不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验研究

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2013.09.020 第35卷第9期 北京科技大学学报 Vol.35 No.9 2013年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2013 不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验 研究 佟建兴☒，孙训海，杨新辉，罗鹏飞，间明礼 中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京100013 ☒通信作者，E-mail:tjxcabre@sina.com 摘要通过室内模型试验，实测得到碎石桩、夯实水泥土桩和C℉G桩复合地基桩土荷载分担比、桩土应力比和桩间 土深层变形，并对三类不同桩体材料复合地基的承载及变形性状进行了对比分析.认为碎石桩复合地基和夯实水泥土桩 复合地基均存在有效桩长或有效复合土层厚度：碎石桩桩长超过有效桩长，对提高复合地基承载力和压缩模量、减小变 形效果不明显，除一些特别情况如为处理可液化地基外，设计桩长可适当超过有效桩长，但不宜过长：夯实水泥土桩复 合地基的有效桩长与桩身强度相关性显著，应以桩身强度控制进行夯实水泥土桩桩体设计，使按桩身强度确定的单桩承 载力大于或等于由桩周土及桩端土的抗力所提供的单桩承载力：C℉G桩复合地基桩身强度高，桩体自身压缩性小，可 全桩长发挥侧阻作用，当桩端落在好的持力层时，能很好地发挥端阻，提高承载力，减小变形，设计时应优先选择好的 桩端持力层进行设计. 关键词复合地基：桩：承载能力：变形：模型试验 分类号TU472.3 Comparative experimental research on the bearing and deformation character of composite foundations with different pile materials Tong Jian-ring,Sun Xun-hai,Yang Xin-hui,Luo Peng-fei,Yan Ming-li Institute of Foundation Engineering,China Academy of Building Research,Beijing 100013,China Corresponding author,E-mail:tjxcabr@sina.com ABSTRACT The pile-soil load share ratio,pile-soil stress ratio and inter-pile soil deep-seated deformation of compos- ite foundations,which include sand-gravel columns,rammed soil-cement columns and CFG piles composite ground,were measured by indoor model test.The bearing and deformation character of composite foundations were comparatively analyzed between the pile materials.An effective pile length or effective composite soil thickness exists in composite foundations with sand-gravel columns and rammed soil-cement columns.When the pile length of sand-gravel columns exceeds the effective pile length,the effect of improving the load bearing capacity,increasing the compression modulus, and decreasing the deformation is not obvious.It is inadvisable to design the pile length exceeding the effective pile length,except for treating liquefiable foundations,but the sand-gravel columns should not be too long.There is a significant correlation between the effective pile length of rammed soil-cement columns and the compressive strength of pile