MC劲性复合桩在硬土层中应用的试验研究.pdf

第5 卷第3期2023年5 月DOI:10.3785/j.issn.2096-7195.2023.03.011地基处理Journal of Ground ImprovementVol.5No.3May2023MC劲性复合桩在硬土层中应用的试验研究郑贺1，鲍宇，刘汉臣2（1.徐州市城市建设工程管理中心，江苏徐州2 2 10 18；2.徐州市建设工程检测中心有限公司，江苏徐州2 2 10 0 0）摘要：结合MC劲性复合桩在硬土层中应用的工程实例，通过静载试验得出，MC劲性复合桩具有较大的竖向承载力优势。M桩取芯检测表明，软土层中成桩效果较好，较硬土层中成桩效果较差。基于此，认为在较硬土层中，桩侧阻由M桩承担，端阻由C桩承担。将动静对比分析得到的预制桩平均侧阻力和端阻力分别代入MC劲性复合桩中，计算极限承载力值介于2 8 8 6 3335 kN之间，较常规桩竖向抗压承载优势明显。针对现行规范中MC劲性复合桩计算端阻力偏低，不适用硬地层的情况，提出了端阻力计算改进公式，侧阻力计算仍用原规范方法。改进后的方法在不影响侧阻计算的前提下，可以明显改善端阻力计算结果。限于各种原因，MC劲性复合桩静载试验没有得到极限承载力，通过高应变进行动静对比试验反推的结果，虽然符合端承摩擦桩的承载规律，端阻比例也在合理范围内，改进的方法虽然比规范方法更容易提高桩端阻力，但准确性和普适性还需进一步验证。关键词：MC劲性复合桩；静载试验；取芯检测；动静对比；改进公式；承载力估算中图分类号：TU473Experimental study on the application of MC strength composite pile inAbstract:Combined with the engineering examples of the application of MC rigid composite pile in the hard soil layer,the advantages of MC rigid composite pile with a large vertical bearing capacity are obtained through the static loadtests.The coring test of M pile shows that the effect of pile formation in soft soil layer is better than that in hard soillayer.It can be considered that in the hard soil layer,shaft resistance is provided by M pile and end resistance is borneby C pile.Substituting the average shaft resistance and end resistance of the precast piles obtained by the dynamic andstatic comparative analysis into the MC rigid composite piles,the calculated ultimate bearing capacity is between 2 886 kNand 3 335 kN,which has obvious advantages over conventional piles in vertical compressive bearing capacity.In viewof the calculated end resistance of the MC pile is smaller than the measured value in the hard soil layer,an improvedformula for the calculation of end resistance was proposed.The side resistance calculation still use the originalspecification method.The improved formula significantly improves the calculation accuracy of the end resistancewithout affecting the results of shaft resistance.Limited to various