水泥土桩复合地基技术探究

厉頔

[摘要]：水泥土桩作为一种地基加固技术具有独特优点，尤其与地基土构成的水泥土桩复合地基在工程中应用十分广泛。 本文介绍了在水泥土桩复合地基研究领域中所取得的成果。

[关键词]： 水泥土桩；复合地基；承载力

[引言]：自20世纪70年代末、80年代初水泥土桩施工机械研制成功并应用于工程以来，由于水泥土桩加固软土技术具有如下独特优点：可最大限度地利用地基土，并且施工时没有地基土的侧向挤出，对原有建筑物的影响较小，可在建筑物密集的地方进行施工；可根据地基土性质的不同，合理选择固化剂及其配合比，设计比较灵活；施工时无振动、噪音和污染；可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等形式加固地基；土体加固前后重度相差不大，基本不会由于水泥土桩的设置而对软弱下卧层产生附加应力（沉降）；与其他方法相比，造价低廉，工期较短。因而在建筑工程建设中得到了迅速而广泛的应用。

1. 水泥土的物理力学性质

水泥土物理力学性质对泥土桩的承载与变形性能有着较大的影响，水泥土是水泥与土组合而成的一种人工复合材料，与单一材料相比，其物理、力学性质有着特殊性与复杂性。

1.1水泥土的重度

水泥土重度比原状土重度略有增加，但总体相差不大，水泥土的重度一般仅比天然软土的重度大约3.0%-4.5%。同时，原状土含水量高，则水泥土含水量也高，水泥土含水量高，则水泥土的密度小。由于水泥土在硬凝过程的水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式固定下来，所以水泥土的含水量略低于原土样的含水量，水泥土含水量比原土样含水量减少0.5%-7.0%，且随水泥掺入比的增加而减小。

1.2水泥土的强度

水泥土抗压强度及其变形模量受水泥掺入比、被加固土含水量和有机质含量、水泥标号与种类、养护龄期与方式、围压以及水泥土试件的尺寸与形状等多种因素影响。水泥土强度随水泥掺入比增加而提高，但其强度增幅随水泥掺入比增加而减小，当水泥掺入比为5%-30%时，水泥掺入比每增加3%-5%，强度增幅约在3.5（低水泥掺入比）-1.1倍（高水泥掺入比）之间变化。水泥土强度随被加固土含水量的增加而减小，当被加固土中含有有机质成分时，水泥土强度将降低，且有机质成分愈高，水泥土强度降低愈多。

2.水泥土桩及其复合地基力学性质

国外对水泥土性质、水泥土桩复合地基强度增长机理和应力分布以及水泥土桩处理液化地基等问题，都进行了较为深入的分析研究。对水泥土的力学性质进行了直剪试验研究，指出水泥土抗剪强度随水泥掺入比的增加而增大；室内外试验研究表明，水泥浆搅拌桩施工过程中，桩周粘性土在浆液压力和叶片旋转剪切作用下，将产生超孔隙水压力，并出现竖直或水平向裂缝，这些裂缝的存在，可加速软粘土固结和强度增长；在进行了大尺寸模型试验研究后认为，对桩体强度较高的复合地基，桩体在工作荷载下处于弹性状态，并且在桩土等应变受力过程中，桩间土荷载不断向材料模量大的桩体转移，利用桩承担更多的土所不能承担的荷载，起到了较好的加固效果。

3.水泥土桩复合地基承载力

根据规范提供的经验公式计算和现场静载荷试验实测，是目前工程中确定水泥土桩复合地基承载力的两种主要途径。前者常用于初步设计时的承载力估算，而后者则既可为设计承载力提供直接的依据，又可作为检验复合地基（或工程桩）施工质量的一种手段。

根据静载荷试验资料确定复合地基承载力，目前主要采用转折点法和相对沉降量法。当静载荷试验所得p-s曲线有明显拐点时，可采用转折点法确定复合地基承载力。但对于水泥土桩复合地基，很多情况下p-s曲线比较光滑平缓而并不出现明显拐点，此时则常采用相对沉降量法，即以沉降量控制复合地基承载力，由于控制承载力的复合地基沉降量与载荷板尺寸有关并随载荷板尺寸增大而增大，因此桩间距越大，载荷板尺寸越大，得到的承载力也就越大，这显然是不合理的。 国外学者提出了“回弹法”确定复合地基承载力，即取静载荷试验所得p-s曲线（压缩曲线）上与回弹量相等的沉降（变形）值所对应的荷载作为复合地基承载力，通过工程实例分析，指出虽然用该法确定复合地基承载力偏于保守，但比较适用于由于桩或桩间土的某些不良因素而存在缺陷的情况。

4. 水泥土桩复合地基沉降

复合地基沉降包括三部分：褥垫层变形、加固区变形和下卧层变形。实际工程中由于褥垫层厚度一般较小（10-30 cm），且在施工前已压密，所以该部分变形可忽略不计。

复合地基沉降量通常可以采用实用计算方法，Boussinesq和Mindlin联合求解法和有限单元法计算。实用计算法公式简单、应用方便，在计算加固区和下卧层压缩量时有多种不同的方法，但各种方法在准确确定其相应的计算参数如桩土应力比、桩底刺入下卧层的刺入量、加固区压力扩散角以及等效实体侧面摩阻力时，实际存在较大困难，仍需通过不断的工程实践加以摸索与总结。Boussinesq和Mindlin联合求解法，考虑了作用在半无限体表面与内部的荷载引起的土中应力的不同，就土中附加应力而言更接近工程实际，但该法计算公式烦琐，且在确定桩土分担荷载、桩侧摩阻力分布规律与大小时也存在较大难度。

5.结语

水泥土桩作为一种软土地基处理与加固方法并具有独特的优点，在工程特别是高速公路工程中的应用已越来越多，水泥土桩复合地基也因此成为岩土工程工作者所关注的热点与焦点问题之一。目前，盡管对刚性基础下的水泥土桩复合地基中的很多问题还需作进一步深入分析与研究，但对此条件下的水泥土桩荷载传递规律、桩土应力比以及复合地基承载力与沉降等已有了初步的认识与了解，基本形成了复合地基强度与变形的理论框架并用于指导工程实践。对于柔性基础条件下的水泥土桩复合地基，由于工程与理论研究的起步较晚和难度较大，因此对此条件下的桩土相互作用规律、复合地基强度与变形设计计算理论等还需通过大量的工程实践与理论研究，逐步认识与掌握。

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