合地基承载性能，关系两者承载能力的发挥。影响桩体与桩周土体荷载分担的因素主要是试验中土体的性质、桩体的布置、几何尺寸、不同二灰掺量下桩体强度、填土荷载以及各级荷载的间歇时间(固结时间)。分析中以路堤的填筑高度来反应荷载的大小。

4.1实测路堤荷载下桩顶及桩间土应力的变化规律

4.1.1相同二灰掺量下桩顶及桩间土应力随路堤填筑高度及时间的变化

本次试验对二灰掺量12%的复合地基做了2组试验，试验组1里程为DK48+460 m，试验组2里程为DK48+480 m，2组试验中桩体、桩间土应力与路堤填筑高度的变化规律基本一致，故以试验组1为例，分析桩体、桩间土荷载分担与路堤填筑高度及时间的关系。测试结果如图3所示。

图3　桩顶、桩间土应力与路堤填筑时间及高度的关系

由图3(a)可以看出，路堤的填筑时间主要集中在2014年7月13日到2014年7月29日和2014年11月13日到2014年12月10日，2014年12月11日开始，基床表层铺设60 cm厚的碎石。路堤分层填筑，每层厚度50 cm，填筑完成后碾压达到规定的压实度，并且修理边坡。图3(b)可以看出，在施工期间，桩体、桩间土的应力都随着路堤填筑高度的增加而增大。由于桩体的强度、刚度均大于桩间土的，故桩体的应力大于桩间土的应力。

由图3可以看出，从2014年7月29日到2014年11月13日，路堤的填筑高度并没有发生变化。但是，桩体与桩间土分担的荷载有一定的变化。可以看到，2014年8月27日，桩体和桩间土的应力都增大，这是由于将修理边坡后的大量土堆积在路堤的中央，造成桩体与桩间土应力增大。11月10日拉走堆土，桩体、桩间土的应力减小。在路堤堆土期间，桩体、桩间土的应力都呈现出减小的趋势，但并不明显。2014年11月11日到2014年12月10日，路堤又开始填筑，填筑高度至590 cm； 12月11日开始，基床表层铺垫60 cm厚的碎石，在这期间，桩体、桩间土的应力都随路堤填筑高度的增加而增大。2015年1月23日，路堤填筑完成，地基处于固结沉降阶段，桩顶、桩间土应力基本不变，趋于稳定。整个试验期间，桩体所分担的荷载最大值为166.3 kPa，桩间土承担最大荷载为69.3 kPa。

在路堤填筑初期，上部荷载通过垫层均匀地传递到桩体和桩间土上，桩体、桩间土分担的荷载都较小，且差别不大，基本同步增大。随着路堤填筑高度的增加，桩体刚性大的优势得到发挥，分担的荷载量增大，应力逐渐向桩体集中。

4.1.2不同二灰掺量下桩顶、桩间土应力随路堤填筑高度的变化

二灰掺量分别为12%、16%，不同里程断面桩顶、桩间土应力随路堤填筑高度的变化如图4所示。

由图4可以看出，不同的里程断面处，路堤的填筑高度随时间的变化不同，对应的桩顶、桩间土平均应力随时间变化也不同。二灰掺量16%的复合地基中最大桩顶应力272.5 kPa，对应桩间土应力45.5 kPa。二灰掺量12%的最大桩顶应力166.3 kPa，对应桩间土应力为69.3 kPa。可见，二灰掺量16%的复合地基中最大桩顶应力是二灰掺量12%的1.64倍，这是由于不同二灰掺量下的水泥土搅拌桩强度、刚度不同造成的。

图4　不同二灰掺量下桩顶及桩间土平均应力与路堤填筑高度的关系

采用与现场试验段相同的原位土、水泥、粉煤灰做室内水泥粉煤灰搅拌土无侧限抗压强度试验，二灰掺量16%的水泥土试块90 d龄期无侧限抗压强度为3.19 MPa，是二灰掺量12%的1.34倍[16]。

分析以上实测结果可知，水泥土搅拌桩复合地基中由桩体和桩间土共同承担上部荷载；由于桩体的强度、刚度均大于桩间土的，所以桩体分担的荷载也明显大于桩间土分担的荷载。二灰掺量增加，水泥土搅拌桩强度、刚度增大，桩顶应力集中表现的越明显，桩体分担的荷载增加，桩间土分担的荷载减小。

