论文部分内容阅读
摘 要：高速公路桥头是桥梁刚性基础向柔性路基过渡段，由于不均匀沉降经常导致桥头出现跳车现象。为此，在高速公路某桥头段软土地基中开展了砼芯水泥土搅拌桩原位试验研究，载荷试验和桩土应力测试结果表明：砼芯水泥土搅拌桩的承载能力和控沉效果能够满足设计要求且明显好于水泥土搅拌桩；砼芯水泥土搅拌桩复合地基P-S曲线和轴力曲线都具有明显的刚性桩特征，但桩土应力比却处在较小水平，又具有柔性桩的特征，因此，砼芯水泥土搅拌桩是一种介于刚性桩和柔性桩之间的过渡桩型，应用于高速公路桥头软基处理可起到较好的过渡作用。
关键词：砼芯水泥土搅拌桩；复合地基；载荷试验；桩土应力比
Abstract: Vehicles are going to bounce when they run through a bridgehead of highway because of large settlement difference between a bridge and embankment. The test in situ was done to concrete-cored DCM pile in soft foundation treatment of one highway bridgehead, the results of static load test show that the bearing capacity and settlement of concrete-cored DCM pile can meet the design requirements, which are better than that of the cement mixing pile; From P-S curve and axial force curve, concrete-cored DCM pile composite foundation has obvious properties of rigid pile, and low pile-soil stress ratio also indicates it has properties of flexible pile. Therefore, concrete-cored DCM pile is a kind of transition pile between rigid pile and flexible pile and suitable for the soft foundation treatment of highway bridgehead.
Key words: concrete-cored DCM pile；composite foundation；load test；pile-soil stress ratio
中圖分类号： U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：
1 引 言
随着我国道路建设的迅速发展，在深厚的软土地基上修建高速公路越来越普遍。低强度、高可压缩性和低渗透性是软土地基已知的工程特性，工程实践中常遇到的问题是如何解决、控制路堤沉降变形、工后沉降以及桥头跳车等问题[ 1,2 ]。高速公路桥头段是刚性基础向相对柔性的路堤基础过渡地段，因刚性基础和柔性基础之间的差异沉降，经常造成桥头跳车现象。一般在桥头段软土地基中常采用柔性桩来处理，亦有采用刚性桩来处理的，但桩身材料强度较大的刚性桩明显存在应力集中、材料浪费、造价高等问题，柔性桩则很难满足桥头段软土地基对控制沉降的要求。砼芯水泥土搅拌桩是在水泥土
搅拌桩中插入预制小方桩而形成的复合桩型，从形式上看，该桩型应是介于刚性桩和柔性桩之间的新桩型，其工后沉降量也介于刚性桩和柔性桩之间，为此，在新建宁常高速公路某桥头段软基中采用了砼芯水泥土搅拌桩处理方法进行试验。
2 试验段地质条件与研究概况
宁常高速公路常州段某桥头路堤，位于埋藏古湖沼区，地势平坦。根据江苏省交通规划设计院提供的地质勘察资料，试验场地主要土层情况见表1：
表1 场地土层分布表
砼芯水泥土搅拌桩按三角形布置，桩距1.5m，其中水泥土搅拌桩桩长20m，桩直径500mm，砼内芯为200mm×200mm预制方桩，混凝土强度等级为C30，桩长13m；在砼内芯钢筋上预先安装钢筋应力计，在桩间土内距离桩心不同位置分别放置土压力盒，以量测砼芯和桩间土应力变化。仪器埋设示意图如图1所示：
1. 预制方桩（砼内芯） 2. 水泥土搅拌桩
3.土压力盒 4. 载荷板 5. 钢筋应力计
图1 试验桩仪器埋设平面图