body;the design of pile body is dependent on the pile strength,and the load bearing capacity of a single pile derived from the pile strength should be not less than that provided by the resistance of soil around piles and pile-end soil.The CFG piles have high pile strength and small compression,and the side resistance can play along the whole pile length.The tip resistance works well when the pile tip penetrating into a good bearing layer.It is advisable to prioritize selecting a good pile-tip bearing layer for design. KEY WORDS composite foundation;piles;load bearing capacity;deformation;model test 收稿日期：2013-06-12 基金项目：住房与城乡建设部研究开发项目“刚性桩复合地基变厚径比设计试验研究”(2009-k3-14)

第 35 卷 第 9 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 9 2013 年 9 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep. 2013 不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验 研究 佟建兴 ，孙训海，杨新辉，罗鹏飞，闫明礼 中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013 通信作者，E-mail: tjxcabr@sina.com 摘 要 通过室内模型试验，实测得到碎石桩、夯实水泥土桩和 CFG 桩复合地基桩土荷载分担比、桩土应力比和桩间 土深层变形，并对三类不同桩体材料复合地基的承载及变形性状进行了对比分析. 认为碎石桩复合地基和夯实水泥土桩 复合地基均存在有效桩长或有效复合土层厚度；碎石桩桩长超过有效桩长，对提高复合地基承载力和压缩模量、减小变 形效果不明显，除一些特别情况如为处理可液化地基外，设计桩长可适当超过有效桩长，但不宜过长；夯实水泥土桩复 合地基的有效桩长与桩身强度相关性显著，应以桩身强度控制进行夯实水泥土桩桩体设计，使按桩身强度确定的单桩承 载力大于或等于由桩周土及桩端土的抗力所提供的单桩承载力；CFG 桩复合地基桩身强度高，桩体自身压缩性小，可 全桩长发挥侧阻作用，当桩端落在好的持力层时，能很好地发挥端阻，提高承载力，减小变形，设计时应优先选择好的 桩端持力层进行设计. 关键词 复合地基；桩；承载能力；变形；模型试验 分类号 TU472.3 Comparative experimental research on the bearing and deformation character of composite foundations with different pile materials Tong Jian-xing , Sun Xun-hai, Yang Xin-hui, Luo Peng-fei, Yan Ming-li Institute of Foundation Engineering, China Academy of Building Research, Beijing 100013, China Corresponding author, E-mail: tjxcabr@sina.com ABSTRACT The pile-soil load share ratio, pile-soil stress ratio and inter-pile soil deep-seated deformation of compos￾ite foundations, which include sand-gravel columns, rammed soil-cement columns and CFG piles composite ground, were measured by indoor model test. The bearing and deformation character of composite foundations were comparatively analyzed between the pile materials. An effective pile length or effective composite soil