reasons,the ultimate bearing capacity of MC rigidcomposite piles has not been obtained through static load tests.The back-calculated results of dynamic and staticcomparison tests with high strain conform to the bearing law of end-bearing friction piles,and the end-resistance ratiois also within a reasonable range.Although the improved method is easier to increase the pile end resistance comparedto the standard method,the accuracy and universality need to be further verified.Key words:MC rigid composite pile;static load test;core detection;dynamic and static comparison;improvement formula;bearing capacity estimation文献标识码：Athe hard soil layerZHENG Hel,BAO Yu?,LIU Han-chen?(1.Xuzhou Construction Engineering Management Center,Xuzhou 221018,Jiangsu,China;2.Xuzhou Construction Engineering Testing Center Co.,Ltd.,Xuzhou 221000,Jiangsu,China)文章编号：2 0 9 6-7 19 5(2 0 2 3)0 3-0 2 6 2-0 7收稿日期：2 0 2 2-0 6-10作者简介：郑贺（19 8 4），男，江苏徐州人，硕士研究生，高级工程师，主要从事建设工程质量管理工作。E-mail:。第3期0 引 言MC劲性复合桩是在水泥土搅拌桩中置入小直径的刚性桩，形成具有相互增强作用的复合桩。M桩指半刚性的水泥搅拌桩，C桩指刚性桩，多由混凝土、钢、水泥粉煤灰碎石混合料等构成，如图1所示。M桩桩身强度受土质、施工工艺影响，单桩承载力往往不大，软弱土中刚性桩侧摩阻力和端阻力往往不大，单桩的承载力也不高。MC劲性复合桩可平衡以上二者的不足，通过大直径搅拌桩增加桩侧受力面积，进而增加桩侧阻力；通过搅拌改变桩底土的状态，增加桩端阻力，进而提高处理地基的整体强度和刚度，具有不错的经济优势，目前已在不少地区成功应用1-4。刚性芯桩空芯图1MC劲性复合桩构造示意图Fig.1 Schematic diagram of MC strength composite pilestructureMC劲性复合桩存在土-水泥土和刚性桩-水泥土两个潜在破坏界面，理论上可能出现4种破坏模式：桩周土强度不足，表现为MC桩刺入破坏；混凝土强度不足，表现为桩头混凝土压碎（爆）；刚性桩和水泥土桩间的侧摩阻力不足，表现为刚性桩向水泥土桩中刺入破坏；水泥土强度不足，表现为无芯段的水泥土被压碎。吴迈等5 基于室内模型试验，得出刚性桩-水泥土界面的黏结强度平均值介于水泥土无侧限抗压强度的0.17 6 0.2 13之间。宦雯等6 基于现场足尺试验，指出管桩-水泥土界面的黏结强度平均值为水泥土无侧限抗压强度的0.1910.2 0 2 倍。俞建霖等7 基于模型试验得出的结果为0.0 6 40.2 5 9。水泥土桩的材料强度一般都要求1.0 MPa以上，按照以上文献结果，水泥土-刚性桩之间交界面的黏结强度可达2 0 0 kPa以上，所以此界面一般不会对软土中桩的承载力起控制作用。丁永君等8 根据现场试验指出MC劲性复合桩比预制桩具有更好的承载性能，其水泥土-土界面侧摩阻力可以达到规范推荐预制桩侧阻力的1.2 9 3.90倍。包华等9 指出MC桩水泥土-土界面侧阻值可比钻孔灌注桩大7 3%9 1%。梁善斋10 基于现场载荷试验指出，水泥土与管桩的界面摩阻力较天郑贺，等：MC劲性复合桩在硬土层中应用的试验研究水泥土桩混凝土预应力空心管桩。1.2静载试验结果静载试验采用慢速维持荷载法，压重平台反力装置，检测要点按照建筑基桩检测技术规范（JGJ106一2 0 14）12 ，加载至预估值7 0%时，改为原分级一半加载，直至达到要求荷载，检测结果见表3。