对水泥土桩承载力确定几个问题

第 31 卷第 5 期 2001 年 9 月 东南大学学报( 自 然 科 学 版 ) JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition ) Vol.31 No.5 Sept . 2001 对水泥土桩承载力确定的几个问题的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 郑 刚 刘松玉 (天津大学土木工程系 ,天津 300072 ) (东南大学岩土工程研究所 ,南京 210096 ) 摘要 :根据水泥土桩桩 土接触面载荷传递模型试验、水泥土桩与灌注桩承载力的现场足尺对 比试验和有限元分析 ,对水泥土桩载荷传递机理和破坏机理进行了分析 ,对水泥土桩复合地基 载荷试验承压板 桩 土相互作用进行了研究 ,进一步分析了复合地基载荷试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对单桩进 行检验的局限性 ,辨证分析了褥垫层对水泥土桩复合地基承载力确定的影响 ,不能简单地认为 垫层对提高复合地基承载力和减少沉降是有利的 .本文还对单桩破坏模式及承载力的评定方 法提出了建议 . 关键词 :水泥土桩 ;复合地基 ;承载力 ;载荷试验 ;褥垫 中图分类号 : TU755 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 0505(2001 )05-0062-05 收稿日期 :2000-12-01 . 作者简介 : 郑 刚 ,男 ,1967 年生 ,副教授 . 水泥土桩复合地基的工作机理研究是一个影响因素较多的复杂课题 ,其中水泥土桩载荷传递机理和 单桩承载力评价、垫层对复合地基工作机理的影响虽已有一些研究 ,但与工程实践发展水平相比还显不 足 .文献 [1 ]讨论了确定水泥土桩复合地基承载力时 ,载荷试验 P s 曲线的取值方法、垫层效应及单桩承 载力的评定方法 ,这是水泥土桩复合地基研究的关键问题 .以上问题均涉及水泥土桩的载荷传递机理 ,作 者在文献 [1 ]基础上 ,根据对水泥土桩载荷传递机理的研究 ,对有关问题进行进一步研究探讨 . 1 水泥土桩载荷传递机理及单桩承载力评定 1 .1 桩土接触面载荷传递 为了研究水泥土桩载荷传递规律 ,作者进行了刚性桩和水泥土桩的载荷传递室内对比模型试验 [2 ](见 图 1 ),接触面摩阻力与相对滑移 P s 关系见图 2 .28 d龄期时 ,水泥土桩与干法成孔灌注桩两者的桩土接 触面载荷传递没有大的差别 ,均表现出了一定的桩土接触面相对滑移现象 .水泥土桩极限侧摩阻力高于湿 法成孔(有泥皮 )灌注桩极限侧摩阻力 ,略高于干法成孔灌注桩侧摩阻力 .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 ,或因桩身压缩量大 ,导致桩顶沉降超过判定复合地基承载力对应的相对变形值[3 ]( s/ b = 0 .004～0 .01 , s 为载荷板中心沉降 ,b 为载荷板直径或宽度 ). 1 .2 水泥搅拌桩与灌注桩承载力对比试验 水泥土桩由于桩身材料强度的局限 ,限制了其向桩身下部传递载荷的能力 ,使其与刚性桩类似的侧摩 阻力无法充分发挥 .为进一步证明模型试验成果 ,天津大学建筑 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院、河北省沧州机施公司等单位 合作进行了水泥搅拌桩、钻孔灌注桩与水泥搅拌桩插钢筋混凝土桩芯(称为组合桩 )的承载力对比试验 [4 ] . 场地土层主要由素填土、粉质粘土组成 ,分布较为均匀 . 试验桩桩径均为　500 mm ,水泥搅拌桩水泥掺入比为 15 % ;灌注桩采用潜水钻机泥浆护壁成孔 ,C25 砼 ,组合桩的水泥搅拌桩与上述水泥搅拌桩相同 ,在桩中心插入 4～7 m 长、直径 　150 mm 钢筋混凝土桩 芯 . 对水泥搅拌桩、灌注桩和组合桩进行了单桩载荷试验 ,组合桩采用的试验方法与灌注桩相同 ,各桩的 载荷沉降 P s 曲线见图 3 和图 4 .由于水泥搅拌桩长度较大 ,经开挖桩头发现 ,达到极限载荷后桩顶附近 水泥土压碎 .