浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2022, 56(9): 1724-1731 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.09.005

土木工程、交通工程

水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基承载特性

周盛全,, 章昊琎, 王瑞, 张勇飞, 李栋伟

1. 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001

2. 成都基准方中建筑设计有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230000

3. 东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013

Bearing characteristics of cement-fly ash mixing pile composite foundation

ZHOU Sheng-quan,, ZHANG Hao-jin, WANG Rui, ZHANG Yong-fei, LI Dong-wei

1. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

2. Hefei Branch of JZFZ Architectural Design Company Limited , Hefei 230000, China

3. School of Civil and Architectural Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China

收稿日期: 2021-09-15  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目（42061011，41977236）；江西省自然科学基金资助项目（20192ACBL20002）；安徽省建筑科学研究设计院资助课题（2022-JKYL-006）；安徽理工大学2021研究生创新基金资助项目（2021CX2038）

Received: 2021-09-15  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目（42061011，41977236）；江西省自然科学基金资助项目（20192ACBL20002）；安徽省建筑科学研究设计院资助课题（2022-JKYL-006）；安徽理工大学2021研究生创新基金资助项目（2021CX2038）

作者简介 About authors

周盛全（1975—），男，教授，博士，从事特殊土地基研究.orcid.org/0000-0001-7229-2258.E-mail：lqpzsq@163.com , E-mail：lqpzsq@163.com

摘要

开展水泥−粉煤灰搅拌桩（CFMP）复合地基模型试验，分析应变片及土压力传感器的信号，探究加载过程中桩身及粉煤灰地基中的应力传递特性. 结果表明：CFMP复合地基荷载沉降曲线为缓降型，CFMP复合地基的承载能力是粉煤灰地基的2.2倍；桩侧摩阻力沿桩身深度呈单峰分布，阻力峰值位于桩身中端；当桩顶荷载累加至1 600 N时，桩侧摩阻力到达极限值，并随荷载增加出现侧摩阻力软化现象；当桩顶荷载达到800 N时，桩端持力层的作用凸显，桩端阻力比进入迅速上升期，CFMP呈现以承担桩侧摩阻力为主的受力性状.

关键词： 模型试验 ; 水泥−粉煤灰搅拌桩(CFMP) ; 荷载传递 ; 承载性能 ; 桩侧摩阻力

Abstract

A model test of cement-fly ash mixing pile (CFMP) composite foundation was carried out. By analyzing the signal of strain gauge and earth pressure sensor, the stress transfer characteristics of pile body and fly ash foundation during loading were explored. Results showed that the load settlement curve of CFMP composite foundation was slow reduction type, and the bearing capacity of CFMP composite foundation was 2.2 times of that of fly ash foundation. Pile side resistance distribution along the depth of the pile was unimodal, and the peak value was at the middle of the pile. When the pile top load was accumulated to 1 600 N, pile side resistance reached the limit value, and pile side resistance appeared softening with the increase of the load. When the pile top load reached 800 N, the effect of pile tip bearing layer was prominent, and the pile tip resistance ratio entered a period of rapid rise. And the mechanical properties that mainly to bear the pile side resistance were presented by CFMP.

Keywords： model test ; cement-fly ash mixing pile (CFMP) ; load transfer ; load-carrying property ; pile side resistance

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本文引用格式

周盛全, 章昊琎, 王瑞, 张勇飞, 李栋伟. 水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基承载特性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(9): 1724-1731 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.09.005

ZHOU Sheng-quan, ZHANG Hao-jin, WANG Rui, ZHANG Yong-fei, LI Dong-wei. Bearing characteristics of cement-fly ash mixing pile composite foundation. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(9): 1724-1731 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.09.005

