复合地基水泥土桩的承载力分析

作为起承载作用的复合地基水泥土搅拌桩，在进行深搅法设计时，可按桩与土分担荷载比的原理利用下式计算搅拌桩的数量。

式中 fsp，k——复合地基承载力标准值，kPa；

fs，k——天然地基承载力标准值，kPa；

m——搅拌桩面积置换率；

β——桩间土承载力折减系数；

式中 fcu，k——与搅拌桩配比相同的水泥土室内试块90 天龄期无侧限抗压强度平均值，kPa；

Ap——单桩截面积，m2；

η——桩体强度折减系数；

qs——桩间土的平均摩擦力，kPa；

Up——桩周长，m；

L——桩长，m；

qp——桩端天然地基土的承载力标准值，kPa；

α——桩端天然地基土的承载力折减系数。

根据设计强度，可通过上式的计算得到水泥掺入比的设计参考值。

在理论上，复合地基的承载力特征值在数值上等于桩体承载力特征值与经过修正后的桩间土承载力特征值之和。这当然是概念上的，最终要以现场静荷载试验确定。

影响复合地基承载力的因素是搅拌桩面积置换率m、有效桩长、桩身强度、龄期和褥垫层。而搅拌桩面积置换率的影响比较显著。

（1）η是一个与工程经验和拟建工程性质密切相关的参数，目前设计中一般取0.3～0.4范围的值。

（2）桩端天然地基土的承载力折减系数α与施工时桩端施工质量和桩端的土质有关。如果桩端施工质量不好，或者桩端没能真正支承在硬土地基上，桩端地基土就失去了承载作用，这时α＝0；反之，如果桩端施工质量可靠，通常取α＝0.5。

（3）复合地基承载力随搅拌桩面积置换率m（搅拌桩截面积的总和与承台面积之比）的提高而增大，主要通过桩数的增加（桩所承担的荷载增加）来实现。置换率不同的复合地基，在极限荷载状态下，桩间土应力与桩身应力并无明显差异。随着置换率的增大，单位桩长所能提供的承载力略有下降，随着桩长的增加，单位桩长所能提供的承载力明显提高。因此，就提高复合地基承载力而言，增加桩长的经济效果比提高置换率为好。

（4）从承载力的角度来说，并非整个搅拌桩桩长的强度都起作用，单桩承载力并不随桩长的增大而增大，也就是说，存在一个有效桩长。有效桩长（也叫临界桩长）是指，在土层及桩身参数一定的情况下，桩长超过一定值时，再增加桩长将不会对桩的承载特性有明显的改善。它是一个相对的概念，绝对意义上的临界桩长并不存在。弹性模量及单桩允许沉降量（工程上一般为3～5mm）是有效桩长的影响因素，随着它们的增加，有效桩长也会增加。

搅拌桩的设计主要是确定桩长和选择水泥掺入比。可根据具体情况按如下3 种办法之一进行设计计算：

——搅拌桩单桩竖向承载力设计值，按式（4.7）、式（4.8）计算并取它们中的小值；

式中 fcu，k——与搅拌桩配比相同的水泥土室内试块90 天龄期无侧限抗压强度平均值，kPa；

Ap——单桩截面积，m2；

η——桩体强度折减系数；

qs——桩间土的平均摩擦力，kPa；

Up——桩周长，m；

L——桩长，m；

qp——桩端天然地基土的承载力标准值，kPa；(www.xing528.com)

α——桩端天然地基土的承载力折减系数。

根据设计强度，可通过上式的计算得到水泥掺入比的设计参考值。

在理论上，复合地基的承载力特征值在数值上等于桩体承载力特征值与经过修正后的桩间土承载力特征值之和。这当然是概念上的，最终要以现场静荷载试验确定。

影响复合地基承载力的因素是搅拌桩面积置换率m、有效桩长、桩身强度、龄期和褥垫层。而搅拌桩面积置换率的影响比较显著。

（1）η是一个与工程经验和拟建工程性质密切相关的参数，目前设计中一般取0.3～0.4范围的值。

（2）桩端天然地基土的承载力折减系数α与施工时桩端施工质量和桩端的土质有关。如果桩端施工质量不好，或者桩端没能真正支承在硬土地基上，桩端地基土就失去了承载作用，这时α＝0；反之，如果桩端施工质量可靠，通常取α＝0.5。

（3）复合地基承载力随搅拌桩面积置换率m（搅拌桩截面积的总和与承台面积之比）的提高而增大，主要通过桩数的增加（桩所承担的荷载增加）来实现。置换率不同的复合地基，在极限荷载状态下，桩间土应力与桩身应力并无明显差异。随着置换率的增大，单位桩长所能提供的承载力略有下降，随着桩长的增加，单位桩长所能提供的承载力明显提高。因此，就提高复合地基承载力而言，增加桩长的经济效果比提高置换率为好。