灌注桩、组合桩是否达到极限状态均按有关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 进行判定[5 ] .按水泥搅拌桩和灌注桩有关载 荷试验方法和极限承载力判定 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 得到了各桩的极限承载力(见表 1 ). 表 1 载荷试验成果表 桩型 桩长/m 桩号 极限承载力/kN 桩型 桩长/m 桩号 极限承载力/kN 水泥搅拌桩 钻孔灌注桩 钻孔灌注桩 组合桩 组合桩 组合桩 8 .5 8 .5 8 .5 8 .5 8 .5 8 .5 27 34 35 17 18 21 150 500 480 700 600 700 水泥搅拌桩 水泥搅拌桩 钻孔灌注桩 钻孔灌注桩 组合桩 组合桩 组合桩 10 .0 10 .0 10 .0 10 .0 10 .0 10 .0 10 .0 10 20 32 33 11 12 13 150 150 500 500 800 840 800 水泥土桩内插长度不少于 0 .7 L( L 为桩长 )刚性桩芯后(本试验中 ,刚性桩芯下端水泥土桩段长度小 于 3 m ),其向桩身下部传递载荷的能力和承载能力均得到大大提高 ,其单桩极限承载力高于灌注桩 ,略低 于预制桩按规范计算的单桩极限承载力 .组合桩达到极限承载力对应的沉降量平均为 20 mm ,承载力设计 值对应的沉降量为 2 .5～5 .9 mm ,与天津市预制桩相应的沉降量近似 ,小于灌注桩相应沉降量 ,因此 ,水泥 土桩在内插横截面很小的预制桩芯后 ,其载荷传递与工作机理变得与刚性桩相同 ,故组合桩可划为刚性 桩 .水泥土桩与刚性桩桩土接触面载荷传递特性相似 ,桩身强度与刚度不同决定了其工作特性及破坏模式 不同 ,刚性桩芯的插入改变了水泥土桩的工作特性和破坏模式 . 1 .3 水泥土桩载荷传递的有限元分析 为了分析水泥土桩是否类似刚性桩存在桩土接触面相对滑移 ,在桩土界面引入了接触面单元 ,接触面 单元参数采用了作者的水泥土 土接触面剪切试验成果 [2 ] ,土体采用了八节点轴对称等参数单元 ,本构关 系采用 D P 模型 . 1 .3 .1 不同桩长单桩载荷传递对比分析 计算了桩长分别为 3 ,6 和 8 m 时相同桩顶沉降下不同桩长桩土接触面滑移情况 .计算结果表明 ,对软 土中无硬持力层短桩 ,当桩身强度和弹性模量较高时 ,在桩身全长桩土界面都可产生相对滑移 ,因而可能 发生类似刚性桩的刺入破坏 ,桩体本身不会破坏 ,因此其承载力一般由变形控制 ;当桩长达到 6 m 时 ,桩身 下部桩土界面已基本不能产生相对滑移 ,继续加载时随着桩顶单元压坏 ,标志着单桩达到其极限承载力 . 因此 ,进行复合地基承载力检验时 ,必须考虑其破坏形式 ,如对长桩 ,其单桩承载力一般由桩顶水泥土强度 控制 ,不能仅仅只简单采用变形控制的标准来确定承载力 ,正如作者曾对此提出的建议[6 ] . 1 .3 .2 垫层对基础和桩载荷传递的影响 计算了桩长为 6 m、垫层厚度分别为 0 ,200 和 500 mm 时桩土接触面相对滑移及侧摩阻力分布情况 .垫 2 东南大学学报(自然科学版 ) 第 31 卷 层厚度为零时 ,桩顶桩土相对滑移为零 ,侧摩阻力也为零 .垫层厚度为 200 mm 时 ,桩顶产生了向垫层中的 刺入 ,桩顶部分侧摩阻力变为负值 .垫层厚度为 500 mm 时桩顶向垫层中的刺入进一步增大 ,桩顶部分侧摩 阻力亦为负值 ,但均局限在不到 2 倍桩径深度范围内 . 有限元分析结果表明 ,虽然垫层能够增大桩间土分担比 ,提高桩间土的利用率 ,但当垫层较厚时 ,会降 低桩顶反力 ,降低程度取决于垫层厚度和垫层密实度 .因此 ,虽然设置垫层会提高土反力 ,但必须考虑垫层 厚度较大时带来的桩承载力发挥受限问题 . 与无垫层时最大轴力出现在桩顶不同 ,设置垫层后 ,由于桩身上部出现负摩阻力 ,使桩身轴力最大处 不在桩顶 ,而是出现在桩顶以下约 2 倍桩径处 .因此 ,对长桩或进入硬持力层的短桩 ,在垫层顶面进行载荷 试验 ,当达到极限承载力时 ,桩身强度破坏(水泥土压裂或压碎 )往往发生在桩顶下桩身轴力最大处 ,必须 进行开挖才能发现 ,文献 [7 ]的现场试验亦证明了这一点 .