软土水泥搅拌桩复合地基沉降特性试验研究
胡贺松1, 2，彭振斌1，杨 坪3，杨庆光4，彭文祥1
(1. 中南大学 地学与环境工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 广州市建筑科学研究院，广东 广州，510440；
3. 同济大学 地下建筑与工程系，上海，200092；
4. 湖南工业大学 岩土工程研究所，湖南 株洲，412008)
摘 要：
摘 要：为了分析软土水泥搅拌桩复合地基沉降特性，通过现场载荷试验，对软土单桩和四桩水泥搅拌桩复合地基沉降特性进行试验研究。试验结果表明：对于不同的荷载等级，单桩和四桩水泥搅拌桩复合地基沉降可分为快速沉降和缓慢沉降2个阶段；在快速沉降阶段，沉降量可达到本级荷载下复合地基沉降量的90%左右，而在缓慢沉降阶段，沉降量只占本级荷载下的10%；在不同荷载水平下，单桩沉降量比与时间的关系和四桩复合地基的沉降量比与时间的关系相似；其复合地基沉降量与时间的关系可以用Hill模型进行描述。
关键词：
中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)03-0803-05
Settlement characteristic of composite foundation for cement mixing piles in soft soil
HU He-song1, 2, PENG Zhen-bin1, YANG Ping3, YANG Qing-guang4, PENG Wen-xiang1
(1. School of Geology and Enviromental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Guangzhou Institute of Building Science, Guangzhou 510440, China;
3. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
4. Geotechnical Engineering Institute, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China)
Abstract: In order to analyze the settlement characteristic of composite foundation for cement mixing piles in soft soil, the settlement characteristics of composite foundation for single and four cement mixing piles in soft soil were analyzed by loading. The test results show that the settlement of composite foundation for single and four cement mixing piles, under different loads, includes two stages, i.e., quick settlement and slow settlement. At the stage of the quick settlement, composite foundation settles fast. 90% of the total settlement for the loading takes place during the quick settlement, and the remaining 10% of the settlement occurs during the slow settlement. In different load stages but in the same period, the relation of settlement ratio and time of composite foundation for single and four cement mixing piles is similar. The relationship between settlement and time can be described by Hill model.
Key words: soft soil; cement mixing piles; composite foundation; settlement
目前，人们对复合地基沉降的研究远少于对复合地基承载力的研究，也远远落后于工程实践的需要，复合地基沉降计算理论还不成熟，因此，对复合地基沉降量进行计算和预测是现阶段复合地基研究领域的一个重要课题。Pells等[1-3]认为复合地基沉降是一个多因素作用的综合的复杂过程；乔京生等[4]通过模型试验和数值模拟对复合地基进行研究，提出桩体沉降法计算沉降量，并通过与工程实测对比分析，结果表明，采用桩体沉降法计算的沉降量与实测沉降量相吻合；王凤池等[5-6]通过对复合地基沉降规律进行分析，得出复合地基沉降-时间曲线具有单调递增性、有界性和呈“S”形的特点，并利用复合地基的变形协调条件，推导了层状土中桩体复合地基的荷载-沉降关系及桩土应力比公式，并结合工程实际对其精度进行了验证；刘杰等[7]推导出路堤荷载作用下复合地基加固区桩及桩周土压缩量计算的解析式；章定文等[8]通过二维有限元方法分析了路堤荷载下复合地基变形特性。
现有各种复合地基沉降计算方法中，由于对压缩土层剖面分布、计算深度、计算模型、荷载条件等都进行了简化，使沉降理论计算结果与工程实测结果有不同程度的差异，特别是沉降过程及沉降量的预估误差更大[9-12]。常见的指数曲线法、双曲线法等沉降曲线拟合方法存在一些不足，如采用指数法时，在初期沉降预测误差较大，采用双曲线法所得预测值偏于保守。为此，本文作者在前人研究的基础上[13-17]，通过现场载荷试验，分别对软土单桩和四桩水泥拌搅桩复合地基沉降特性进行分析研究。
1 土的基本性质
采用数理统计方法，对试验场地软土物理力学性质进行统计分析，得到软土的物理力学指标：含水量为65.96%，孔隙比为1.72，饱和度为94.95%，液限为48.96%，塑限为34.13%，液性指数为1.85，塑性指数为14.83，固结系数为1.29×10-3 cm2/s，压缩模量为1.98 MPa，凝聚力为5.82 kPa，内摩擦角为4.69?。