thickness exists in composite foundations with sand-gravel columns and rammed soil-cement columns. When the pile length of sand-gravel columns exceeds the effective pile length, the effect of improving the load bearing capacity, increasing the compression modulus, and decreasing the deformation is not obvious. It is inadvisable to design the pile length exceeding the effective pile length, except for treating liquefiable foundations, but the sand-gravel columns should not be too long. There is a significant correlation between the effective pile length of rammed soil-cement columns and the compressive strength of pile body; the design of pile body is dependent on the pile strength, and the load bearing capacity of a single pile derived from the pile strength should be not less than that provided by the resistance of soil around piles and pile-end soil. The CFG piles have high pile strength and small compression, and the side resistance can play along the whole pile length. The tip resistance works well when the pile tip penetrating into a good bearing layer. It is advisable to prioritize selecting a good pile-tip bearing layer for design. KEY WORDS composite foundation; piles; load bearing capacity; deformation; model test 收稿日期：2013-06-12 基金项目：住房与城乡建设部研究开发项目 “刚性桩复合地基变厚径比设计试验研究”(2009-k3-14) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.09.020

.1242 北京科技大学学报 第35卷 复合地基是一门起步较晚的地基处理技术，是 地基和混凝土类桩复合地基为研究对象，并以碎石 指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向 桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基及C℉G桩复 增强体共同承担荷载的人工地基四.1962年，国际 合地基为例，通过室内模型试验1-14，实测得到 上首次出现了复合地基(composite foundation)概 在文中试验条件下，以上三类不同桩体材料桩复合 念，1990年中国建筑学会地基基础专业委员会在黄 地基的桩土应力比、荷载分担比及变形性状，研究 熙龄院士主持下在承德召开了我国第一次以复合地 探讨复合地基桩体材料与桩土承载和变形性状相关 基为专题的学术讨论会.随着城市化的快速发展， 关系问题， 工程建设规模不断扩矿大，复合地基技术在我国得到 1模型试验概述 了广泛的应用和发展，产生了巨大的经济效益、社 会效益和环境效益② 试验地点为中国建筑科学研究院建筑安全与 复合地基在地基处理中应用的桩型不下十几 环境国家重点实验室地基基础模型实验室.模型试 种，从不同的角度出发，可有多种分类方法.基于 验分为第I组和第Ⅱ组两组：第I组模型试验包括 试验研究和工程应用方面的考虑，按桩体材料分类， 3台碎石桩单桩复合地基载荷试验、3台夯实水泥 可分为散体土类桩复合地基、水泥土类桩复合地基 土桩单桩复合地基载荷试验、2台CFG桩四桩复合 和混凝土类桩复合地基-3).散体土类桩复合地基 地基载荷试验、16台单桩载荷试验和1台天然地基 有砂（砂石）桩、碎石桩等复合地基：水泥土类桩 载荷试验；第Ⅱ组模型试验包括3台CFG桩四桩 复合地基有水泥土搅拌桩、旋喷桩、夯实水泥土桩 复合地基载荷试验、6台单桩载荷试验和1台天然 等复合地基：混凝土类桩复合地基有C℉G桩、树 地基载荷试验，模型桩比尺为1：3. 