4.2路堤荷载下桩土应力比的分析

水泥搅拌饱和黄土复合地基，受力情况复杂，影响因素多，理论计算难度大，因此，通过现场实测来分析水泥搅拌饱和黄土复合地基中桩土应力比的变化规律。不同二灰掺量下桩土应力比随路堤填筑高度的变化规律如图5所示。

由图5可以看出， 二灰掺量16%的复合地基，在路堤填筑初期，桩土承担的荷载相差不大，桩土应力比较小；随着填土荷载增大，桩土应力比增大。2014年12月11日，路堤填筑完成，此时桩土应力比为4.93，2014年12月12日到2015年6月8日，路堤处于固结沉降阶段，桩土应力比缓慢增加，最后趋于稳定，稳定值为5.99。桩土应力比的稳定值范围为4.93～5.99，平均值为5.46，说明该场地中桩、土能够较好的配合，达到复合地基中共同承担上部荷载的目的。兰州到中川机场铁路工程采用二灰掺量为16%加固饱和黄土地基，有较好的技术经济效益。

图5　不同二灰掺量下桩土应力比随路堤填筑高度的变化

二灰掺量为12%的复合地基，路堤填筑完成时桩土应力比为2.28；路基固结沉降阶段，桩土应力比缓慢增加，最终趋于稳定，稳定值为2.39，明显小于二灰掺量16%的复合地基。这是因为随着二灰掺量的增加，水泥土搅拌桩强度及刚度增加，桩体分担的上部荷载增大，而桩间土分担的上部荷载逐渐减小，桩土应力比逐渐增大。桩土应力比为现场实测所得，其值受不同断面土质、含水率、桩体模量等各种因素的影响。

4.3柔、刚性基础下桩土应力比分析

为了对比探讨不同基础刚度下桩土应力比随荷载的变化规律，在试验段附近选取工点进行单桩复合地基静载荷试验。采取与路堤荷载下相同的方式埋设土压力盒，测试桩顶、桩间土应力，从而计算出桩土应力比，以二灰掺量12%为例，分析桩土应力比随荷载的变化规律，如图6所示。

图6　刚性载荷板下桩土应力比与荷载的关系

由图6可以看出，二灰掺量12%的水泥土搅拌桩复合地基，桩土应力比随着荷载的增加而增大，达到峰值荷载后，桩土应力比开始减小，峰值荷载为400 kPa，对应桩土应力比为12.15。

对比路堤荷载下二灰掺量为12%的复合地基中桩土应力比与荷载的关系可以发现：路堤填筑初期，高度为1.25 m，对应荷载为25 kPa时，路堤下复合地基中桩土应力比为0.95，而静载荷试验中桩土应力比达到2.86。可见，荷载较小时，柔性基础下复合地基中桩体、桩间土荷载分担差异不大，桩土应力比接近于1。路堤填筑完成时高度达到6.5 m，对应荷载为130 kPa，路堤下复合地基中桩土应力比为2.39，而静载荷试验中桩土应力比达到7.08。可见，相同荷载下，静载荷试验中桩土应力比明显大于路堤荷载下复合地基中桩土应力比。

路堤荷载作用下和刚性承载板下的桩土应力比与荷载的关系曲线有明显的不同，分析其差异产生的原因如下。①基础刚度的影响：单桩复合地基静荷载试验中，刚性承载板迫使桩顶与桩间土发生相同的沉降，大部分荷载向桩顶集中，随着荷载的增大，桩体分担的荷载增大，达到峰值荷载后继续增大荷载，桩头开始破坏，承载力降低，荷载向桩间土转移，曲线呈现出凸单峰曲线。柔性基础下桩顶有向上刺入的余地，桩间土相对桩体有向下的位移，产生负摩阻力，桩体与桩间土之间存在差异沉降，上部荷载需要通过一定的时间才能转移到桩间土。②荷载大小的影响：在刚性承载板下，荷载较小时，基底应力分布接近于弹性理论解，随着荷载的增大，基底应力呈现出马鞍形。路堤荷载下，基础可以适应地基的变形，基底应力的分布与作用在基础上的荷载分布完全一致，可认为是与路堤的外形轮廓相同，其大小等于各点以上的土柱重力。