Fig. 1 Apparatus collocation of testing piles in plane
3 试验结果及分析
3.1 载荷试验结果
复合地基载荷试验依据为JGJ106-2003，
压板采用直径为1.6m的圆形载荷板。原位试验结果如图2所示：
从图2可以看出，复合地基载荷试验P-S曲线呈陡降型，承载力特征值取极限荷载的一半，三根桩复合地基承载力特征值介于250－275kPa之间；
砼内芯不同深度处预制钢筋应力计，测
得的ZH4砼芯轴力随深度和荷载变化曲线如图3所示：
图2 砼芯桩复合地基荷载试验P－S曲线图
Fig.2 Load-settlement curves of
piles composite foundation
图3 砼内芯轴力随荷载变化曲线
Fig. 3 Relation between axial force and depth
of pile ZH4
复合地基承压板下距离桩心不同位置放置土压力盒，测得的ZH5桩复合地基的地表土压力分布曲线如图4所示。
图4 含ZH5桩复合地基地表土压力
随荷载的变化曲线
Fig.4 Relation between soil pressure
and load for pile ZH4
3.2承载能力和控沉效果分析
在进行砼芯水泥土搅拌桩载荷试验的同时，也在同一场地进行了水泥土搅拌桩对比试验，试验桩情况和结果如表2所示，从承载能力对比来看，砼芯水泥土搅拌桩单桩极限承载力为600KN-800KN，水泥土搅拌桩单桩极限承载力为190KN，前者远大于后者；砼芯水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值为250kPa-275kPa，而水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值为120kPa，高速公路桥头段设计荷载为140kPa，水泥土搅拌桩承载力特征值未达到设计荷载。从控制沉降效果来看，砼芯水泥土搅拌桩单桩在极限荷载作用下，沉降在10mm左右，而水泥土搅拌桩单桩在极限荷载下沉降已超过25mm。水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值对应的沉降量远大于砼芯水泥土搅拌桩复合地基沉降量。通过对比可以看出，砼芯水泥土搅拌桩在承载能力和控沉效果上都比水泥土搅拌桩有更好的表现。
刚性桩复合地基载荷试验得出的P－S曲线通常为陡降型[ 3 ]，砼芯水泥土搅拌桩复合地基载荷试验曲线也为陡降型；由砼内芯轴力随荷载变化曲线可知，轴力随荷载增加逐步增大，且沿深度递减，呈倒T型，这与刚性桩复合地基中刚性桩轴力分布特征相似[ 4]，由此可知，砼芯桩的强度由砼内芯控制，砼芯水泥土搅拌桩复合地基具有刚性桩复合地基的特点。
表2 砼芯桩和水泥土搅拌桩原位试验结果对比表
3.3 复合地基桩土应力比分析
对于单一材料的单桩而言，当竖向荷载逐步施加于桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时，桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧阻力传递到桩周土中去。由于砼芯水泥土搅拌桩从砼内芯到水泥土搅拌桩再到桩间土，形成了桩身材料强度的逐级过渡，桩身内外芯在竖向荷载作用下存在着轴向的相对位移与剪切，这种桩身内部的相互作用也会反映在桩土作用中[6]，这有利于应力的扩散，形成了荷载的逐级传递，也为桩土间的相互协调作用提供必要条件，从而避免了刚性桩桩与桩间土模量差异大造成的桩身材料浪费和柔性桩达不到设计荷载的问题。
砼芯水泥土搅拌桩复合地基表面土压力量测结果如图4所示，从图中可以看出，随着荷载的增加，桩间土承担的荷载也越来越大，并从低水平荷载作用下的弹性状态逐步过渡至塑性状态，当荷载增加至550kPa时，桩间土已呈明显塑性。
由于砼芯水泥土搅拌桩是以高弹模的混凝土预制桩做桩芯，使得桩身的轴向压缩模量大大加强。如根据复合模量公式：Е复 = m·E内+（1-m）E外，通过计算得到ZH1、ZH3和ZH5砼芯桩的复合模量为6353MPa，则砼芯桩复合地基桩土应力比理论值应是170～210，桩土荷载分配比是16～21，但事实上由于侧限和砼芯的刺入，砼芯桩复合地基实际的桩土应力比一般远小于170，桩土荷载分配比也应远小于16。
图 5 复合地基桩土应力比曲线
Fig. 5 Stress ratio of piles ZH1,ZH3 and ZH5