2 实验方案
分单桩复合地基和四桩复合地基进行实验。选用水泥搅拌桩，采用湿喷工艺，桩长为15.5 m，桩径为500 mm，四桩复合地基桩间距为1.5 m，呈正方形布置，设计承载力为100 kPa。
单桩复合地基载荷试验和四桩复合地基载荷试验所采用的承压板长×宽分别分别为150 cm×150 cm和240 cm×240 cm，上部最大载荷均为200 kPa。
试验采用钢梁和混凝土块组成的压重平台作为施荷反力系统，重物平台总质量为预定最大试验荷载的20%以上，载荷在试验前一次性加上平台。试验时，由置于试验承压板上的油压千斤顶逐级加、卸荷载，每级荷载所需的油压读数由千斤顶的荷载-油压关系标定曲线经换算得出，千斤顶作用中心线与承压板中心线重合。在承压板对称位置垂直安装4个WBD-30型机电百分表，测读承压板在各级荷载作用下的沉降量，百分表精度为0.01 mm。
载荷试验参照《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)要求，分8级加载，每级荷载为25 kPa，卸载分4级进行，每级卸载减量为预定最大试验荷载的1/4，即50 kPa。
3 试验结果分析
3.1 单桩和四桩复合地基沉降量与时间的关系
进行荷载试验时，单桩复合地基在荷载为150 kPa和175 kPa及四桩复合地基在荷载为100 kPa和125 kPa时，单桩和四桩复合地基沉降量与时间的关系分别如图1和图2所示。
从图1和图2可以看出：单桩和四桩复合地基在小于地基允许承载力的荷载作用下，其沉降量与加载时间的关系相似，对于不同的荷载，只是沉降量不同，而沉降发展的规律相同。沉降曲线存在2个阶段：快速沉降阶段和缓慢沉降阶段，分别见图1和图2中的AB段和BC段。在快速沉降阶段，沉降速率快，沉降量可达到本级荷载下复合地基沉降量的90%左右。而在缓慢沉降阶段，沉降速率很小，沉降量只占本级荷载下的10%。
图1 单桩复合地基沉降量与时间的关系
Fig.1 Relationship between settlement and time for single pile
图2 四桩复合地基沉降量与时间的关系
Fig.2 Relationship between settlement and time for four piles
3.2 复合地基沉降规律
单桩和四桩复合地基在不同荷载水平作用下，沉降量与时间的关系相似，只是沉降量不同，为了便于分析，将某级荷载水平作用下不同时间的沉降量进行归一化处理，即将某级荷载水平作用下某时刻的沉降量除以本级荷载水平作用下的最大沉降量，得出沉降量比与时间的关系曲线。单桩复合地基沉降量比与时间的关系如图3所示。四桩复合地基沉降量比与时间的关系同图3相似。
图3 单桩复合地基沉降量比与时间的关系
Fig.3 Relationship between settlement ratio and time for single pile
对图3中的点采用Matlab软件编程拟合，得出沉降量比与时间的关系式为：
式中拟合参数见表1。其中，R2为相关系数，该值越大，说明相关性越好。
表1 拟合参数
Table 1 Regress parameters
从图3及表1可知，拟合曲线与实测点具有良好的相关性。因此，可以用式(1)来描述复合地基的沉降发展过程。
对式(1)进行变换，便可得沉降量与时间的关系式：
因此，可以用式(2)来描述软土水泥拌搅桩复合地基的沉降发展过程，即复合地基沉降量与时间的关系可以用Hill模型进行描述。
图4~7所示是在荷载为75 kPa和175 kPa时，用式(2)计算的计算值与实测值的数值对比结果。可见，无论是单桩复合地基，还是四桩复合地基，在不同荷载作用下，在不同时刻，计算所得的沉降量与实测沉降量基本一致，说明用式(2)描述复合地基的沉降发展过程是正确的。
图4 75 kPa时单桩复合地基沉降量与时间的关系
Fig.4 Relationship between settlement and time for single piles under 75 kPa
图5 175 kPa时单桩复合地基沉降量与时间的关系
Fig.5 Relationship between settlement and time for single piles under 175 kPa
图6 75 kPa时四桩复合地基沉降量与时间的关系
Fig.6 Relationship between settlement and time for four piles under 75 kPa
图7 175 kPa时四桩复合地基沉降量与时间的关系
Fig.7 Relationship between settlement and time for four piles under 175 kPa
4 结 论
a. 对于不同的荷载等级，单桩和四桩水泥拌搅桩复合地基沉降可分为快速沉降阶段和缓慢沉降阶段。在快速沉降阶段，沉降量可达到本级荷载下复合地基沉降量的90%左右；而在缓慢沉降阶段，沉降量只占本级荷载下的10%。
b. 当荷载小于复合地基允许承载力时，在不同荷载下，单桩沉降量比与时间的关系和四桩复合地基的沉降量比与时间的关系相似。
c. 利用现场试验得到的单桩和四桩复合地基的沉降量比与时间关系曲线，采用Matlab软件编程拟合，得到复合地基沉降量与时间的关系可以用Hill模型描述。对于单桩和四桩复合地基，在不同荷载水平作用下，利用Hill模型计算的沉降量与实测沉降量基本一致。
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收稿日期：2008-06-20；修回日期：2008-09-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878212)；上海市博士后科研基金资助项目(05R214145)
通信作者：胡贺松(1979-)，男，河南驻马店人，博士研究生，工程师，从事岩土工程检测与监测；电话：13512751256；E-mail: hesonghu79@126.com
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