0.   引言

预制管桩具有桩身强度高、刚度大、施工速度快等技术优势,但管桩复合地基通常因桩周土先破坏导致桩身强度未得到充分发挥。水泥土复合管桩是在水泥土搅拌桩中施打预制管桩而形成的新桩型,它既可以发挥管桩的承担性能,又可通过大直径的水泥土桩提供侧摩阻力,提高地基承载性能,因此,近年来水泥土复合管桩技术得到快速发展^[1]。

水泥土复合管桩的荷载传递包括两部分：一是荷载通过管桩与水泥土桩界面的侧摩阻力传递到水泥土,然后通过水泥土桩传递至桩周土体^[2]。吴迈等^[3]、李立业^[4]、叶观宝等^[5]等通过室内直剪试验和模型试验研究了复合桩中水泥土桩与管桩界面特性,研究表明,界面极限侧摩阻力为水泥土强度的0.16～0.19倍,水泥土桩与管桩具有较好的共同工作特性。Jamsawang等^[6]、钱于军等^[7]通过现场试验和数值模拟等方法研究了复合桩竖向承载破坏模式,主要有桩身整体下沉、复合桩管桩刺入以及复合段横截面破坏,并提出了基于不同破坏模式的竖向承载力计算公式。Voottipruex等^[8]、Wonglert等^[9]、Wang等^[10]研究了水泥土强度、桩长、桩径等参数对复合桩竖向承载力的影响规律。Wang等^[11]、王安辉等^[12]提出了水平荷载下水泥土复合管桩p-y曲线计算方法。现有研究主要通过数值模拟和室内模型试验研究水泥土复合管桩破坏模式、竖向承载力计算方法以及水泥土桩与管桩界面极限侧摩阻力。水泥土复合管桩中管桩竖向受荷时其承载实测数据有待积累。为此,本研究依托某水泥土复合管桩现场载荷试验,分析各级荷载下水泥土复合管桩轴力、桩侧摩阻力和桩身压缩量沿桩身的分布特征,探究水泥土复合管桩中管桩竖向承载特性,为水泥土复合管桩竖向承载设计计算提供技术支撑。

1.   工程地质条件与桩基设计

某项目拟建场地地貌类型属宁绍平原南端,地表浅部为第四系全新统中晚期河口海相和海相堆积,其下分布有第四系晚更新统河相、海相和湖相混合堆积以及第四系中更新统陆相沉积。土层以粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂、粉土为主。地基土物理力学参数见表1。地基软土层厚度大、压缩性高、承载力低。

表  1  土层物理力学参数

Table  1.  Physical and mechanical parameters of soil layer

地层名称	层厚/m	含水率/%	重度/(kN·m-3)	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)	压缩模量/MPa
粉质黏土	2	29.7	19.03	29.6	16.6	5.10
淤泥质粉质黏土	2	37.2	18.28	14.2	10.4	3.72
粉土	7	28.2	18.88	10.9	20.6	8.86
粉质黏土	6	30.2	18.74	29.1	16.9	6.82
淤泥质粉质黏土	25	39.1	17.97	14.0	10.2	3.16
粉质黏土	6	30.6	18.92	33.9	15.9	6.76
粉土	2	25.1	19.57	10.2	21.1	11.05
粉砂	6	—	—	—	—	20
黏土	3	36.4	18.52	31.8	14.3	5.24

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采用水泥土复合管桩基础,充分利用场地的中等压缩性粉土层为持力层,单桩竖向承载力特征值要求为1100 kN。水泥土桩径为1000 mm,桩长为10 m,42.5普通硅酸盐水泥掺入量为18%,软土专用固化剂掺入量为水泥用量的2%～3%,在标准养护条件下,水泥土90 d龄期的立方体抗压强度值≥1.6 MPa。管桩选用PHC-AB 400(95)-C80-10型高强混凝土管桩,管桩桩长为10 m。

2.   现场载荷试验方案

2.1   传感器的埋设

试验桩共3根,编号为V-I、V-II、V-III,试桩参数均与工程桩设计参数一致。在管桩预制时,将振弦式应变计固定于管桩钢筋笼主筋上,用于测定桩体在受荷载作用下桩身的应变。应变计沿桩身相对的两根主筋上交叉布置,根据场地土层分布,应变计布置深度为2,3,4,5,6,7,8,9 m。如图1所示,3根试桩以次穿过粉质黏土（层厚 2 m）、淤泥质粉质黏土（层厚 2 m）,以粉土层为持力层。2,4 m深度处应变计分别处于粉质黏土与淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质凝土与粉土土层交界处。

图  1  地层分布及应变计布设示意图

Figure  1.  Stratigraphic distribution and layout of strain gauges

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应变计采用自锁式尼龙绑扎方式固定在钢筋笼预定位置,固定时确保应变计轴线与主筋平行；固定完成后浇筑混凝土、离心预制、75℃养护室养护成桩,养护完成后现场施打成桩。

2.2   加载方案

单桩静载试验采用慢速维持荷载法加载,依据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106）要求进行。荷载板直径为400 mm,与管桩直径相同。每级荷载220 kN,单桩连续加载440～2200 kN,共9级荷载,其中第一级取分级荷载的2倍为440 kN。

