粉喷桩和浆喷桩处理地基载荷试验分析

1.前言

目前，地基土的加固几乎所有的工程中都在使用，尤其在软土地基处理中更需要对地基土进行加固。至于如何加固地基土使承载力能得到提高，在不同的工程和设计要求下所使用的加固地基土方法也是不同的，但是目前在绝大多数软土地基处理中大都使用了水泥搅拌桩加固。水泥搅拌桩加固软土地基一旦应用在工程中又如何对其质量进行检验和控制呢？在桩基工程设计中，如何正确评价和确定地基处理后承载力和桩体承载力是一个关系到设计是否安全和经济的重要问题。目前，业主、监理和施工单位多要求采用静载荷试验。载荷试验是各种原位测试方法中开展得比较早的测试技术。它基本上能够模拟建筑物地基的实际受荷条件，比较准确地反映地基的实际受力状况和变形特征，是直接确定地基承载力和变形模量等参数的最可靠方法，也是原位测试方法测得的地基力学参数建立经验关系的主要依据。但载荷试验比较费时费钱，试验比较笨重，还常常不易在初步设计阶段以前预先进行。经京沪高速铁路昆山软土地基处理近800m试验段内搅拌桩的现场载荷试验情况，再加上先前的一些实践经验，对搅拌桩复合地基和单桩载荷试验的结论作了一个总结分析。同时，在文章中详细论述了载荷试验的分析过程。

2.载荷试验破坏情形：

  桩的承载力是桩与土的共同工作问题，桩与土的应力传递比较复杂，除静载荷试验外，其他方法都有不同程度的误差，国内外规范均一致规定，对重要工程一般都应通过现场静载荷试验确定桩体和复合地基竖向承载力。

  单桩平板静载荷试验，破坏情况主要是桩体沉降而发生的刺入破坏，承载力主要由桩周土摩擦力来提供，在搅拌桩中端承力基本起不到作用，一般桩体的承载力通过桩体的沉降来确定。

复合地基平板静载荷试验，破坏情况一般有三种：桩周土的破坏，桩端持力层的破坏和桩身的自身破坏。

桩周土发生破坏有三种情况：整体剪坏、局部剪坏和塑性变形。桩周土发生破坏的桩，虽无法稳定，但千斤顶油压值降的很少，一般只要不加压就能稳定，这种桩的桩身没有破坏，试验前后承载力基本上没有发生变化。

对于桩身或桩端持力层夹层已发生破坏的桩，桩身纵向裂开或局部剪坏，或发生刺入现象。当千斤顶油压值降到很低，这根桩的极限承载力可以判定很高，这个承载力代表是这一类桩的承载力而该桩本身已成为废桩。

3.载荷试验尺寸效应分析：

3.1尺寸效应计算和分析资料：

    单桩静载荷试验尺寸效应，加荷值应考虑桩体表面的摩擦力及桩端端阻力对单桩进行静载荷试验的影响。单桩尺寸效应影响深度应按桩长计算承载力公式反推或通过尺寸效应载荷试验结论来确定影响深度范围。复合地基载荷试验加荷值应根据单桩承载力和地基土承载力来综合计算。

《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)单桩竖向承载力标准值计算公式：

R^d_k=ηf_cu,kA_p                            (1)

R^d_k=q_sU_pL+αA_pq_p                     (2)

f_sp,k=mR_k^d+β(1-m)f_s,k       (3)

f_cu,k——无侧限抗压强度平均值    η——强度折减系数

q_s  ——桩周土平均摩擦力         A_p ——桩截面积

q_p ——桩端天然地基土承载力标准值   U_p ——桩周长  α ——桩端天然地基土承载力折减系数   L ——桩长

f_sp,k——复合地基承载力标准值       m——面积置换率     f_s,k——桩间天然土承载力标准值

β——桩间土承载力折减系数（对软土取0.5~1.0，对硬土取0.1~0.4，对不考虑桩间土作用时取0）

同样的地质条件，不同尺寸深度的桩应有不同的承载力特征值（注：如果桩在不同的持力层中，可能出现不同的差异状况），单桩尺寸效应载荷试验应以公式(2)来计算静载荷加荷级数，复合地基承载力标准值应以公式（3）来计算，否则不同桩体长度引起的效果和结果就无法对比分析，无法反映出桩长的影响范围。