根桩等复合地基.相关学者针对散体土类桩复合地 采用人工填土地基，模型试验坑填土深度为 基、水泥土类桩复合地基和混凝土类桩复合地基做 3.0m,其下为原状土层，填土为黏质粉土，过筛分 了大量专项研究工作2-10.复合地基传递竖向荷 层回填，采用木夯分层夯实，含水量按17%（质量分 载和控制地基土变形的能力，与桩体材料黏结强度 数)控制.第I组模型试验人工填土每层虚铺厚度为 密切相关，桩体材料黏结强度越大，桩体传递垂直 25cm,夯实至20cm,第Ⅱ组模型试验人工填土每 荷载的能力越强，减小地基土变形的效果越显著. 层虚铺厚度为30cm,夯实至25cm.两组模型试验 本文以散体土类桩复合地基、水泥土类桩复合 的人工填土和原状土层的物理力学指标见表1. 表1土的基本物理力学性质 Table 1 Basic physical and mechanical properties of soil 分组深度/m比重， 密度， 干密度， 水质量分数，孔隙比，液限，塑限，塑性指数 压缩系数，压缩模量 土性 G p/(g.cm-3)Pa/(g.cm-3) 世/% e Wi/%Wp/%Ip/%a1-2/MPa-1 Es/MPa 第I组0.03.02.7 1.89 1.58 15.1 0.64226.016.7 9.4 0.19 7.99 黏质粉土 3.05.02.7 1.99 1.73 15.6 0.56528.617.6 11.0 0.12 12.71 粉质黏土 第Ⅱ组0.03.02.7 1.83 1.58 15.8 0.71325.716.9 8.8 0.28 6.58 黏质粉土 3.03.52.7 2.02 1.67 21.2 0.62024.816.2 8.6 0.13 12.46黏质粉土 模型桩桩径均为150mm,采用人工洛阳铲成 Ⅱ组CFG桩桩长分别为1.2m、2.4m和3.6m,桩 孔.碎石桩桩身材料为525mm碎石，桩长分别为 身混凝土强度等级为C25,采用商品混凝土，复合 1.5m、2.5m和3.5m,洛阳铲成孔后，对孔底夯 地基桩间距为0.525m(3.5倍桩径)，正方形布桩， 实，分层回填碎石并用夯锤夯实成桩.夯实水泥土 洛阳铲成孔后，对孔底夯实，灌注混凝土并用振捣 桩桩长分别为1.5m、2.5m和3.5m,拌合土采用 棒捣实成桩，养护龄期为28d.复合地基褥垫层材 黏质粉土，水泥采用标号P.032.5水泥，水泥土拌 料采用中、粗砂，夯填度按0.85控制，碎石桩复合 合料含水量按17%（质量分数）控制，水泥土配合比 地基、夯实水泥土桩复合地基、第I组C℉G桩复 的体积比为1：4（水泥：土），搅拌均匀，洛阳铲成孔 合地基以及第Ⅱ组CFG桩复合地基褥垫层厚度分 后，对孔底夯实，分层回填水泥土拌合料，采用质 别为5cm、8cm、10cm和7.5cm.褥垫层铺设前在 量为15kg的夯锤夯实成桩，落距为0.6m,分层回 复合地基桩顶及桩间土埋设振弦式压力盒，量测桩 填厚度为20cm,每层夯实击数为30击，养护龄期为 顶及桩间土应力，采用刚性变形标量测桩及桩间土 70d.第I组CFG桩桩长分别为1.6m和3.2m,第 变形，土变形标埋设深度为士0、-0.5m、-1.5m

· 1242 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 复合地基是一门起步较晚的地基处理技术，是 指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向 增强体共同承担荷载的人工地基 [1]. 1962 年，国际 上首次出现了复合地基 (composite foundation) 概 念，1990 年中国建筑学会地基基础专业委员会在黄 熙龄院士主持下在承德召开了我国第一次以复合地 基为专题的学术讨论会. 随着城市化的快速发展， 工程建设规模不断扩大，复合地基技术在我国得到 了广泛的应用和发展，产生了巨大的经济效益、社 会效益和环境效益 [2] . 复合地基在地基处理中应用的桩型不下十几 种，从不同的角度出发，可有多种分类方法. 基于 试验研究和工程应用方面的考虑，按桩体材料分类， 可分为散体土类桩复合地基、水泥土类桩复合地基 和混凝土类桩复合地基 [1−3] . 散体土类桩复合地基 有砂 (砂石) 桩、碎石桩等复合地基；水泥土类桩 复合地基有水泥土搅拌桩、旋喷桩、夯实水泥土桩 等复合地基；混凝土类桩复合地基有 CFG 桩、树 根桩等复合地基. 相关学者针对散体土类桩复合地 基、水泥土类桩复合地基和混凝土类桩复合地基做 了大量专项研究工作 [2−10] . 复合地基传递竖向荷 载和控制地基土变形的能力，与桩体材料黏结强度 密切相关，桩体材料黏结强度越大，桩体传递垂直 荷载的能力越强，减小地基土变形的效果越显著. 