根据实测含ZH1、ZH3和ZH5桩复合地基桩土应力比随荷载变化的曲线图5可以看出，在低荷载水平时，随着荷载的增加，桩土应力比迅速增大，荷载为150kPa时，桩土应力比达到峰值10左右，而后桩土应力比逐渐变小，说明荷载逐步向桩周土和桩端转移。由于砼芯－水泥土－土的三相过渡，总体上实测桩土应力比很小，这一特征与柔性桩复合地基类似[ 5-7 ]，由此说明砼芯水泥土搅拌桩复合地基也具有柔性桩复合地基特性，更有利于桩间土承载能力的发挥。
4 结 论
通过在桥头段软土地基中的试验得出主要结论如下：
（1）通过砼芯水泥土搅拌桩和水泥土搅拌桩现场载荷试验结果对比表明：砼芯水泥土搅拌桩用于处理桥头段软土地基，提供了比水泥土搅拌桩更高的承载力和相对较小的沉降。砼芯桩单桩极限承载力是水泥土搅拌桩的3倍，复合地基承载力特征值较水泥土搅拌桩有明显提高，解决桥头跳车问题比水泥土搅拌桩有更大的优势。
（2）砼芯水泥土搅拌桩复合地基P-S曲线呈陡降型，轴力分布曲线呈倒T型，具有刚性桩特征；通过实测桩土应力比可知，砼芯水泥土搅拌桩复合地基樁土应力比较小，又具有柔性桩的特性。
（3）砼芯水泥土搅拌桩不仅从形式上看是介于刚性桩和柔性桩之间的一种复合桩型，其承载特性也介于两者之间。因此，砼芯水泥土搅拌桩特有的承载机理能起到刚柔过渡的作用，可有效解决桥头跳车问题。
参考文献：
[1] 曾开华，俞建霖，龚晓南. 高速公路通道软基低强度混凝土桩处理试验研究[J]. 岩土工程学报，2003，（6）：715-719.
[2] 沈水龙，石名磊，杜守继等. 软土地基上道路桥头跳车缓解工法的设计与工程实践[J]. 岩土工程学报，2005（7）：1173-1177.
[3] 吴慧明，龚晓南. 刚性基础与柔性基础下复合地基模型试验对比研究[J]. 土木工程学报，2001(5)：81-84.
[4] 雷金波，徐泽中，姜弘道等. PTC型控沉疏桩复合地基试验研究[J]. 岩土工程学报，2005（6）：652-656.
[5] 徐超，叶观宝. 水泥土搅拌桩复合地基变形特性与承载力[J]. 岩土工程学报，2005（5）：600-603.
[6] 董平，陈征宙，秦然. 砼芯水泥土搅拌桩在软土地基中的应用[J]. 岩土工程学报，2002（2）：204-207.
[7] 董平，秦然，陈征宙. 混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究[J]. 岩土力学，2003（3）：344-348.
作者简介：赵忠岩（1980- ），男，工程师，广东省建筑设计研究院，主要从事岩土工程勘察和检测工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：砼芯水泥土搅拌桩；复合地基；载荷试验；桩土应力比
Abstract: Vehicles are going to bounce when they run through a bridgehead of highway because of large settlement difference between a bridge and embankment. The test in situ was done to concrete-cored DCM pile in soft foundation treatment of one highway bridgehead, the results of static load test show that the bearing capacity and settlement of concrete-cored DCM pile can meet the design requirements, which are better than that of the cement mixing pile; From P-S curve and axial force curve, concrete-cored DCM pile composite foundation has obvious properties of rigid pile, and low pile-soil stress ratio also indicates it has properties of flexible pile. Therefore, concrete-cored DCM pile is a kind of transition pile between rigid pile and flexible pile and suitable for the soft foundation treatment of highway bridgehead.