粉煤灰是轻质多孔松散体，处理不当会造成环境破坏和生态污染. 同时，煤炭作为世界主要能源依然不可替代，因此粉煤灰合理处理问题亟待解决[1-3]. 粉煤灰掺合料应用技术已经相当成熟，并推广到全国范围[4-6]. 将粉煤灰放在原有基础上形成人工地层，既可以促使资源利用最大化，又可以解决堆积粉煤灰占用土地问题. 粉煤灰地层属于软弱地层，作为地基持力层使用时须加固. 张传军等[7]的研究表明，在有效加固深度内使用强夯法能够减小粉煤灰地基孔隙比、提高压缩模量. 李志强[8]对粉煤灰沉淀厂区内路基处理效果的研究表明，强夯后粉煤灰地基承载力特征值为加固前的1.9倍. 强夯法存在难以压实深层地基、单位面积夯击能量小的限制，因此难以在工程上推广[9-11].

学者们对水泥土搅拌桩特性的研究，为处理粉煤灰地基带来新的思路[12-14]. 强制搅拌水泥浆和周围土体，使软土地基固结成的桩体为水泥土搅拌桩，该桩体具有整体性和强度. 已有的工程案例表明，对于高吸水性、高压缩性的地基，水泥土搅拌桩技术的加固效果优于其他技术 [15-18]. 刘煜民等[19]利用搅拌桩处理粉煤灰地基，结果表明搅拌桩在粉煤灰地基中满足承载力要求. 胡贺松等[20]利用现场载荷试验研究软土水泥土搅拌桩复合地基单桩和四桩的沉降特性. 章定文等[21] 的室内试验结果表明，桩土应力比的快速增长集中在施加荷载初期，并随着荷载的增加最终趋于稳定. 张伟丽等[22]对复合地基中桩、土应力的研究结构表明，随着褥垫层厚度增加，桩侧负摩阻力增大，桩身最大应力出现在距离桩顶2~4倍桩径位置. 水泥土搅拌桩相对刚度大，提供的竖向增强力可以有效弥补粉煤灰承载力不足的问题[23-24]，因此水泥−粉煤灰搅拌桩(cement-fly ash mixing pile, CFMP)复合地基具有工程运用价值. 复合地基可以分为3类：水平向增强体复合地基、竖向增强体复合地基和桩−网复合地基[25-26]. CFMP复合地基属于典型的竖向增强体复合地基. 利用CFMP加固粉煤灰地基后的承载特性研究鲜有，本研究将进行CFMP复合地基的单桩模型试验，利用应变片和土压力传感器分别测量桩身轴力和地基应力. 通过模型试验实测数据分析CFMP加固粉煤灰地基的承载特性.

1. CFMP复合地基现场试验

1.1. 工程地质概况

选择在淮南市上窑粉煤灰堆积区进行现场试验，采用CFMP加固粉煤灰地基. 场地土层共分为2层，第1层为填土，第2层为粉煤灰，其中第2层的单孔静探比贯入阻力为0.12~12.38 MPa. 试验布置CFMP共6根，桩长为13 m，桩径为1 m，水泥与粉煤灰质量比为2∶8，桩端持力层为粉煤灰地层. 试验要求：加固后复合地基承载力特征值为180 kPa，面积置换率为20% . 试验采用堆载法，主要仪器为JCQ503B型静载荷试验系统，现场试验如图1所示.

图 1

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图 1   水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基现场静载试验图

Fig.1   Cement-fly ash mixing pile composite foundation field static load test diagram


1.2. 静载试验结果

现场试验区6根CFMP呈矩形分布，置换率m=22%，静载试验结果如图2所示. 图中，F为静荷载，S为沉降位移，C1~C6为CFMP的编号. 可以看出，6根试验桩的荷载沉降曲线发展趋势基本一致，均为缓变型曲线，静荷载值与地基沉降近似呈线性关系；沉降及稳定时间均正常，表明在加载过程中未出现极限破坏状态. 由文献[27]可知，缓变型曲线的极限承载力宜根据总沉降量取S=40 mm对应的荷载值. 由图2可知，当最大加载达到或超过1 600 kN时，复合地基的极限承载力均为400 kPa. 以极限荷载的一半作为承载力特征值，则复合地基承载力特征值为200 kPa，大于复合地基承载力特征值的设计值（180 kPa），满足设计要求.