本文以散体土类桩复合地基、水泥土类桩复合 地基和混凝土类桩复合地基为研究对象，并以碎石 桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基及 CFG 桩复 合地基为例，通过室内模型试验 [11−14]，实测得到 在文中试验条件下，以上三类不同桩体材料桩复合 地基的桩土应力比、荷载分担比及变形性状，研究 探讨复合地基桩体材料与桩土承载和变形性状相关 关系问题. 1 模型试验概述 试验地点为中国建筑科学研究院建筑安全与 环境国家重点实验室地基基础模型实验室. 模型试 验分为第Ⅰ组和第Ⅱ组两组：第Ⅰ组模型试验包括 3 台碎石桩单桩复合地基载荷试验、3 台夯实水泥 土桩单桩复合地基载荷试验、2 台 CFG 桩四桩复合 地基载荷试验、16 台单桩载荷试验和 1 台天然地基 载荷试验；第Ⅱ组模型试验包括 3 台 CFG 桩四桩 复合地基载荷试验、6 台单桩载荷试验和 1 台天然 地基载荷试验，模型桩比尺为 1:3. 采用人工填土地基， 模型试验坑填土深度为 3.0 m，其下为原状土层，填土为黏质粉土，过筛分 层回填，采用木夯分层夯实，含水量按 17% (质量分 数) 控制. 第Ⅰ组模型试验人工填土每层虚铺厚度为 25 cm，夯实至 20 cm，第Ⅱ组模型试验人工填土每 层虚铺厚度为 30 cm，夯实至 25 cm. 两组模型试验 的人工填土和原状土层的物理力学指标见表 1. 表 1 土的基本物理力学性质 Table 1 Basic physical and mechanical properties of soil 分组 深度/m 比重, 密度, 干密度, 水质量分数, 孔隙比, 液限, 塑限, 塑性指数, 压缩系数, 压缩模量, 土性 G ρ/(g·cm−3 ) ρd/(g·cm−3 ) w/% e Wl/% Wp/% Ip/% α1−2/ MPa−1 Es/ MPa 第Ⅰ组 0.0∼3.0 2.7 1.89 1.58 15.1 0.642 26.0 16.7 9.4 0.19 7.99 黏质粉土 3.0∼5.0 2.7 1.99 1.73 15.6 0.565 28.6 17.6 11.0 0.12 12.71 粉质黏土 第Ⅱ组 0.0∼3.0 2.7 1.83 1.58 15.8 0.713 25.7 16.9 8.8 0.28 6.58 黏质粉土 3.0∼3.5 2.7 2.02 1.67 21.2 0.620 24.8 16.2 8.6 0.13 12.46 黏质粉土 模型桩桩径均为 150 mm，采用人工洛阳铲成 孔. 碎石桩桩身材料为 5∼25 mm 碎石，桩长分别为 1.5 m、2.5 m 和 3.5 m，洛阳铲成孔后，对孔底夯 实，分层回填碎石并用夯锤夯实成桩. 夯实水泥土 桩桩长分别为 1.5 m、2.5 m 和 3.5 m，拌合土采用 黏质粉土，水泥采用标号 P.O 32.5 水泥，水泥土拌 合料含水量按 17% (质量分数) 控制，水泥土配合比 的体积比为 1:4(水泥: 土)，搅拌均匀，洛阳铲成孔 后，对孔底夯实，分层回填水泥土拌合料，采用质 量为15 kg 的夯锤夯实成桩，落距为 0.6 m，分层回 填厚度为 20 cm，每层夯实击数为 30 击，养护龄期为 70 d. 第Ⅰ组 CFG 桩桩长分别为 1.6 m 和 3.2 m，第 Ⅱ组 CFG 桩桩长分别为 1.2 m、2.4 m 和 3.6 m，桩 身混凝土强度等级为 C25，采用商品混凝土，复合 地基桩间距为 0.525 m (3.5 倍桩径)，正方形布桩， 洛阳铲成孔后，对孔底夯实，灌注混凝土并用振捣 棒捣实成桩，养护龄期为 28 d. 复合地基褥垫层材 料采用中、粗砂，夯填度按 0.85 控制，碎石桩复合 地基、夯实水泥土桩复合地基、第Ⅰ组 CFG 桩复 合地基以及第Ⅱ组 CFG 桩复合地基褥垫层厚度分 别为 5 cm、8 cm、10 cm 和 7.5 cm. 褥垫层铺设前在 复合地基桩顶及桩间土埋设振弦式压力盒，量测桩 顶及桩间土应力，采用刚性变形标量测桩及桩间土 变形，土变形标埋设深度为 ±0、−0.5 m、−1.5 m

第9期 佟建兴等：不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验研究 .1243· -2.5m和-3.5m,桩顶标放置于桩顶表面.褥垫层 铺设完成后，承压板就位.首先对各单桩及天然地 2-3.5m 基逐一进行加载试验，直至破坏，最后进行复合地 爵 基载荷试验，用数据采集仪采集试验数据.单桩复 -0.5m 土表标 合地基及四桩复合地基压力盒平面布置分别见图1 和图2，单桩复合地基及四桩复合地基刚性变形标 -1.5血 2-0.5m 越标1-为” 2-2.5m) 平面布置分别见图3和图4，试验主要内容及参数 见表2. 