由表3可知，预制方桩均出现部分破坏，检测得到极限承载力。1-SZ型试桩极限承载力统计值为2625kN，2-SZ 型试桩极限承载力统计值为2530kN，3-SZ 型试桩极限承载力统计值为2750kN。随着桩长增加，预制方桩的极限承载力统计值略有增长，如图2 所示。4-SZ型试桩由于设计方仅要求加载至2 47 5 kN，3根试桩均未破坏，因此未得到单桩竖向抗压极限承载力，单桩竖向抗压承载力统计值为2 47 5 kN。3根试桩沉降量一致性较好，最大沉降量为6.0 mm左右，远小于其它3种类型的试桩，Q-S曲线呈现良好的线性，说明其承载力尚有发挥空间。由表3还可知，当沉降量均控制在6.0 mm时，较短的MC劲性复合桩承载力普遍大于较长的预制桩，甚至达到预制桩承载力的两倍，这说明在较硬地层中，该桩仍具有较大的抗263然土与管桩界面摩阻力可提升6 9 倍。宦雯等6 、李立业等11 基于不同破坏模式，提出了MC劲性复合桩竖向承载力计算的改进公式。以上文献中的工程实例大多在软土地区，桩端阻力都较弱，均不足总承载力的2 0%，对于具有相对良好持力层的工况研究较少。本文将结合持力层为硬塑黏土的工程实例，通过基桩静载试验、高应变试验等手段，对MC劲性复合桩竖向承载性能进行简单分析探讨。1试桩情况1.1工程概况某地区规划建设高层住宅（6 18 F）和配套公建（12 F），场地普遍设置1层地下车库，局部设2层地下车库。拟建项目用地红线距离轨道交通区间隧道结构边线最小距离为18 m，地下室轮廓线距离地铁隧道最近距离约2 4m。南侧两栋楼及部分地库位于地铁5 0 m控制线范围内，为保证地铁运行安全，南侧近地铁线两栋楼设计拟采用MC劲性复合桩，其余楼栋采用预制方桩。土层物理力学参数如表1所示，设计试桩参数如表2 所示。M桩采用湿法施工，同径搅拌，二搅二喷，采用PO42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为15%，C桩采用高强264压承载力优势。4-SZ1号试桩的桩顶位移和桩侧水泥土Q-S曲线如图3 所示，由图可知M桩和C桩序号名称杂填土.1粉质黏土2粉土-3淤泥质粉质黏土-4粉土-5粉质黏土-5 A粉土6粉土.7粉质黏土黏土石灰岩注：表中*为预估值。桩型1-SZ2-SZ3-SZ4-SZ注：HKFZ指高强混凝土预应力空心方桩；4 0 0 指桩边长（桩径）；AB指桩的型号，表示抗弯性能；PHC指高强混凝土预应力管桩；9 5 指管桩壁厚；2 4 0 指方桩内径。最大加载试桩编号量/kN1-SZ12.5881-SZ229251-SZ32.7002-SZ12 6452-SZ22.7602-SZ32.4153-SZ12.7503-SZ23 0003-SZ32 8754-SZ12.4754-SZ22.4754-SZ32.475地基处理桩顶位移一致性很好，二者之间未出现滑动面，其余曲线和该曲线类似，不逐一表示。表1土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer重度黏聚力c/内摩擦角承载力特征值压缩模量平均层厚/m岩土层状态(kN/m)1.2417.00*1.18软塑1.54稍密1.62流塑2.06稍密-中密19.072.55软塑1.28稍密-中密19.131.17稍密-中密19.162.82可塑10.66硬塑最大揭露厚度10.0 0表2 试桩参数Table 2Parameters of test piles桩型桩长/mHKFZ-400AB(240)21.0HKFZ-400AB(240)20.0HKFZ-400AB(240)22.0外芯：900水泥土桩19.0内芯:PHC400(95)AB18.0表3 试桩静载试验结果Table 3Static load test results of the piles最大沉降单桩竖向抗压极限相应沉降6.0 mm沉降量对量/mm承载力/kN52.572.47554.72281350.30258849.762.5308.702.76098.582300111.942.50014.163 00081.422.7506.022.4755.702.4756.282.4752023年5 月kPa0/)8.0*10.0*18.1312.219.1311.417.146.310.918.4311.811.411.318.8429.719.5876.8数量桩顶标高/m337.85338.25338.65338.25338.25量/mm应荷载/kN14.1212758.822 00613.61172110.191 6058.70239514.181 66116.25172014.162 