图 2

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图 2   水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基现场静荷载−位移曲线

Fig.2   Field static load-displacement curve of cement-fly ash mixing pile composite foundation


2. 模型试验方案

2.1. 模型箱及试验材料准备

模型箱，尺寸（长×宽×高）为500 mm×500 mm×750 mm，由壁厚为25 mm的亚克力板黏结而成. 如图3所示，模型试验材料主要有加载装置、控制系统、测量系统及模型箱. 加载装置由气压泵、增压气缸及气管组成，控制系统由电磁阀和PLC组成，测量系统由压力传感器、土压力传感器、应变片及百分表组成.

图 3

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图 3   水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基模型试验布置图

Fig.3   Model test layout of cement-fly ash mixing pile composite foundation


试验采用的地基土来自淮南市粉煤灰堆积场. 室内试验获得粉煤灰的物理性质指标如下：粉煤灰中水质量占粉煤灰质量的40%、天然重度为14.3 kN/m3、比重为2.22、干密度为9.4 kN/m3、孔隙比为1.42、饱和度为76.5、液限为48.9. 粉煤灰中主要物质的质量分数如下：SiO2为54.57%、Al2O3为30.14%、Fe2O3为6.05%、CaO为3.88%、K2O为1.66%、TiO2为1.49%、SO3为0.93%，烧矢量为1.28%. 粉煤灰的颗粒级配曲线如图4所示. 图中，d为粒径，Gb为粉煤灰小于某粒径的质量百分比.

图 4

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图 4   粉煤灰颗粒级配曲线

Fig.4   Fly ash particle grading curve


模型试验采用分层击实的方式填筑地基粉煤灰，在填筑过程中保证粉煤灰地基具备较好的均匀性. 使每层粉煤灰在填筑整平后的厚度为100 mm，保持每层粉煤灰在填筑时的下落高度一致，直至填筑至700 mm的设计标高. 压实后每层粉煤灰相应的土方量 $ \Delta V $和质量 $ \Delta m $计算式分别为

$ \Delta {V}={L}^{2}\Delta h\text{，} $

$ \Delta {m}=\mathrm{\rho }\Delta {V}. $

式中： $ L $为模型箱边长， $ \Delta h $为每层粉煤灰厚度， $ \; \rho $为粉煤灰密度. 在填筑过程中，通过控制粉煤灰的干密度来控制填土量，粉煤灰的实际密度计算式为

$ \mathrm{\rho }={\rho }_{\mathrm{d}}\left(1+{w}_{\mathrm{w}}\right). $

式中： $ {\;\rho }_{\mathrm{d}} $为粉煤灰干密度，ww为粉煤灰中水的质量分数.

2.2. 模型桩

模型试验以桩长径比为主要相似度参数，根据相似理论原理设计本模型试验桩的长度为500 mm，桩身直径为40 mm，长径比为12.5. 模型桩与模型箱边界距离为225 mm，最小间距比大于5，可以近似忽略桩−壁的相互影响. 模型桩强度是CFMP复合地基的重要参数，它的变化会对复合地基承载力产生影响，一般按加固土质量的7%~20%进行预实验，来确定最佳水泥掺入质量比.

选取水泥掺入质量为加固粉煤灰质量的8%、12%、16%、20%的配比进行试验. 利用试块模具（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）进行制样，将4种配比的水泥粉煤灰试块震动密实后放置养护室养护，28 d后进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图5所示. 图中， Cc为水泥掺入质量， $ {\sigma }_{\mathrm{b}\mathrm{c}} $为抗压强度. 可以看出，当Cc=20%时，水泥粉煤灰试块的抗压强度最大，为2.09 MPa，与Cc=16%时的1.39 MPa相比，强度增幅达到50.36%. 考虑桩基设计的安全性，参照水泥土搅拌桩施工工艺及现场工程中水泥费用的经济问题，取CFMP中的水泥与粉煤灰材料配比为2∶8. 水泥粉煤灰按所选配比完成搅拌后，倒入定制的PVC管中（长50 cm，内径为4 cm，壁厚为0.5 cm），放入养护室养护5 d后，利用微型切割机切割PVC管，模型桩取出后，继续养护55 d.