Key words: concrete-cored DCM pile；composite foundation；load test；pile-soil stress ratio
中圖分类号： U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：
1 引 言
随着我国道路建设的迅速发展，在深厚的软土地基上修建高速公路越来越普遍。低强度、高可压缩性和低渗透性是软土地基已知的工程特性，工程实践中常遇到的问题是如何解决、控制路堤沉降变形、工后沉降以及桥头跳车等问题[ 1,2 ]。高速公路桥头段是刚性基础向相对柔性的路堤基础过渡地段，因刚性基础和柔性基础之间的差异沉降，经常造成桥头跳车现象。一般在桥头段软土地基中常采用柔性桩来处理，亦有采用刚性桩来处理的，但桩身材料强度较大的刚性桩明显存在应力集中、材料浪费、造价高等问题，柔性桩则很难满足桥头段软土地基对控制沉降的要求。砼芯水泥土搅拌桩是在水泥土
搅拌桩中插入预制小方桩而形成的复合桩型，从形式上看，该桩型应是介于刚性桩和柔性桩之间的新桩型，其工后沉降量也介于刚性桩和柔性桩之间，为此，在新建宁常高速公路某桥头段软基中采用了砼芯水泥土搅拌桩处理方法进行试验。
2 试验段地质条件与研究概况
宁常高速公路常州段某桥头路堤，位于埋藏古湖沼区，地势平坦。根据江苏省交通规划设计院提供的地质勘察资料，试验场地主要土层情况见表1：
表1 场地土层分布表
砼芯水泥土搅拌桩按三角形布置，桩距1.5m，其中水泥土搅拌桩桩长20m，桩直径500mm，砼内芯为200mm×200mm预制方桩，混凝土强度等级为C30，桩长13m；在砼内芯钢筋上预先安装钢筋应力计，在桩间土内距离桩心不同位置分别放置土压力盒，以量测砼芯和桩间土应力变化。仪器埋设示意图如图1所示：
1. 预制方桩（砼内芯） 2. 水泥土搅拌桩
3.土压力盒 4. 载荷板 5. 钢筋应力计
图1 试验桩仪器埋设平面图
Fig. 1 Apparatus collocation of testing piles in plane
3 试验结果及分析
3.1 载荷试验结果
复合地基载荷试验依据为JGJ106-2003，
压板采用直径为1.6m的圆形载荷板。原位试验结果如图2所示：
从图2可以看出，复合地基载荷试验P-S曲线呈陡降型，承载力特征值取极限荷载的一半，三根桩复合地基承载力特征值介于250－275kPa之间；
砼内芯不同深度处预制钢筋应力计，测
得的ZH4砼芯轴力随深度和荷载变化曲线如图3所示：
图2 砼芯桩复合地基荷载试验P－S曲线图
Fig.2 Load-settlement curves of
piles composite foundation
图3 砼内芯轴力随荷载变化曲线
Fig. 3 Relation between axial force and depth
of pile ZH4
复合地基承压板下距离桩心不同位置放置土压力盒，测得的ZH5桩复合地基的地表土压力分布曲线如图4所示。
图4 含ZH5桩复合地基地表土压力
随荷载的变化曲线
Fig.4 Relation between soil pressure
and load for pile ZH4
3.2承载能力和控沉效果分析
在进行砼芯水泥土搅拌桩载荷试验的同时，也在同一场地进行了水泥土搅拌桩对比试验，试验桩情况和结果如表2所示，从承载能力对比来看，砼芯水泥土搅拌桩单桩极限承载力为600KN-800KN，水泥土搅拌桩单桩极限承载力为190KN，前者远大于后者；砼芯水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值为250kPa-275kPa，而水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值为120kPa，高速公路桥头段设计荷载为140kPa，水泥土搅拌桩承载力特征值未达到设计荷载。从控制沉降效果来看，砼芯水泥土搅拌桩单桩在极限荷载作用下，沉降在10mm左右，而水泥土搅拌桩单桩在极限荷载下沉降已超过25mm。水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值对应的沉降量远大于砼芯水泥土搅拌桩复合地基沉降量。通过对比可以看出，砼芯水泥土搅拌桩在承载能力和控沉效果上都比水泥土搅拌桩有更好的表现。
刚性桩复合地基载荷试验得出的P－S曲线通常为陡降型[ 3 ]，砼芯水泥土搅拌桩复合地基载荷试验曲线也为陡降型；由砼内芯轴力随荷载变化曲线可知，轴力随荷载增加逐步增大，且沿深度递减，呈倒T型，这与刚性桩复合地基中刚性桩轴力分布特征相似[ 4]，由此可知，砼芯桩的强度由砼内芯控制，砼芯水泥土搅拌桩复合地基具有刚性桩复合地基的特点。