4.4桩体的应力集中系数与桩间土的应力减小系数

复合地基中，桩体的存在使得桩间土平均应力减小，为了反应桩间土的应力减小程度，用桩间土应力减小系数μs或桩体应力集中系数μp来描述。该系数是采用桩身模量法或应力修正法计算复合地基沉降的重要指标。桩间土平均应力σs与复合地基平均应力σ之比称为桩间土应力减小系数，即μs=σs/σ。桩顶平均应力σp与复合地基平均应力σ之比称为桩顶应力集中系数μp，即μp=σp/σ。以二灰掺量16%的2号断面为例，将路堤填土高度换算为荷载，绘制路堤下复合地基中桩体应力集中系数和桩间土应力减小系数与荷载的关系曲线如图7、图8所示。

图7　桩体应力集中系数与荷载的关系

图8　桩间土应力减小系数与荷载的关系

图7、图8可以看出，随着荷载的增加，桩体应力集中系数μp的值逐渐增大，路堤填筑完成时荷载达到130 kPa，桩体应力集中系数为2.81。桩间土应力减小系数μs的变化规律与桩体应力集中系数的变化规律相反，随着荷载的增大逐渐减小，路堤达到填筑高度时最小值为0.72。上述过程说明复合地基的荷载逐渐向桩体转移，体现了水泥土搅拌桩的作用。

5结论

(1)水泥搅拌饱和黄土复合地基在路堤填筑过程中，随着路堤填筑高度及时间的增加，桩体、桩间土的应力都增大，桩体分担的应力大于桩间土分担的应力。二灰掺量12%时，路堤达到填筑高度时，桩体所分担的荷载最大值为166.3 kPa，桩间土承担最大荷载为69.3 kPa。

(2)在相同的路堤填土荷载下，不同二灰掺量的水泥土搅拌桩复合地基中桩体、桩间土分担的应力是不同的。二灰掺量16%的复合地基中最大桩顶应力272.5 kPa，对应桩间土应力45.5 kPa；是二灰掺量12%的最大桩顶应力的1.64倍，对应桩间土应力的0.65倍。

(3)随着二灰掺入量的增加，水泥土搅拌桩的强度、刚度增大，路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比增大。二灰掺量16%时的最大桩土应力比为5.99，二灰掺量12%时的最大桩土应力比为2.39。

(4)单桩复合地基载荷试验表明，刚性基础下水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比与荷载的变化关系呈现出凸单峰曲线。峰值荷载以前，桩土应力比随着荷载的增加而增大，达到峰值荷载后，继续增加荷载，桩土应力比减小。

(5)随着荷载的增加，桩体应力集中系数μp逐渐增大，桩间土应力减小系数μs逐渐减小。路堤填筑完成时荷载达到130 kPa，桩体应力集中系数为2.81，桩间土应力减小系数μs为0.72。

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Research on Load Share among Piles and Soil of Cement-soil Mixed Saturated Loess Composite Foundation

MENG Qing-hong

(Zhongchuan Railway Co.， Ltd.， Lanzhou 730000, China)

Abstract：Most sections along the Lanzhou-Zhongchuan Intercity Railway are located in saturated loess with low bearing capacity and high compressibility， which can hardly meet the design requirements. Soil-cement mixed pile composite foundation is applied and site tests are carried out to measure the embankment load and the stress of the pile and soil in soil-cement mixing pile composite foundation under the rigid load plate and to analyze the situation of load share among piles and soil. The results show that: with the increase of embankment filling height and time， the stress of pile and soil between piles increases， the stress of the pile is greater than that of the soil between them; under the same embankment fill load， the maximum pile stress of the composite foundation is 272.5 kPa with 16% admixture of two ashes and 45.5 kPa corresponding soil stress between piles; the maximum pile top stress of the composite foundation is 166.3 kPa with 12% admixture of two ashes and 69.3 kPa corresponding soil stress between piles. With the increase of two ashes， the pile soil stress ratio of soil-cement mixed pile composite foundation under the embankment load increases， when the two ashes admixture reaches 16%， the maximum pile-soil stress ratio is 5.57， which is 2.34 times of 12% two ashes admixture. Pile-soil stress ratio under rigid foundation presents a convex unimodal curve along with the change of load. The value of the pile stress concentration factor of the composite foundation increases with the increase of load， and the soil stress (between piles) reduction coefficient decreases with the increase of load．

Key words：Soil-cement mixing pile; Saturated loess; Embankment load; In-situ test; Pile soil stress ratio

文章编号：1004-2954(2016)05-0005-06

收稿日期：2015-07-23； 修回日期：2015-10-31

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2013G009-N)

作者简介：孟庆宏(1964—)，男，高级工程师，E-mail：yangyh@mail.lzjtu.cn。

中图分类号：U213.1+5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.002