图 5

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图 5   水泥粉煤灰试块强度曲线

Fig.5   Strength curve of cement fly ash test block


采用埋入式法埋置模型桩. 1）将桩底以下15 cm的粉煤灰地基填筑压实；2）确定模型桩埋置位置；3）放置桩体并及时填筑粉煤灰，初步压实保证桩身垂直；4）重复步骤1）~3）进行粉煤灰填埋；5）完成模型桩埋置并铺设5 cm褥垫层.

2.3. 试验加载

根据文献[27]要求，并从更好利用桩体性能和提高桩身数据的准确性方面考虑，在模型桩养护45 d后开展模型试验. 通过气压泵和增压气缸加载边长为10 cm的载荷板（根据文献[27]对载荷试验复合地基单桩处理地基面积的规定，面积置换率为12%，满足复合地基要求），用百分表对监测基沉降，用应变仪测量模型桩桩身轴力和地基应力. 采用慢速维持荷载法进行分级加载，加载分级不少于8级. 每级加载后，每间隔10 min进行沉降测读，当沉降速率不超过0.1 mm/h时，增加荷载；卸载级数为加载级数的1/2，等量进行，按10、15、30 min读记回弹量，直至卸载完成3 h后读记总回弹量.

2.4. 模型试验设计

复合地基中桩和桩间粉煤灰承受的是柔性荷载. 在试验过程中，随着外荷载不断增加，由于CFMP的桩体强度较大，在荷载和褥垫层的作用下，模型桩会对桩底粉煤灰地层产生刺入破坏. 本模型试验旨在模拟在柔性荷载作用下，被刺入破坏的半刚性桩复合地基的承载特性.

采用压力传感器和量程为20 mm的百分表监测粉煤灰地基和CFMP复合地基的桩顶荷载和位移. 为了更好地监测在各级竖向荷载作用下桩身轴力的变化情况，采用应变片测量桩身应变. 模型桩桩身表面均匀贴置6组应变片，每组2个. 模型桩布置如图6所示.

图 6

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图 6   桩身应变片粘贴示意图

Fig.6   Diagram of pile strain gauge sticking


如图7所示，CFMP复合地基试验的桩顶土压力传感器埋设于桩顶中心，桩侧土压力传感器对称埋设于距离桩顶压力传感器0.5倍桩径处，并与桩顶土压力传感器平行，桩底的土压力传感器埋设于桩底中心.

图 7

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图 7   土压力传感器布置图

Fig.7   Earth pressure sensor layout


3. 试验结果及分析

3.1. 荷载−位移曲线

进行粉煤灰地基和CFMP复合地基竖向加载试验，其中粉煤灰地基、CFMP复合地基分别以每级100、200 N进行分级加载. 绘制荷载−位移曲线如图8所示. 图中，Fb为桩顶荷载. 可以看出，粉煤灰地基的荷载−位移曲线有明显拐点，呈陡降型变化；CFMP复合地基在加载过程中的地基沉降稳定，曲线没有明显拐点，呈缓降型变化. 加载初期（0~200 N），模型桩处于弹性变形阶段，沉降为0.265 mm；沉降随竖向荷载增加而逐渐增大，每级沉降量较为稳定. 在加载阶段，实心桩桩身几乎没有被压缩，同时桩底粉煤灰地基回弹量不大，因此卸载后CFMP的回弹量很小. 粉煤灰地基和复合地基的承载能力有明显差异，CFMP复合地基承载能力约为粉煤灰地基的2.2倍. 原因是CFMP将桩侧摩阻力和桩端阻力的作用充分发挥出来，使得地基承载力大幅提升.