表2 砼芯桩和水泥土搅拌桩原位试验结果对比表
3.3 复合地基桩土应力比分析
对于单一材料的单桩而言，当竖向荷载逐步施加于桩顶时，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时，桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧阻力传递到桩周土中去。由于砼芯水泥土搅拌桩从砼内芯到水泥土搅拌桩再到桩间土，形成了桩身材料强度的逐级过渡，桩身内外芯在竖向荷载作用下存在着轴向的相对位移与剪切，这种桩身内部的相互作用也会反映在桩土作用中[6]，这有利于应力的扩散，形成了荷载的逐级传递，也为桩土间的相互协调作用提供必要条件，从而避免了刚性桩桩与桩间土模量差异大造成的桩身材料浪费和柔性桩达不到设计荷载的问题。
砼芯水泥土搅拌桩复合地基表面土压力量测结果如图4所示，从图中可以看出，随着荷载的增加，桩间土承担的荷载也越来越大，并从低水平荷载作用下的弹性状态逐步过渡至塑性状态，当荷载增加至550kPa时，桩间土已呈明显塑性。
由于砼芯水泥土搅拌桩是以高弹模的混凝土预制桩做桩芯，使得桩身的轴向压缩模量大大加强。如根据复合模量公式：Е复 = m·E内+（1-m）E外，通过计算得到ZH1、ZH3和ZH5砼芯桩的复合模量为6353MPa，则砼芯桩复合地基桩土应力比理论值应是170～210，桩土荷载分配比是16～21，但事实上由于侧限和砼芯的刺入，砼芯桩复合地基实际的桩土应力比一般远小于170，桩土荷载分配比也应远小于16。
图 5 复合地基桩土应力比曲线
Fig. 5 Stress ratio of piles ZH1,ZH3 and ZH5
根据实测含ZH1、ZH3和ZH5桩复合地基桩土应力比随荷载变化的曲线图5可以看出，在低荷载水平时，随着荷载的增加，桩土应力比迅速增大，荷载为150kPa时，桩土应力比达到峰值10左右，而后桩土应力比逐渐变小，说明荷载逐步向桩周土和桩端转移。由于砼芯－水泥土－土的三相过渡，总体上实测桩土应力比很小，这一特征与柔性桩复合地基类似[ 5-7 ]，由此说明砼芯水泥土搅拌桩复合地基也具有柔性桩复合地基特性，更有利于桩间土承载能力的发挥。
4 结 论
通过在桥头段软土地基中的试验得出主要结论如下：
（1）通过砼芯水泥土搅拌桩和水泥土搅拌桩现场载荷试验结果对比表明：砼芯水泥土搅拌桩用于处理桥头段软土地基，提供了比水泥土搅拌桩更高的承载力和相对较小的沉降。砼芯桩单桩极限承载力是水泥土搅拌桩的3倍，复合地基承载力特征值较水泥土搅拌桩有明显提高，解决桥头跳车问题比水泥土搅拌桩有更大的优势。
（2）砼芯水泥土搅拌桩复合地基P-S曲线呈陡降型，轴力分布曲线呈倒T型，具有刚性桩特征；通过实测桩土应力比可知，砼芯水泥土搅拌桩复合地基樁土应力比较小，又具有柔性桩的特性。
（3）砼芯水泥土搅拌桩不仅从形式上看是介于刚性桩和柔性桩之间的一种复合桩型，其承载特性也介于两者之间。因此，砼芯水泥土搅拌桩特有的承载机理能起到刚柔过渡的作用，可有效解决桥头跳车问题。
参考文献：
[1] 曾开华，俞建霖，龚晓南. 高速公路通道软基低强度混凝土桩处理试验研究[J]. 岩土工程学报，2003，（6）：715-719.
[2] 沈水龙，石名磊，杜守继等. 软土地基上道路桥头跳车缓解工法的设计与工程实践[J]. 岩土工程学报，2005（7）：1173-1177.
[3] 吴慧明，龚晓南. 刚性基础与柔性基础下复合地基模型试验对比研究[J]. 土木工程学报，2001(5)：81-84.
[4] 雷金波，徐泽中，姜弘道等. PTC型控沉疏桩复合地基试验研究[J]. 岩土工程学报，2005（6）：652-656.
[5] 徐超，叶观宝. 水泥土搅拌桩复合地基变形特性与承载力[J]. 岩土工程学报，2005（5）：600-603.
[6] 董平，陈征宙，秦然. 砼芯水泥土搅拌桩在软土地基中的应用[J]. 岩土工程学报，2002（2）：204-207.
[7] 董平，秦然，陈征宙. 混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究[J]. 岩土力学，2003（3）：344-348.
作者简介：赵忠岩（1980- ），男，工程师，广东省建筑设计研究院，主要从事岩土工程勘察和检测工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。