混凝土芯砂石桩处理软土地基承载特性试验研究

吴 兴 政

(中石化江苏油建工程有限公司，江苏 扬州　225002)

0　引言

近年来我国交通基础设施建设发展势头强劲，据统计2017年我国道路运输业的投资额增长24.7%，交通基础设施建设是我国经济建设的重点领域。但在东部沿海地区，道路建设经常遇到深厚软土地基，处理不当容易导致公路路面不平整及开裂等现象，造成严重的质量问题。道路工程中如何更好地控制深厚软土地基的强度和稳定性是岩土工作者一直以来不断追求的目标。混凝土芯砂石桩复合地基处理软土地基方法具有强度高、固结速度快、加固深度深、处理成本低、质量可控等优点，在深厚软土地区地基处理中得到广泛应用[1]。本文结合东部沿海地区某地高速公路工程混凝土芯砂石桩复合地基案例，对混凝土芯砂石桩复合地基开展现场试验研究，分析复合地基的承载特性及受力机理。

1　试验场地土层概况

试验场地位于江苏省沿海地区，现场地势平坦，地貌单元属河流漫滩。根据钻孔取土测试、十字板剪切试验、静力触探、室内土工试验等成果综合分析，场地岩土层按类型、工程特性，自上而下划分为6层：

①杂填土：灰褐色，表层为约50 cm厚人工回填碎石层，其下主要以粉质粘土、粉土含少量碎石组成，软塑～可塑，富含植物根茎，层厚1.90 m～3.60 m，本层成分不均匀，松散，具高压缩性。

②粉质粘土：灰黑色，流塑～软塑，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，中等压缩性，层顶埋深1.90 m～3.10 m，层厚1.70 m～2.50 m。

③淤泥质粉质粘土：灰色，灰黑色，流塑局部软塑，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，局部为淤泥质粉土，具轻微臭味，中(高)压缩性，层顶埋深1.90 m～5.10 m，层厚6.70 m～10.80 m。

④粉质粘土夹粉土：灰黑色，粉质粘土(局部为淤泥质粉质粘土)，流塑～软塑，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等；粉土，稍密～中密，很湿，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，中(高)压缩性。层顶标高-10.60 m～-8.80 m，层顶埋深11.40 m～14.80 m，层厚0.80 m～2.70 m。

⑤粉质粘土：灰黑色，软塑局部流塑，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，局部为粉土，中等压缩性，层顶标高-17.40 m～-11.70 m，层顶埋深16.20 m～20.10 m，层厚为9.50 m～10.40 m。

⑥角砾：黑色，中密～密实，夹粉质粘土，砾径2 cm～5 cm，棱角形、亚圆形为主，低压缩性，层顶标高-24.10 m～-22.20 m，层顶埋深25.4 m～26.50 m，未揭穿。

该地区软土的含水量在21.6%～43.8%之间，平均约为34%，孔隙比在0.568～1.215之间，平均约为0.91，压缩系数在0.16～0.85之间，平均约为0.41，塑性指数在7.9～21.4之间，平均约为11.5，液性指数在0.47～2.15之间，平均约为1.1，根据塑性指数、液性指数和压缩系数综合判断，软土为软塑～流塑的中高压缩性粉质粘土；地表以下3 m～15 m之间软土的固结系数在5.75×10-3cm2/s～23.6×10-3cm2/s之间，固结系数较大，渗透系数也较大；淤泥质粉质粘土层厚度为6.70 m～10.80 m，该土层地基承载力较小，是地基处理中重点处理的土层。

综合分析软土分层特点，由于软土厚度较厚，若采用搅拌桩处理，较长的深层搅拌桩可能导致深层的桩体质量难以控制，后续的工后沉降风险较大，而湿喷桩则难以实现预期的强度要求[2]。本工程中由于软土固结系数及渗透性较好，采用带竖向排水通道的混凝土芯砂石桩复合地基处理方法可有效促进软土快速固结，有效消除地基沉降，提高桩间土强度与地基整体刚度和承载力，以更好的控制软土地基的强度和稳定性能[3]。