图 8

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图 8   模型试验竖向荷载−位移曲线

Fig.8   Model test vertical load-displacement curve


3.2. CFMP复合地基

3.2.1. 桩身轴力

桩身轴力的计算式为

$ Q_{i}=EA \varepsilon _{i}. $

式中：Qi为模型桩点处的桩身轴力，E为模型桩的弹性模量，A为模型桩的横截面积，εi为模型桩点i处的轴向应变. 静载试验中各级荷载作用下桩身轴力沿深度的分布规律如图9所示. 图中，T为桩身轴力，L为桩身长度. 可以看出， CFMP桩身轴力与竖向荷载有同步增加的趋势，轴力沿桩身方向逐渐减小. 模型桩在荷载的作用下向下位移，在位移过程中，桩周粉煤灰对桩身施加侧摩阻力，桩侧摩阻力使得桩身轴力在沿桩顶向桩端传递过程中减小. 加载初期，桩侧摩阻力使桩端处的桩身轴力较小，桩端阻力未发挥端承作用，竖向荷载主要由桩侧摩阻力承担. 随着竖向荷载增加，桩侧摩阻力进一步增加，CFMP的桩身轴力也在增加，并沿桩身传递至桩端处，此时桩端持力层的影响逐渐凸显，桩端阻力稳步上升，桩端阻力开始承担部分竖向荷载，桩端阻力比逐渐增大.

图 9

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图 9   各级荷载作用下桩身轴力曲线

Fig.9   Under various load pile axial force curve


各级荷载作用下桩身轴力沿深度衰减幅度Ts如表1所示. 可以看出，在加载初期（F=0~600 N），L∈[2.5, 20.5) cm的桩身轴力衰减幅度最大，该区段粉煤灰提供主要桩侧摩阻力，L∈[2.5, 47.5) cm的桩身轴力变化幅度较小，桩侧摩阻力较小；随着竖向荷载的增加，L∈[2.5, 20.5) cm的桩身轴力衰减幅度依然最大，但L∈[2.5, 47.5) cm的桩身轴力衰减幅度呈上升趋势，桩侧摩阻力的发挥逐渐达到极限，轴力沿桩身衰减曲线趋于线性变化.

表 1   各级荷载作用下桩身轴力沿桩身减幅

Tab.1  Reduction of pile axial force along pile body under various loads

L/cm Ts/N
Fb=200 N Fb=400 N Fb=600 N Fb=800 N Fb=1 000 N Fb=1 200 N Fb=1 400 N Fb=1 600 N Fb=1 800 N Fb=2 000 N
[2.5, 11.5) 64 127 176 192 150 168 182 155 254 271
[11.5, 20.5) 67 135 180 196 290 270 320 337 308 334
[20.5, 29.5) 30 21 87 190 210 220 220 237 292 301
[29.5, 38.5) 16 24 23 80 70 180 180 185 220 246
[38.5, 47.5) 14 41 48 38 110 150 170 182 189 220

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3.2.2. 桩侧摩阻力及桩土相对位移

CFMP的侧摩阻力主要由桩−粉煤灰界面提供，桩身各截面的平均侧摩阻力 $ {f}_{{i}} $的计算式为

$ \begin{split} \\ {f}_{{i}}=\frac{\left({N}_{{i}+1}-{N}_{{i}}\right)}{{A}_{{i}}} . \end{split} $

式中： $ {N}_{{i}+1} $、 $ {N}_{{i}} $分别为第i+1和第i截面轴力； $ {A}_{{i}} $为第i段桩身侧总面积. CFMP的侧摩阻力沿桩身变化曲线如图10所示. 图中，Q为桩侧摩阻力. 可以看出，CFMP复合地基的桩身压缩量较小，模型桩与桩周粉煤灰间的位移变形出现变化，桩侧摩阻力沿桩身呈现中间大、两边小的分布，并于桩身中间区段出现桩侧摩阻力峰值，曲线整体为单峰形. CFMP的侧摩阻力在L∈[0, 20.5) cm时呈上升趋势，峰值位于L=11.5~20.5 cm处；在L∈[20.5, 50.0) cm的侧摩阻力逐渐减小. 当竖向荷载为200~1400 N时，桩侧摩阻力的峰值随荷载增加而增加，此时桩侧摩阻力增长幅度上升，承担更多竖向荷载；当竖向荷载超过1 600 N时，桩侧摩阻力达到极限，随着竖向荷载增加，桩侧摩阻力有一定程度的减小，此时发生了桩侧摩阻力软化现象，说明桩端承载的桩顶荷载开始增加.