心土表标 525 1-2.5m 2-1.5y 211 328 197 197 328 图3单桩复合地基试验变形标平面布置（单位：mm) Fig.3 Deformation standard plane layout of single pile com- posite foundation test (unit:mm) ① 131.25131.25 262.5 3-2.5m 2-3.5m ○桩 ▲桩顶压力盒 △桩间土压力盒 桩顶标 图1单桩复合地基试验压力盒平面布置（单位：mm) Fig.1 Pressure box plane layout of single pile composite 3-1.5m foundation test (unit:mm) 1-2.5m 1050 桩顶标 22181 3-0.5m 394 263 197197263 394 图4四桩复合地基试验变形标平面布置（单位：mm) △ Fig.4 Deformation standard plane layout of four-pile com posite foundation test (unit:mm) Q/kN k262.5262.5262.5262.5 10 20 30 40 50607080 O桩△桩顶压力盒△桩间土压力盒 图2四桩复合地基试验压力盒平面布置（单位：mm) 20 Fig.2 Pressure box plane layout of four-pile composite foun- dation test (unit:mm) 30 40 2试验结果分析 云50 2.1单桩、复合地基承载力对比分析 % 图5和图6为单桩荷载试验中荷载-沉降量 70 曲线(Q-s曲线)，表3为单桩承载力特征值.由表3 80 ★1.5m碎石桩◆2.5m碎石桩◆3.5m碎石桩 e-1.5m水泥土桩±2.5m水泥土桩。-3.5m水泥土桩 可以看出，桩长由1.5m增加至2.5m和3.5m,碎 90L米-1.6mCFG桩一3.2mCPG桩 石桩单桩承载力特征值提高幅度很小，三种桩长碎 图5单桩Q-s曲线（第1组） 石桩单桩承载力特征值相当.夯实水泥土桩桩长由 Fig.5 Q-s curves of single piles (the first group)

第 9 期 佟建兴等：不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验研究 1243 ·· −2.5 m 和 −3.5 m，桩顶标放置于桩顶表面. 褥垫层 铺设完成后，承压板就位. 首先对各单桩及天然地 基逐一进行加载试验，直至破坏，最后进行复合地 基载荷试验，用数据采集仪采集试验数据. 单桩复 合地基及四桩复合地基压力盒平面布置分别见图 1 和图 2，单桩复合地基及四桩复合地基刚性变形标 平面布置分别见图 3 和图 4，试验主要内容及参数 见表 2. 图 1 单桩复合地基试验压力盒平面布置 (单位：mm) Fig.1 Pressure box plane layout of single pile composite foundation test (unit: mm) 图 2 四桩复合地基试验压力盒平面布置 (单位：mm) Fig.2 Pressure box plane layout of four-pile composite foun￾dation test (unit: mm) 2 试验结果分析 2.1 单桩、复合地基承载力对比分析 图 5 和图 6 为单桩荷载试验中荷载 – 沉降量 曲线 (Q-s 曲线)，表 3 为单桩承载力特征值. 由表 3 可以看出，桩长由 1.5 m 增加至 2.5 m 和 3.5 m，碎 石桩单桩承载力特征值提高幅度很小，三种桩长碎 石桩单桩承载力特征值相当. 夯实水泥土桩桩长由 图 3 单桩复合地基试验变形标平面布置 (单位：mm) Fig.3 Deformation standard plane layout of single pile com￾posite foundation test (unit: mm) 图 4 四桩复合地基试验变形标平面布置 (单位：mm) Fig.4 Deformation standard plane layout of four-pile com￾posite foundation test (unit: mm) 图 5 单桩 Q-s 曲线 (第Ⅰ组) Fig.5 Q-s curves of single piles (the first group)

·1244 北京科技大学学报 第35卷 表2模型试验主要内容及参数 Table 2 Contents and parameters of model test 分组 试验分类 试验编号 试验类型 承压板尺寸/m 桩长/m 天然地基 4-2# 天然地基 1.575×1.575 3-4#3-9# 碎石桩单桩 1.5,2.5,3.5 单桩 2-4#2-9# 夯实水泥土桩单桩 1.5,2.5,3.5 第I组 1-8#1-11# CFG桩单桩 1.6.3.2 碎石桩复合地基 3-1#,3-2#,3-3# 单桩复合地基 0.525×0.525 1.5,2.5,3.5 夯实水泥土桩复合地基 2-1#,2-2#,2-3# 单桩复合地基 0.525×0.525 1.5.2.5,3.5 CFG桩复合地基 1-1#,1-2# 四桩复合地基 1.05×1.05 1.6.3.2 天然地基 10# 天然地基 1.05×1.05 第Ⅱ组 单桩 1#6# CFG桩单桩 1.2,2.4,3.6 CFG桩复合地基 7#,8#,9# 四桩复合地基 1.05×1.05 1.2,2.4,3.6 Q/kN s/b=0.01(b为承载板宽度)确定地基承载力特征值 20 40 80 100120 见表4，第I组模型试验天然地基承载力特征值为 110kPa,第Ⅱ组模型试验天然地基承载力特征值为 10 73 kPa. p/kPa 15 100 200 300 400 500600 20 10 20 30 30 35 ◆1.2mCFG桩 e-2.4mCFG桩 50 -3.6mCFG桩 45 图6单桩Q-s曲线（第Ⅱ组） 80 .