因此 ,不能仅根据桩顶水泥土完好而作出单桩承 载力完全由变形控制的错误判断 . 1 .4 单桩极限承载力、单桩破坏模式与单桩承载力评定 与刚性桩相同 ,水泥土桩单桩极限承载力应该由以下几个因素确定 : 1 )桩身材料强度 ; 2 )桩极限侧摩阻力和桩极限端阻力 . 并取以上二者的较小值 .因此 ,通过载荷试验确定单桩极限承载力时也必须反映上述因素 .当土质较 软、桩身模量较高时 ,水泥土桩也可能出现类似刚性桩的刺入破坏 ,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 ,即水泥搅拌桩存在有效桩长 . 文献 [7 ]对 3 组长桩的现场载荷试验表明 ,进行复合地基承压板载荷试验时 ,当载荷加至极限时 ,在桩 顶以下 1 .5 m 左右处桩身被压坏 ,2 组单桩载荷试验其单桩极限承载力对应的沉降为 20～30 mm ,单桩带 台载荷试验其极限承载力对应的沉降为 30 mm ,当桩身水泥土压碎时其 P s 曲线马上出现陡降而达到其 极限承载力 .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 .进入较硬持力层的短桩破坏模式亦如此 ,而悬浮于软土中的短桩 , 其承载力一般由桩侧摩阻力和端阻力控制 .因此 ,作者曾建议 ,对属前 2 种情况的水泥土桩 ,确定复合地基 承载力时应进行单桩承载力试验确认单桩极限承载力 ,保证单桩承载力安全度 [6 ] . 1 .5 单桩带台载荷试验检验方法的局限性 通常复合地基承载力试验是在开挖亮槽排水一定时间以后进行 .当桩间土为粘性土时 ,即使为淤泥质 土 ,数天的暴晒将使表层一定厚度土脱水至可塑甚至至硬塑状态 ,形成一个硬壳层 .载荷板尺寸较小 ,影响 深度小 ,由于硬壳层的扩散作用 ,可能使复合地基载荷试验得到很高的承载力 ,而这承载力却是一个假象 . 当在桩顶满堂铺设砂、石垫层后才进行载荷试验时 ,也存在类似问题[8 ] .建议在开挖基槽后尽快在原状土 顶面进行载荷试验 ,至多铺不超过 20 mm 厚的细砂找平层 . 作者曾进行了不同桩长水泥土桩现场载荷试验[2 ] ,桩长为 4 ,5 .5 ,8 和 9 m ,进行了 8 组试验 ,每种桩长 2组 .静载荷试验结果表明 ,即使桩长相差较大 ,按变形控制标准判定的 4 种桩长共 8 组试验的承载力非 常接近 ,即水泥土桩承载力试验对桩长是否满足设计要求不能明确检验 ,必须采取诸如全长取芯检验等措 施 . 2 几个问题的进一步讨论 2 .1 承载力确定方法 采用载荷试验确定复合地基承载力时 ,规范 [3 ]规定当极限载荷能确定 ,而其值又小于对应比例极限载 荷值的 1 .5 倍时 ,复合地基承载力基本值可取极限载荷的一半 .规范[5 ]规定 :对天然地基 ,当满足终止加载 条件的前 3 种之一时 ,其对应的前一级载荷为极限载荷 ,而终止加载的第 4 个条件为相对变形 s/ b≥0 .06 ( b 为承压板宽度或直径 ).从 2 个规范的规定可以看出 ,天然地基或复合地基的承载力确定的原则几乎是 一致的 ,即当比例极限载荷明显或极限载荷能确定时 ,取比例极限载荷或取极限载荷的一半为承载力基本 值 ,一般仅当比例极限不明显或极限载荷不能确定时 ,即对渐进型的 P s 曲线才采用按相对变形值确定 天然地基或复合地基承载力基本值 .虽然工程实践中多采用设计要求值的 2 倍作为最大试验载荷 ,但规 3第 5 期 郑 刚等 :对水泥土桩承载力确定的几个问题的分析 范[3 ]关于总加载量已超过设计要求值的 2 倍即可终止加载的规定并不意味着认为设计要求值的 2 倍为极 限载荷 . 从文献 [1 ]的表 1 及关于复合地基承载力取值方法的论述可以看出 ,表 1[1 ]所指的极限载荷其实是最 大试验载荷 ,并取最大试验载荷的一半作为复合地基承载力标准值 fk .如上所述 ,这些最大载荷并不一定 就是真正的极限载荷 ,其中试验编号 1 者在最大试验载荷下的沉降量仅为 8 .60 mm ,此时 s/ b 仅略大于 0 .01 ,尚不能称之为极限载荷 ,因此不能将其除以 2 以后作为承载力标准值 ,去和这组试验取 s/ b = 0 .01 对应的复合地基承载力标准值 270 kPa 进行比较 ,从而得出“由对比可见 ,按 s/ b 的限值确定的复合地基承 载力都大于按极限载荷值的一半的取值 .