图 10

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图 10   各级荷载作用下侧摩阻力沿桩身变化曲线

Fig.10   Lateral friction resistance curves of piles under various loads


在计算CFMP复合地基的桩土相对位移时须考虑模型桩与桩周粉煤灰的相对位移，第i段桩土的相对位移量 $ {\delta }_i $计算式为

$ {\delta }_{{i}}=S-\sum _{j=1}^{i}\frac{{L}_{{j}}}{2}\left({\varepsilon }_{{j}}+{\varepsilon }_{{j}+1}\right) . $

式中： $ {L}_{{j}} $为第 $ j$段桩的桩长， ${\varepsilon }_{{j}}、{\varepsilon }_{{j}+1}$分别为第j和j+1截面处的应变.

模型桩的桩侧摩阻力−桩土相对位移曲线如图11所示. 图中，Sq为桩土相对位移. 随着桩土相对位移增加，桩侧摩阻力从上段粉煤灰地层至下段粉煤灰地层逐渐上升. 当上段粉煤灰的侧摩阻力达到极限后，随着桩土相对位移增加，侧摩阻力减小. 原因是侧摩阻力在接近极限时，上段粉煤灰地层发生滑移，在一定程度上阻止了桩侧摩阻力增加. CFMP桩端在刺入桩底粉煤灰地基后，桩身下段的侧摩阻力较为稳定，随着竖向荷载不断增加，桩底粉煤灰地基被压实，使桩侧摩阻力增加. 除个别误差数据外，各层粉煤灰的侧摩阻力呈上升趋势；随着桩土相对位移不断增大，桩侧摩阻力逐渐达到极限并趋于稳定. 其中L∈[2.5, 47.5) cm的粉煤灰地地层在桩土相对位移增加过程中侧摩阻力减小，证明该地层出现软化现象. L∈[11.5, 20.5) cm的粉煤灰地层侧摩阻力最大，表明该层粉煤灰承受了大部分的桩顶荷载.

图 11

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图 11   不同桩身处桩侧摩阻力−桩土相对位移曲线

Fig.11   Lateral friction of different piles and relative displacement curve of pile-soil


3.2.3. 桩土应力比曲线

在竖向荷载作用下，桩顶应力与桩周土表面应力之比称为桩土应力比P. 如图12所示为CFMP复合地基静载试验桩土应力比曲线. 可以看出，CFMP复合地基的桩土应力比在加载初期进入快速上升期，当竖向荷载为600 N时，桩土应力比趋于稳定；荷载超过1200 N，桩土应力比减小并逐渐稳定为7. 试验加载初期，桩土沉降差小；随着竖向荷载的累积，桩周粉煤灰固结沉降，桩土沉降差增大，桩土应力比进入快速上升期；在竖向荷载的作用下，桩顶向上穿刺进入褥垫层，褥垫层和桩周粉煤灰协调桩土变形，桩−粉煤灰共同承担荷载，同时桩周粉煤灰固结后强度提高，桩土应力比缓慢下降并最终趋于稳定.

图 12

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图 12   竖向荷载下水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基桩土应力比曲线

Fig.12   Pile-soil stress ratio curve of cement-fly ash mixing pile composite foundation under vertical load


在CFMP复合地基中，桩土应力比最终稳定在7左右，与常规水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比[28-29]相比，两者虽然在荷载作用下的应力比发展趋势均为先增大后减小并趋于稳定，但是CFMP复合地基的应力比峰值大于常规水泥土搅拌桩复合地基的. 经过研究分析，桩土应力比受桩土模量比和褥垫层影响较大，粉煤灰地层的压缩性大于一般地层，因此CFMP复合地基桩土模量比大，应力集中现象明显.