13212.1219926.022.4705.702.4756.282380fak/kPa4.79024.91003.78024.81005.310024.711024.61107.214013.02003500持力层层黏土层黏土层黏土层黏土层黏土单桩竖向抗压极限承载力统计值/kN2 6252.5302.7502.475Es/MPa3.05.02.55.04.05.05.06.010.0第3 期2.8002.6002.400图2 预制空心方桩承载力与桩长关系Fig.2 Relationship between bearing capacity and pile lengthof prefabricated hollow square piles5001000150020002.500桩顶位移-水泥土位移u/S2461.3动静对比由于MC劲性复合桩首次在本区域应用，设计试桩的静载试验未得到极限承载力，只能通过间接方法对其极限承载力进行预估。基于此，本文采用高应变动静对比试验对MC劲性复合桩进行了极限承载力的估算。12根设计试桩均位于同一场地，场地地质条件相同，土体物理力学指标相近，为动静对比试验提供了前提条件。将通过静载试验获得极限承载力的预制桩用高应变试验把其侧阻力和端阻力分离出来，代入到MC劲性复合桩中，即可得到MC劲性复合桩极限承载力预估值。图4 和图5 表示的是1-SZ3号试桩动静对比Q-拟合承载力/拟合沉降量/拟合总侧阻/权桩上部18 m范围拟合拟合总端阻/试桩编号kN1-SZ125131-SZ32.5572-SZ125602-SZ22.8803-SZ32722郑贺，等：MC劲性复合桩在硬土层中应用的试验研究2021桩长/m桩顶荷载Q/kN图3 4-SZ1号Q-S曲线Fig.3Q-S curve of No.4-SZ1mm13.4414.4012.268.7012.48265S曲线和轴力分布曲线。高应变拟合得到的极限承载力为2 5 5 7 kN，与静载试验结果2 5 8 8 kN接近，误差仅为1.2%，最大拟合沉降14.4 0 mm，与静载试验结果13.6 1mm接近，误差仅为5.8%。拟合侧阻力为19 7 1kN，拟合桩端阻力为5 8 6 kN，桩端阻力占比2 2.9%，属于端承摩擦桩。由于部分试桩在静载试验过程中被压爆或不22具备高应变检测条件，所以仅对部分桩进行了高应变试验，拟合分析结果如表4 所示。由表4 可知，3种不同桩长的拟合端阻力占拟合极限承载力的比例在2 0%3 0%之间，端阻力与承载力之比与桩长呈现弱负相关。05001 000150020002.50030000拟合3静载691215图4 1-SZ3号动静比对Q-S曲线Fig.4Q-S curve for dynamic and static comparison of No.1-SZ3005101520F图5 1-SZ3号高应变拟合轴力分布曲线Fig.5IDistribution curve for high strain fitting axial force ofNo.1-SZ3表4 高应变试验结果Table 4High-strain test resultskN平均侧阻/kPa200154.5197151.9194652.42 03354.3214849.1荷载/kN轴力/kN10002.000端阻占比/极限端阻力标kN%51220.458622.961424.084729.457421.13000准值qpk/kPa3392388240675 611380240002662至劲性复合桩极限承载力预估2.1高应变法预估极限承载力本工程M桩水泥掺量为15%，静载试验后对其进行了通长取芯检测，如图6 所示。选取1组芯样，进行了无侧限抗压试验，抗压强度分别为0.8 6 MPa、1.05MPa、1.2 2 M P a。结合文献 5 、6 和图3，水泥土桩和芯桩界面的极限摩阻力大于水泥土桩和土界面的极限摩阻力，后者成为MC劲性复合桩极限侧摩阻力计算的控制因素。图6 4-SZ1号水泥土桩芯样照片Fig.6Core sample photo of No.4-SZ1 cement-soil pile图6 表示的是4-SZ1号M桩芯样照片，由图可知水泥土在-1、-3 和-5 层的软土层中成桩较好，在层黏土中成桩质量很差，可认为搅拌桩对该层土承载力改善作用不大，可用该层原状土物理力学指标进行桩端阻力的计算。将拟合得到的预制桩端阻力通过建筑桩基技术规范（JGJ94一2 0 0 8）13】反算即可得到极限端阻力标准值，如表4 所示，表中qpk即为极限端阻力标准值。将拟合得到的预制桩上部18 m已发挥平均侧阻力、端阻力代入规范 14 ，按式（1）进行承载力的计算。