3.   试验结果分析

以V-I号试桩为例,对试验数据进行分析,V-II号与V-III号试桩结果与之类似,不再赘述。

3.1   单桩荷载-沉降特性

单桩Q-s和s-lgt曲线分别如图2,3所示,随着荷载增加,水泥土复合管桩沉降量逐渐增大,Q-s曲线呈缓变型,累积沉降量均较小。V-I号试桩累计沉降量10.23 mm,最大回弹量3.35 mm,回弹率32.7%；V-II号试桩累计沉降量12.65 mm,最大回弹量6.43 mm,回弹率50.8%；V-III号试桩累计沉降量12.10 mm,最大回弹量7.34 mm,回弹率60.7%。

图  2  试桩V-I的Q-s曲线

Figure  2.  Q-s curves of pipe pile V-I

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图  3  试桩V-I的s-lgt曲线

Figure  3.  s-lgt curves of pipe pile V-I

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3.2   桩身轴力分布规律

各级荷载下管桩桩身轴力分布如图4所示。管桩轴力在桩顶处最大,沿桩身向下递减,近似呈线性分布。随着竖向荷载的增加,试桩桩身轴力也随之增加,且桩身上部和中部承担荷载略大。

图  4  试桩V-I的桩身轴力

Figure  4.  Axial forces of pipe pile V-I

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水泥土复合管桩管桩桩端阻力随着桩顶荷载的增大近似呈线性递增。管桩桩端荷载近似为总荷载的15%～20%,桩侧摩阻力分担80%～85%的竖向荷载,管桩表现出摩擦桩的工作特性。

3.3   桩侧摩阻力分布

每一级荷载作用下管桩桩身平均侧摩阻力如图5所示。桩侧摩阻力受桩侧有效法向应力和管桩水泥土相对位移等因素影响。随着荷载增加,侧摩阻力值逐渐增大。桩身上部（0～2 m）和下部（4～9 m）测得的侧摩阻力较大,而桩身中部（2～4 m）侧摩阻力较小。这主要是由于桩身中部为淤泥质粉质黏土,其强度较低的缘故。

图  5  试桩V-I桩侧摩阻力

Figure  5.  Side friction of pipe pile V-I

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3根试桩在2200 kN竖向荷载作用下,不同土层桩侧平均摩阻力发挥情况：粉质黏土层桩侧平均摩阻力达到120～130 kPa,淤泥质粉质黏土层桩侧平均摩阻力在60～70 kPa,粉土层桩侧平均摩阻力在115～125 kPa。

将试桩最大荷载下管桩侧摩阻力与勘察报告提供的传统管桩和钻孔灌注桩按土层深度加权平均的桩周土极限摩阻力标准值对比发现,实测水泥土复合管桩中管桩桩侧阻力值为传统管桩侧摩阻力的6.20～8.63倍；为钻孔灌注桩侧摩阻力的6.96～10.08倍。水泥土与管桩的界面摩阻力是原地基土与管桩界面摩阻力的6倍以上。

表  2  各桩型桩侧摩阻力

Table  2.  Side frictions of various piles

土层	复合桩/kPa	管桩/kPa	灌注桩/kPa	复合桩/管桩	复合桩/灌注桩
粉质黏土	125	16.00	14.00	7.48	8.55
淤泥质粉质黏土	65	7.00	6.00	8.63	10.08
粉土	120	18.00	16.00	6.20	6.96

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3.4   桩身压缩变形量

计算得到不同位置处各级荷载下3根试桩各断面平均桩身压缩量如图6所示,各试桩在2200 kN作用下桩顶沉降量和桩身压缩量实测值见表3。

图  6  试桩V-I桩身压缩量

Figure  6.  Compressions of pipe pile V-I

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表  3  试桩极限荷载下沉降压缩量

Table  3.  Settlement compressions of piles under load of 2200 kN

试桩编号	桩顶荷载/kN	桩顶沉降量/mm	桩身压缩量/mm	桩端沉降/mm	桩身压缩沉降比
V-I	2200	10.23	2.82	7.41	27.57%
V-II	2200	12.65	3.02	9.63	23.87%
V-III	2200	12.10	3.14	8.96	25.95%

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桩身压缩量在桩顶处最大,沿桩身近似呈线性递减,且随着荷载的增大,桩身压缩量也随之增加。由桩顶沉降量与桩身压缩量求出桩端位移量,可见桩端阻力与桩端位移近似呈双曲线分布,如图7。3根试桩的桩身压缩量在3 mm左右,桩身压缩沉降比分别为27.57%,23.87%及25.95%。

图  7  试桩V-I桩端阻力与位移关系曲线

Figure  7.  Relationship curve between end resistance and displacement of pile V-I

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4.   结论

（1）水泥土复合管桩竖向受荷时,荷载与沉降量Q-s曲线变化较缓,呈缓变形。桩身轴力沿桩身近似呈线性递减趋势。

（2）竖向荷载下水泥土复合管桩中管桩桩端、桩侧摩阻力荷载承担比例分别为15%～20%,80%～85%,表现出摩擦桩的工作特性。

（3）水泥土复合管中水泥土与管桩的界面摩阻力是传统管桩与地基土界面摩阻力的6～9倍,为钻孔灌注桩桩侧摩阻力的6～10倍。

（4）管桩桩顶受竖向荷载后,桩身压缩引起向下位移,但由于桩侧摩阻力的发挥,桩身轴力沿深度减小,使得桩身压缩量沿桩身近似呈线性递减趋势。桩身压缩量与沉降量比值为20%～30%。