2　混凝土芯砂石桩复合地基设计方案

工程中采用混凝土芯砂石桩复合地基，砂石桩设计直径为500 mm，混凝土芯设计直径为200 mm，砂石桩间距为1.9 m和2.1 m。施工时根据勘察报告的地质情况，纯软土无硬夹层时采用振动沉管方式成孔，局部有硬夹层时采用长螺旋方式成孔，孔径为500 mm。成孔后在中间放置200 mm的混凝土芯桩，周边灌入砂石形成混凝土芯砂石桩。桩顶处标高低于地面500 mm，采用纯碎石压实，后上部铺500 mm砂垫层并加入两层土工格栅形成最终的混凝土芯砂石桩复合地基。

3　混凝土芯砂石桩复合地基现场载荷试验

3.1　试验仪器

1)加载设备：试验采用油压千斤顶QF140/200及油压表，油压表最大量程为150 MPa。2)反力设备：加载装置为2 000 kN静载试验反力架(采用混凝土柱做负重)。3)量测装置：基准梁采用两根槽钢，长5.0 m，对称安置在试点两侧，单桩试点端部对称安置2个沉降测点，压板端部对称安置4个沉降测点。用磁性表座将4个量程为50 mm百分表固定在基准梁上。

3.2　试验原理及规程

静载荷试验是通过测定桩顶在不同的受荷状态(慢速加载)下的变形参数、特征，即桩受荷情况下的应力—应变曲线，采用一定的方法(规范、规程规定的)分析、评价地基的承载力水平，它是目前最可靠且应用最广泛的方法。

加载采用慢速维持荷载法，压板静载荷试验按JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范中有关要求进行，单桩静载荷试验按照JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范中有关要求进行。

3.3　试验方法

1)反力装置利用压重平台，采用油压千斤顶加压，单桩静载试验采用2只100 mm量程百分表测读沉降量，压板静载荷试验采用4只100 mm量程百分表测读沉降量。

2)加载采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后，加下一级荷载，达到卸载标准后，跳级卸载至零。

表1　静载试验结果

3.4　试验结果及分析

试验结果汇总见表1，单桩竖向抗压承载力特征值为300 kN，单桩复合地基承载力特征值为150 kPa，单桩试验Q—S曲线和单桩复合地基试验的P—S曲线见图1，图2。

由载荷试验结果可知：

1)由图1中可以看出，间距2.1 m工况与间距1.9 m工况的单桩承载力区别不大，说明单桩的承载力主要与桩体本身特性及桩周桩底土体条件有关，桩间距对其影响较小。

2)由图2中可以看出，单桩复合地基承载力特征值为150 kPa，该路段设计填土厚度为6 m，设计荷载为150 kPa，基本满足要求。由于混凝土芯砂石桩载荷试验是成桩后30 d进行，桩间土的排水固结还未完成。桩周砂石桩渗透系数较大，固结效果随着固结时间的增大而提高，软土的固结可使桩间土体的强度有所提高，一方面能直接提高单桩复合地基的承载力，另一方面也能提高砂石桩与桩间土体的摩擦力从而提高砂石桩的承载力[4]。因此考虑后续固结影响，单桩复合地基承载力预计将有30%的提高，固结完成后强度能够满足工程的设计要求。

3)工程中桩间距为2 m左右，砂石桩直径为500 mm，而混凝土芯的直径仅为200 mm，复合地基承载力的提高一方面源于混凝土芯与砂石桩组合的高强度，另一方面通过砂石桩较强的固结排水效果，提高了桩周土体的力学性能，减少工后沉降[5]。混凝土芯砂石桩复合地基方法充分利用了原有地基的承载能力以减少外部材料的使用量，在保证满足设计强度的前提下，节约工程成本，具有较高的工程应用价值。

参考文献：

[1]叶观宝,张晴雯,赵维炳.混凝土芯砂石桩载荷试验及沉桩数值分析[J].长安大学学报(自然科学版)，2015(1)：33-34.

[2]陈永辉,齐昌广,王新泉,等.塑料套管混凝土桩单桩承载特性研究[J].中国公路学报，2012，25(3)：51-58.

[3]郑刚,龚晓南,谢永利,等.地基处理技术发展综述[J].土木工程学报，2012，5(12)：77.

[4]王富永,唐彤芝,吴良冰,等.砼芯砂石桩复合地基排水固结的理论与试验研究[J].岩土工程界，2009(4)：36-39.

[5]孙毅,赵斌,孙晖.混凝土芯砂石桩复合地基在深圳河治理中的运用[J].人民珠江,2009(11)：69.