在软土地基中粉喷桩的尺寸效应经过对单桩的承载力特征值的确定来看桩体长度加长结果不是很明显。在上面的(2)式中，尺寸效应的承载力的特征值按在软土地基中计算按（2）式来计算，就应该考虑到桩周土的摩擦力和天然地基土的承载力特载力特征值及桩本身强度的折减系数问题，这样才能充分体现尺寸效应的结果。而（1）式中，只能理想在室内无侧限抗压强度试验中得出的数值。不能反应在纯粹的尺寸效应中对单桩特征值的检测。在工程检测试验过程中，在施工的工艺过程中，不可能都是以同样的标准进行施工，多少会有差异，这有人为的问题，机械的问题等其他因素。因此，在软土地基中粉喷桩的尺寸的检测，5米、8米、10米、15米的持力层都是在同一地层中，这样承载力的差异只能表现在桩体侧面的摩擦力和桩端的阻力方面。（注：不在同样的持力层上，就有不同的承载力特征值，同样的持力层不同的厚度也有不同的承载力特征值），经过对施工场地的地质情况的分析：桩体上部2.7~3.0m为粘土层，桩体中部都在淤泥质砂粘土层，桩体下部打穿砂粘土层或黏土层，但对于尺寸效应桩按深度就是上部在黏土层，下部在淤泥质砂黏土层，所以，对5米、8米、10米、15米单桩承载力特征值的确定应按照公式具体计算，因此粉喷桩对软土地基中加固的应用还应该进一步的探索与实践。

    单桩尺寸效应特征值的确定，不能只考虑到单桩承载力特征值的确定问题，而且能反映出不同地层对建筑物的地质效应问题。可见尺寸效应的检测有其针对性，有其应用性。所以单桩尺寸效应的检测在工程试验的施工中应该得到使用。数据分析见下表（单桩为kN，复合地基为kPa）

3.2数据分析：

3.3小结：

  建议桩体打穿上层土后使桩体落在一个持力层上，这主要是由于桩体承载力随深度的增长，承载力先增加后减小。试验桩尺寸效应单桩载荷试验因桩之间的间距太小而引起桩周土裂缝的产生，单桩静载荷试验一般在加载到最后时，桩体会发生刺入破坏而突然下沉，但对于复合地基载荷试验则一般情况下不会突然下沉，只是桩周土体的裂缝逐渐增大。通过单桩与复合地基载荷试验，可以确定出，随着桩数增加或压板面积增大，单位面积上的承载力会减小。

4.粉喷桩与浆喷桩载荷试验分析：

4.1单桩载荷试验：

4.2单桩复合地基载荷试验：

4.3单桩载荷试验与复合地基载荷试
验分析：

1)对破坏现象的对比分析。单桩载荷试验桩体发生刺入型破坏，桩体直接下沉，个别会因桩周土摩阻力产生放射状纵向裂缝，桩长不同时也会引起很大的差别，在此引起差别的主要原因是桩体在淤泥层中的摩阻力不同。

本试验段复合地基加荷到破坏，根据现场观测，通常发生有以下几种情况：

①复合地基被剪坏。桩与桩周土整体发生整体或局部剪坏，直接影响到压板四周土体，通常会引起土体的环状开裂甚至一定范围内的土体会下沉。

②桩周土被剪坏。本试验段模拟柔性地基进行静载荷试验，承压板下有碎石垫层，试验中发现桩体沉降相对于桩周土沉降明显偏小，桩体产生向上刺入碎石垫层现象。

2)从数据的处理分析中可以看出，单桩载荷试验对于粉喷桩承载力一般在150-200kN之间，对于浆喷桩一般比粉喷桩低，其值在100-150kN之间；

3)回弹量也是不同的，粉喷桩回弹量一般在4-6mm比浆喷桩小5-6mm，复合地基载荷试验承载力取值与单桩单位面积上的承载力基本相同，回弹量对于粉喷桩一般在15-30mm，对于浆喷桩一般比较小在10-20mm，在加荷过程中，沉降量速度和数值粉喷桩都比浆喷桩小。总体来说，复合地基载荷试验比单桩载荷试验沉降、回弹都大，如果用回弹法取值，则单桩载荷试验会偏小，不太适合用相对变形法和回弹法来取值，但复合地基载荷试验会偏大不切合实际，只能用相对变形法取值。这里需要说明一点的是，本试验段所做的静载荷试验通常已达到破坏，所以利用回弹法取值在这里不具有代表性。