因此后者是安全的”的结论 . 2 .2 垫层的影响 这里对文献 [1 ]中图 1 得到的结论进行进一步分析 .试考察图 5 中的 3 种情形 : 图 5 不同条件下垫层对沉降的影响 垫层仅局限于载荷板下 .当垫层分布范围大于载荷板宽度时 ,将因垫层的应力扩散作用使传递到土层 表面的压力强度减小 ,使沉降量减小、承载力提高 .实际基础宽度较载荷板尺寸大得多时 ,此提高值就很微 小了[8 ] .现就垫层仅局限于载荷板下进行讨论 ,且忽略垫层本身厚度微小变化带来的垫层本身压缩量的微 小变化 .当桩承担多数载荷(见图 5(a )、(b ))时 ,垫层使加荷初期桩顶反力降低 [9 ] ,众所周知 ,一般地 ,相对 各自极限承载力来说 ,桩比天然地基发挥同等程度承载力所需变形要小 ,因此 ,与无垫层时相比较 ,设置垫 层虽然提高了土分担比 ,但其代价是桩顶反力的下降、桩顶垫层的压密和桩顶向垫层中的刺入从而使其在 相同试验载荷下沉降大于无垫层时的沉降 .文献 [10 ]在采用 200 mm 厚度垫层、浅层为软弱土的某场地上 进行了素混凝土桩复合地基载荷试验 ,按沉降比 s/ b = 0 .01 确定复合地基承载力为 402 .6 kPa ,不满足设 计要求 .在该试验点附近进行另一组载荷试验 ,其他条件不变 ,仅将垫层厚度减少为 100 mm ,各级载荷对 应的沉降明显小于垫层厚度为 200 mm 时的沉降 ,s/ b = 0 .01 对应的载荷为 741 .2 kPa .很显然 ,通过减小褥 垫层厚度 ,减小桩间土分担比例 ,增大桩分担比例 ,从而减小了相同载荷下产生的沉降量 .可以推断 ,当单 桩承载力越高、桩身压缩性越小时 ,垫层减薄的效应越明显 .当桩间土承载力较高、桩间土承担大部载荷时 (见图 5(c )),同上所述 ,由于桩竖向刚度一般仍大于土的竖向刚度 ,相对无垫层来说 ,对设置 100～500 mm厚的垫层 ,垫层越厚 ,桩顶反力越小 ,相同载荷下载荷板的沉降越大(如前所述 ,此时应忽略垫层本身 压缩量的变化 ). 注意到文献 [1 ]图 1 中 2 组试验垫层厚度仅相差 150 mm ,但在相同载荷下沉降量相差很大 ,如在 260 kPa 载荷作用下 ,垫层厚度 250 mm 者沉降量仅为 25 mm 左右 ,而垫层厚度为 150 mm 者沉降量达到 85 mm 左右 ,很显然 ,根据上述分析 ,由于垫层厚度的减小是不应导致产生如此大的沉降量的 ,而垫层加厚以后沉 降反而减小了 .如非垫层加厚产生前文所述的应力扩散影响时 ,分析其原因 ,2 组试验虽在同一工程所进 行 ,与刚性桩不同 ,由于水泥土桩施工质量离散性很大 ,工程实践中甚至很难做到使 2 根水泥土桩的质量 接近 ,即使垫层厚度不变 ,在相同载荷下同一场地几组复合地基载荷试验得到的沉降量离散性可能也较 大 ,而这主要是桩质量不同从而使桩身本身弹性模量相差较大所造成的 .因此 ,不能仅根据文献 [1 ]图 1 得 到其文中的结论 .根据文献 [1 ]图 1 判断 ,试验Ⅱ的水泥土桩质量可能远比试验Ⅰ水泥土桩的质量要好 . 前文分析已指出 ,虽然垫层能够增大桩间土分担比 ,提高桩间土的利用率 ,但当垫层较厚时 ,会降低 桩顶反力 ,降低程度取决于垫层厚度和垫层密实度 ,垫层越厚、密实度越低 ,则桩顶反力降低程度越大 ,对 4 东南大学学报(自然科学版 ) 第 31 卷 其变化规律文献 [9 ]进行了专门研究 .很显然 ,当桩间土承载力低、单桩承载力高时 ,采用垫层不利于单桩 承载力发挥 ,反而使沉降增大 . 综上所述 ,垫层的作用是辨证的 .垫层对复合地基承载力和沉降的影响与桩间土承载力高低、水泥土 桩承载力的高低、垫层的厚度以及垫层的密实度等有关 .不能简单认为垫层对提高复合地基承载力和减少 沉降变形一定是有利的 . 此外 ,作者认为 ,单桩静载试验是确定单桩承载力最明确和可靠的方法 .由于桩身断面一般中心强度 低、边缘强度高 ,且桩身搅拌容易出现不均匀 ,采用标准贯入试验评定单桩承载力反而易受试验点局部水 泥土质量的影响 . 