-1.5m碎石桩-2.5m碎石桩◆一3.5m碎石桩 Fig.6 Q-s curves of single piles (the second group) 90 e-1.5m水泥土桩合-2.5m水泥土桩合3.5m水泥土桩 ◆-1.6mCFG桩-3.2mCFG桩-天然地基 100 表3单桩承载力特征值 Table 3 Characteristic values of bearing capacity of single 图7天然地基和复合地基p-s曲线（第I组） Fig.7 p-s curves of natural and composite foundations (the piles kN first group) 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG桩 CFG桩 P/kPa 泥土桩 (第I组) (第Ⅱ组) 100 200 300400 500600700 1.5(1.6/1.2) 11 21 12.5 9 2.5(2.4) 12 31.5 12.5 10 3.5(3.2/3.6) 12 28 25 32 20 注：表中括弧内分别为两组CFG桩桩长 0 40 1.5m增加至2.5m,单桩承载力特征值增大，桩长 m 50 由2.5m增加至3.5m,尽管桩长为3.5m的夯实水 60 泥土桩桩端进入端阻力相对较高的原状土层，但二 者单桩承载力特征值相当.CFG桩单桩承载力特征 70 ◆一1.2mCFG桩 值随桩长增加而增大，桩长为3.6m的CFG桩桩 80 日-2,4mCFG桩 端进入端阻力相对较高的原状土层，其单桩承载力 90 -t-3.6mCFG桩 一天然地基 特征值明显高于桩长为1.2m和2.4m的CFG桩. 100 天然地基及复合地基荷载试验中荷载-沉降 图8天然地基和复合地基P-s曲线（第Ⅱ组） Fig.8 p-s curves of natural and composite foundations (the 量曲线(p-s)曲线见图7和图8，按相对变形值 second group)

· 1244 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 表 2 模型试验主要内容及参数 Table 2 Contents and parameters of model test 分组 试验分类 试验编号 试验类型 承压板尺寸/m2 桩长/m 第Ⅰ组 天然地基 4-2# 天然地基 1.575×1.575 — 单桩 3-4#∼3-9# 碎石桩单桩 — 1.5, 2.5, 3.5 2-4#∼2-9# 夯实水泥土桩单桩 — 1.5, 2.5, 3.5 1-8#∼1-11# CFG 桩单桩 — 1.6, 3.2 碎石桩复合地基 3-1#, 3-2#, 3-3# 单桩复合地基 0.525×0.525 1.5, 2.5, 3.5 夯实水泥土桩复合地基 2-1#, 2-2#, 2-3# 单桩复合地基 0.525×0.525 1.5, 2.5, 3.5 CFG 桩复合地基 1-1#, 1-2# 四桩复合地基 1.05×1.05 1.6, 3.2 第Ⅱ组 天然地基 10# 天然地基 1.05×1.05 — 单桩 1#∼6# CFG 桩单桩 — 1.2, 2.4, 3.6 CFG 桩复合地基 7#, 8#, 9# 四桩复合地基 1.05×1.05 1.2, 2.4, 3.6 图 6 单桩 Q-s 曲线 (第Ⅱ组) Fig.6 Q-s curves of single piles (the second group) 表 3 单桩承载力特征值 Table 3 Characteristic values of bearing capacity of single piles kN 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG 桩 CFG 桩 泥土桩 (第Ⅰ组) (第Ⅱ组) 1.5 (1.6/1.2) 11 21 12.5 9 2.5 (2.4) 12 31.5 — 12.5 3.5 (3.2/3.6) 12 28 25 32 注：表中括弧内分别为两组 CFG 桩桩长 1.5 m 增加至 2.5 m，单桩承载力特征值增大，桩长 由 2.5 m 增加至 3.5 m，尽管桩长为 3.5 m 的夯实水 泥土桩桩端进入端阻力相对较高的原状土层，但二 者单桩承载力特征值相当. CFG 桩单桩承载力特征 值随桩长增加而增大，桩长为 3.6 m 的 CFG 桩桩 端进入端阻力相对较高的原状土层，其单桩承载力 特征值明显高于桩长为 1.2 m 和 2.4 m 的 CFG桩. 