3.2.4. 桩端阻力

在竖向荷载作用下，桩体和桩周土将荷载传递到桩端，此时桩端地层所承受的力称为桩端阻力Fc. 如图13所示为荷载作用下的桩端阻力图. 在加载初期，桩端阻力较小，与桩顶荷载相比，桩端阻力的增长速率缓慢. 当竖向荷载为200~800 N时，主要由桩侧摩阻力承担上部荷载；随着桩顶荷载增加，桩端阻力开始快速增长，桩端持力层的影响逐渐凸显，桩端阻力呈快速上升趋势.

图 13

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图 13   各级荷载作用下水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基桩端阻力曲线

Fig.13   Pile tip resistance curves of cement-fly ash mixing pile composite foundation under different loads


定义桩底阻力与桩顶荷载之比为桩端阻力比Pf，以分析桩基的承载特性并判断桩型类别. CFMP桩端阻力比的变化曲线如图14所示. 可以看出，在加载初期，竖向荷载几乎全部由桩侧摩阻力承担，桩端基本不受力的作用，桩端阻力比始终在4.75%~5.50%变化. 当荷载超过800 N时，随着竖向荷载增加，桩土相对位移不断增大，桩侧摩阻力达到极限后，增加的荷载逐渐由桩端阻力承担，桩端阻力比快速增加至24.6%，当荷载超过1 600 N，桩端阻力比趋于稳定. 在荷载为1 400~1 600 N时，桩端阻力比增幅最大，达到64.6%，证明桩侧摩擦力已接近极限. 在加载过程中，CFMP的桩端阻力比始终小于24.6%，根据文献[30]对于基桩分类的规定，CFMP属于典型的端承摩擦桩.

图 14

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图 14   各级荷载作用下水泥−粉煤灰搅拌桩复合地基桩端阻力比曲线

Fig.14   Pile tip resistance ratio curves of cement-fly ash mixing pile composite foundation under different loads


4. 结　论

（1） CFMP复合地基荷载−位移曲线为缓降型；粉煤灰地基荷载−位移曲线为陡降型，且有明显拐点. 现场试验和室内模型试验结果表明，CFMP复合地基可以显著提高粉煤灰地基承载力、降低地基沉降位移，可以作为建筑地基.

（2）桩侧摩阻力沿桩身深度呈中间大、两边小的分布形式，曲线整体为单峰形，峰值位于桩身中端. 桩侧摩阻力达到峰值后，随荷载增加出现侧摩阻力软化现象，在工程实际中对承载力进行计算时须考虑折减桩端阻力.

（3）在加载过程中CFMP复合地基桩土应力比不是定值. 在加载初期，桩土应力比快速增长；随着桩顶荷载增加，桩周粉煤灰固结，桩−粉煤灰共同承担荷载，桩土应力比趋于稳定，使桩周粉煤灰的承载特性得到充分发挥. 由于粉煤灰地基的特殊性，使CFMP复合地基桩土应力比大于常规水泥土搅拌桩复合地基. 在工程中对地基进行压实处理，可以提升CFMP复合地基承载能力.

（4）在荷载施加初期，桩端阻力增长缓慢；随着桩顶荷载增加，桩端持力层作用凸显，桩端阻力比进入迅速上升期并趋于稳定. 在加载过程中，CFMP复合地基呈现以承担桩侧摩阻力为主的受力性状，CFMP为端承摩擦桩.

（5）CFMP复合地基作为新型复合地基的理论还不成熟，本研究通过室内模型试验对CFMP复合地基承载特性进行了简要分析，对实际工程具有一定参考价值. 未来计划开展更多的现场试验，并对荷载传递机理进行深入研究.

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