4.4复合地基不同垫层载荷试验的对比分析和数据处理：

    单桩复合地基载荷试验，不同垫层的载荷试验沉降量是不同的，砂垫层较薄现场记录沉降量几乎接近复合地基承压板的沉降量，承载力的取值几乎接近实际情况，但是对于纯碎石和碎石加格栅垫层载荷试验与砂垫层载荷试验就有明显的差别，承压板的沉降量比砂垫层载荷试验承压板的沉降量明显要大。对于纯碎石垫层载荷试验和碎石加格栅两者之间也存在着很大的差别，纯碎石垫层由于垫层周边无约束，垫层在加荷过程中会向四周扩展，而碎石加格栅的载荷试验垫层则扩展程度相对较小，沉降量要小一些，因此，取值也是不同的，但作为研究工作，在取值过程中应考虑这一点而去掉垫层本身的沉降来取值。双桩复合地基载荷试验由于承压板面积比较大，垫层向四周扩展的趋势减小，所以，沉降量和取值都比较接近实际。

4.5小结：

   通过以上四种情况对单桩载荷试验与复合地基载荷试验的对比分析，可得出结论为：

1在软土地基处理的过程中，经载荷试验的试验数据和分析结论知，粉喷桩的承载力比浆喷桩相对要大一些，沉降量要比浆喷桩要小，鉴于本试验段浆喷桩载荷试验样本小，对此结论须持谨慎态度。

2通过对本试验段载荷试验分析，认为搅拌桩桩底位于有效持力层，比较具有实际的意义。

3经过37组载荷试验，认为载荷试验应做单桩、单桩复合、双桩复合或群桩的复合地基载荷试验，这样对比后得出比较准确的结论，至于垫层建议采用砂。

5.载荷试验四种方法取值研究：

5.1相对变形法分析：

相对变形法：《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）规定根据载荷试验中承压板的沉降量取s/b=0.006(s为承压板的沉降量，b为承压板宽度)时，承压板的沉降量所对应的承载力。

5.2回弹法分析：

回弹法：载荷试验中，加荷过程中承压板沉降量与卸荷过程中承压板最大回弹量相等时所对应的承载力值。（单桩为kN，复合地基为kPa）

5.3比例极限法（特指有比例极限者）：

比例极限法：载荷试验曲线（Q-s曲线）有明显陡降直线段时拐点所对应的荷载的前一级荷载为所确定的桩体或复合地基极限荷载。（单桩为kN，复合地基为kPa）

5.4规范经验公式法：

  规范经验公式法：载荷试验中，以勘测过程中实测地基土承载力或桩体无侧限抗压强度为理论依据来计算桩体或复合地基承载力（见公式（1）、（2）、（3））。

5.5小结：

相对变形法：此方法一般在试验中使用，

而且用此法确定出的承载力是比较保守的。

回弹法：在一般情况下不使用此方法来确定，因为对于不同的地层、不同的桩来说回弹不一定随卸载时间的延续而立即回弹。这样的话，有些桩确定出的承载力可能大，有些桩确定出来的承载力却可能小。对于桩或复合地基已破坏的情况不适用于回弹法。

    比例极限法：实用于载荷试验曲线（Q-s曲线）有明显陡降直线段的单桩或复合地基的承载力的确定。

规范经验公式法：只是理论计算，但在实际中不一定符合，设计时要取安全系数。

    总之，单桩载荷试验有比例极限者取其比例极限作为极限荷载，但对于复合地基载荷试验曲线一般情况下没有明显的直线段（或陡降段）即明显破坏，因此，取值不能采用比例极限法，应用相对变形法，但回弹法和规范经验公式法一般不采用，只在设计研究工作中才采用，也只是计算加荷前的预测值。载荷试验四种取值方法各有优点也各有缺点，应结合实际现场操作和数据曲线来取值。

6.载荷试验检测的应用分析：

    通过京沪高速铁路江苏昆山试验段软土地基处理过程中的载荷试验研究（包括路基内搅拌桩、路堤外搅拌桩试验桩），载荷试验的具体的数据分析和结论的得出，就此对载荷试验的现场应用和它的适用性作一小结：载荷试验作为一种原位测试手段比较符合实际，也最具有代表性，是复合地基和桩基工程首选的检测方法，但其检测周期长，成本较高，不能作为一种普查手段大面积推广应用。工检测。

作者简介：张向文，男，1981年生，工程师，毕业于山东交通学院土木工程系交通土建试验与检测技术专业，现任职于山东广信工程试验检测有限公司，主要从事材料检测，公路、铁路、桥梁、隧道、建筑等施工和现场检测工作。在实际施工检测中应以载荷试验为基础，同时结合钻芯取样、静力触探、小应变等检测手段，进行综合施