（4）从承载力的角度来说，并非整个搅拌桩桩长的强度都起作用，单桩承载力并不随桩长的增大而增大，也就是说，存在一个有效桩长。有效桩长（也叫临界桩长）是指，在土层及桩身参数一定的情况下，桩长超过一定值时，再增加桩长将不会对桩的承载特性有明显的改善。它是一个相对的概念，绝对意义上的临界桩长并不存在。弹性模量及单桩允许沉降量（工程上一般为3～5mm）是有效桩长的影响因素，随着它们的增加，有效桩长也会增加。

搅拌桩的设计主要是确定桩长和选择水泥掺入比。可根据具体情况按如下3 种办法之一进行设计计算：

研究表明：

1）靠增加桩长来增加单桩的承载力对短桩成立，对长桩则不成立。

2）桩长超过临界桩长时，桩端阻力对单桩承载力的贡献很小，因此，在选择桩端持力层时要考虑临界桩长的问题。

桩身弹性模量的增加对单桩的极限承载力的提高作用并不明显，但可以减小桩在工作荷载下的沉降量。

3）桩与土之间摩擦系数的提高，可明显提高单桩极限承载力，但对于工作荷载下地基沉降量的减小效果不明显。

（5）桩体本身的强度，自然对桩体的承载力有重要作用。除拌和是否均匀外，形成桩体的土的天然含水量，水泥掺入比和桩头的质量，对桩体本身的强度影响很大。有试验表明，只有在含水量达到28%及其以上时，加固土样才能制作成型；对水泥土搅拌桩的实体质量检验也表明，当天然含水量低于30%的时候，从桩周到中心1/4直径范围内的水泥土能够形成半刚性的桩体，而中心部位水泥土呈半松散状态，成桩质量较差。必须根据现场实际地质情况和室内试验的结果来确定合适的水泥掺入比，多了形成浪费，少了则达不到强度要求。此外，桩头的质量非常重要。对单桩进行的大量实验表明，荷载在未达到预期的加载量之前，荷载—沉降曲线出现陡降的原因，多是由于桩头有断桩所致。

还要指出的是，随深度增加，地温和负压随之增加，成桩质量也伴随桩体的强度发生变化。

（6）水泥土强度随龄期的增加而增加。桩体强度设计通常是以90天龄期无侧限抗压强度的平均值来确定的。

（7）建筑屋结构基础底板混凝土垫层不能替代松散材料的褥垫层。所谓褥垫层，是设置于承台与桩顶之间的砂石垫层，它可调整桩与土的荷载分担与地基变形，均化基础表面的接触应力分布，充分发挥地基土的承载能力，对复合地基有重要作用。其中，垫层厚度和宏观弹性模量对垫层是否能发挥作用是主要影响因素。因此，施工中应保证水泥土桩的桩顶标高与褥垫层的底部标高相同，否则，褥垫层的作用就不能充分发挥，水泥土桩间土的承载力也就不能充分发挥。

研究表明：

1）靠增加桩长来增加单桩的承载力对短桩成立，对长桩则不成立。

2）桩长超过临界桩长时，桩端阻力对单桩承载力的贡献很小，因此，在选择桩端持力层时要考虑临界桩长的问题。

桩身弹性模量的增加对单桩的极限承载力的提高作用并不明显，但可以减小桩在工作荷载下的沉降量。

3）桩与土之间摩擦系数的提高，可明显提高单桩极限承载力，但对于工作荷载下地基沉降量的减小效果不明显。

（5）桩体本身的强度，自然对桩体的承载力有重要作用。除拌和是否均匀外，形成桩体的土的天然含水量，水泥掺入比和桩头的质量，对桩体本身的强度影响很大。有试验表明，只有在含水量达到28%及其以上时，加固土样才能制作成型；对水泥土搅拌桩的实体质量检验也表明，当天然含水量低于30%的时候，从桩周到中心1/4直径范围内的水泥土能够形成半刚性的桩体，而中心部位水泥土呈半松散状态，成桩质量较差。必须根据现场实际地质情况和室内试验的结果来确定合适的水泥掺入比，多了形成浪费，少了则达不到强度要求。此外，桩头的质量非常重要。对单桩进行的大量实验表明，荷载在未达到预期的加载量之前，荷载—沉降曲线出现陡降的原因，多是由于桩头有断桩所致。

还要指出的是，随深度增加，地温和负压随之增加，成桩质量也伴随桩体的强度发生变化。

（6）水泥土强度随龄期的增加而增加。桩体强度设计通常是以90天龄期无侧限抗压强度的平均值来确定的。

（7）建筑屋结构基础底板混凝土垫层不能替代松散材料的褥垫层。所谓褥垫层，是设置于承台与桩顶之间的砂石垫层，它可调整桩与土的荷载分担与地基变形，均化基础表面的接触应力分布，充分发挥地基土的承载能力，对复合地基有重要作用。其中，垫层厚度和宏观弹性模量对垫层是否能发挥作用是主要影响因素。因此，施工中应保证水泥土桩的桩顶标高与褥垫层的底部标高相同，否则，褥垫层的作用就不能充分发挥，水泥土桩间土的承载力也就不能充分发挥。