本文试图在现有研究基础上对复合地基工作机理有关问题进行进一步研究与探讨 ,以期提高对复合 地基工作机理的认识 ,从而更好地服务于工程实践 . 参 考 文 献 1 李 飞 ,刘松玉 .水泥土桩复合地基承载力确定的几个问题 .东南大学学报 ,1999 ,29(增刊 ):94～98 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 中华人民共和国行业标准 . JGJ79—91 地基处理技术规范 .北京 :中国计划出版社 ,1992 4 凌光容 ,安海玉 ,谢岱宗 ,等 .劲性搅拌桩的试验研究 .建筑结构学报 ,2001 ,22(2 ):92～96 5 中华人民共和国国家标准 .GBJ7—89 建筑地基基础设计规范 .沈阳 :辽宁科学技术出版社 ,1989 6 郑 刚 ,顾晓鲁 ,姜忻良 .水泥搅拌桩复合地基承载力辨析 .岩土工程学报 ,2000 ,22(4 ):487～489 7 段继伟 ,龚晓南 ,曾国熙 .水泥搅拌桩载荷传递规律 .岩土工程学报 ,1994 ,16(4 ):1～7 8 李广信 .关于垫层上的载荷试验 .地基处理 ,1999 ,10(3 ):82～83 9 李 宁 ,韩 煊 .复合地基中褥垫作用机理研究 .岩土力学 ,2000 ,21(1 ):10～15 10 张利新 ,吴金雄 ,王亚东 .复合地基褥垫层技术的工程应用实例 .地基处理 ,1999 ,10(3 ):76～77 Analysis on the Determination of Bearing Capacity of Soil-Cement Mixing Pile Composite Foundation Zheng Gang1 Liu Songyu2 (1Civil Engineering Department , Tianjin University ,Tianjin 300072 ,China ) (2 Institute of Geotechnical Engineering , Southeast University , Nanjing 210096 ,China ) Abstract : Through the model test ,bearing capacity test in-situ of soil-cement mixing pile and cast-in-place pile and finite-element method , the load transfer and failure mechanism of the soil-cement mixing pile is studied . The loading plate-pile-soil interaction of the loading plate test of soil-cement mixing pile composite is also studied .The effect of the cushion on the bearing capacity of soil-cement mixing pile composite is analyzed and the results show that the cushion can not be simply regarded as favorable to enhance the bearing capacity and reduce the settlement of soil-cement mix- ing pile composite .Finally , the method to evaluate the bearing capacity of soil-cement mixing pile and its mode of fail- ure is suggested . Key words : soil-cement mixing pile ; composite foundation ;bearing capacity ;bearing capacity test ; cushion 5第 5 期 郑 刚等 :对水泥土桩承载力确定的几个问题的分析