Quk=Uqsial,+qpk(A,+2,Ap1)式中：qsia为复合段第i土层水泥土桩侧阻力标准值，kPa；A;为空心桩桩端净面积；p为土塞效应系数，当桩端进入持力层深度大于5 倍管桩内径时取0.8，当小于5 倍时取0.16 倍入持力层深度与管桩内径的比值；qpk为极限端阻标准值，kPa。通过以上计算，本项目MC劲性复合桩极限承载力介于2 8 8 6 3 3 3 5 kN之间，计算极限端阻力介于4 0 2 6 6 6 kN之间，计算的桩端阻力占总极限地基处理承载力的11.1%17.2%。2.2省规程预估承载力劲性复合桩技术规程（DGJ32/TJ151一2013）14】采用的承载力计算方法如式（2）所示。R,=UZ5siqsal,+UZqsjal,+5pqpa1Ap1(2)(3)式中：Ra为劲性复合桩单桩竖向抗压承载力特征值，kN；U 为复合桩外芯桩身周长，m，按M桩设计桩径计算；li为劲性复合桩复合段第i土层厚度，m;为劲性复合桩非复合段第j土层厚度，m，短芯桩为芯桩桩端平面下8 d以内第j土层厚度；qsia为复合段第i土层水泥土桩侧阻力特征值，kPa；q s j a 为非复合段第j土层侧阻力特征值，kPa；A p 1为劲性复合桩桩身截面积，m，按M桩设计桩径计算；si为复合段侧阻力调整系数；p为复合段端阻力调整系数。按式（2）和（3）进行承载力计算，当平均侧阻为12 kPa时，M桩桩身极限侧阻力即可达到2400kN，但极限端阻力却仅为15 2 kN，明显偏小，所以该规程对于持力层比较好的工况，承载力计算公式已不再适用。2.3改进的承载力预估公式基于以上分析，建议针对持力层比较好的工况，短芯或等芯MC劲性复合桩极限承载力估算时，侧阻计算可采用劲性复合桩技术规程（DGJ32/TJ151一2013）14 ，端阻计算采用建筑桩基技术规范（JGJ94一2 0 0 8）13 中管桩端阻的估算方法，即式（4：Quk=2UZ5si9sial+pk(A,+pAp1)(4)式中各参数的意义同前文，qpk可通过试验获得，如无法获得时可按经验取值。按此方法计算的端阻介于6 5 2 7 12 kN之间，比规范 14 效果明显改善，计算的极限承载力也和高应变拟合结果更接近。(1)3 结 论本文通过静载检测、取芯试验、高应变动静对比试验，开展了对硬土层中MC劲性复合桩竖向承载力计算的分析探讨，形成了以下结论：（1）在硬土层中MC劲性复合桩的单桩竖向承载力较常规预制桩依然优势明显，在一定的沉降水平下，复合桩的承载力甚至可能两倍于常规预制桩。2023年5 月Quk=2Ra第3 期(2）结合取芯检测可以得出，M桩成桩效果在软土中较好，芯样强度较高，可以将芯桩和水泥土看成一个整体，在硬土层中成桩效果较差，设计时可认为M桩承担侧阻力，C桩承担端阻力。（3）通过高应变动静对比分析，将拟合得到的预制桩端阻力、侧阻力，分别用于MC劲性复合桩的极限承载力的计算，可以取得不错的效果。（4）现行规范中MC劲性复合桩承载力的计算方法，主要针对软土考虑，不适用持力层较好的工况，基于此提出了承载力计算的改进方法。改进方法的计算结果更接近拟合承载力。限于各种原因，本项目MC劲性复合桩静载试验没有得出极限承载力，通过高应变进行动静对比试验反推的结果，虽然符合端承摩擦桩的承载规律，端阻力比例也在合理范围内，改进的承载力计算方法比规范方法更容易提高端阻，但准确性和普适性还需进一步验证。参考文献1郑刚，龚晓南，谢永利，等。地基处理技术发展综述 1土木工程学报,2 0 12,4 5(2):12 7-14 6.ZHENG Gang,GONG Xiao-nan,XIE Yong-li,et al.State-of-the-art techniques for ground improvement in China.China Civil Engineering Journal,2012,45(2):127-146.2 邓亚光，郑刚，陈昌富，等。劲性复合桩技术综述 施工技术,2 0 18,4 7(增刊4):2 6 2-2 6 4.DENG Ya-guang,ZHENG Gang,CHEN Chang-fu,et al.Review of SCM composite column pileJ.ConstructionTechnogy,2018,47(S4):262-264.3 李俊才，邓亚光，宋桂华，等.素混凝土劲性水泥土复合桩承载机理分析 .岩土力学,2 0 0 9,3 0(1):18 1-18 5.LI 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