天然地基及复合地基荷载试验中荷载 – 沉降 量曲线 (p-s) 曲线见图 7 和图 8，按相对变形值 s/b=0.01 (b 为承载板宽度) 确定地基承载力特征值 见表 4，第Ⅰ组模型试验天然地基承载力特征值为 110 kPa，第Ⅱ组模型试验天然地基承载力特征值为 73 kPa. 图 7 天然地基和复合地基 p-s 曲线 (第Ⅰ组) Fig.7 p-s curves of natural and composite foundations (the first group) 图 8 天然地基和复合地基 p-s 曲线 (第Ⅱ组) Fig.8 p-s curves of natural and composite foundations (the second group)

第9期 佟建兴等：不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验研究 1245· 由表4可以看出，三种不同桩体材料复合地基 2.4m和3.6m,桩土应力比、桩荷载分担比随桩长 承载力与桩长相关关系，同单桩承载力相似.桩长 增加而增大，且桩长由2.4m增加至3.6m,桩土应 由1.5m增加至2.5m和3.5m,碎石桩复合地基承 力比、桩荷载分担比显著增大.此外，当复合地基达 载力特征值提高幅度并不是很大.夯实水泥土桩复 到其承载力特征值时，给定桩长条件下，桩身强度 合地基桩长由1.5m增加至2.5m,复合地基承载 与桩土应力比和桩荷载分担比相关性明显，桩身黏 力特征值增大，桩长由2.5m增加至3.5m,尽管桩 结强度越高，桩土应力比和桩荷载分担比越大 长为3.5m的夯实水泥土桩桩端进入端阻力相对较 表5达到复合地基承载力特征值时桩土应力比 高的原状土层，但二者复合地基承载力特征值基本 Table 5 Pile-soil stress ratios when the load reaching the 相当.CFG桩复合地基承载力特征值随桩长增加而 bearing capacity characteristic values of composite ground 增大，桩长为3.6m的CG桩复合地基桩端进入 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG桩CFG桩 端阻力相对较高的原状土层，其复合地基承载力特 泥土桩 (第I组) (第Ⅱ组) 征值明显高于桩长为1.2m和2.4m的CFG桩复 1.5(1.6/1.2) 1.60 3.75 4.2 6.94 2.5(2.4) 1.69 4.81 8.82 合地基 3.5(3.2/3.6) 1.76 4.81 7.6 20.80 表4复合地基承载力特征值 Table 4 Characteristic values of bearing capacity of com- 表6达到复合地基承载力特征值时桩荷载分担比 posite foundations kPa Table 6 Pile-soil load share ratios when the load reach- ing the characteristic value of bearing capacity of composite 碎石桩 夯实水 CFG桩 CFG桩 桩长/m 泥土桩（第I组）（第Ⅱ组） ground 1.5(1.6/1.2) 152 200 138 95 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG桩 CFG桩 2.5(2.4) 163 235 110 泥土桩 (第I组) (第Ⅱ组) 3.5(3.2/3.6) 176 235 182 173 1.5(1.6/1.2) 9.90 21.01 23.60 32.12 2.5(2.4) 10.36 25.26 37.64 3.5(3.2/3.6) 12.31 24.96 38.00 58.37 即碎石桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基均 存在有效桩长.碎石桩复合地基桩身黏结强度很低， 2.3 不同桩体材料复合地基变形对比分析 依靠桩周土的约束作用形成桩体，其传递垂直荷载 图9为荷载p=245kPa时，不同桩长碎石桩复 的能力与桩周土的侧向约束能力密切相关，桩周土 合地基中土的深层变形等值线图.可以看出：桩长 对桩体围压越大，桩体传递垂直荷载的能力越强 由1.5m增加至2.5m,碎石桩复合地基复合土层 夯实水泥土桩为中等黏结强度桩，依靠桩体自身黏 厚度增大，地基土变形量减小：当碎石桩桩长继续 结强度形成桩体，其传递垂直荷载的能力同桩身强 增加，由2.5m增加至3.5m,尽管复合土层厚度相 度和桩周土的约束能力密切相关，桩体传递垂直荷 应增大，但地基土变形量并未明显减小.碎石桩复 载的能力高于碎石桩.C℉G桩为高黏结强度桩，其 合地基的变形区均主要集中在1.5m深度范围内， 单桩承载力、复合地基承载力与桩长相关性显著， 超过2.5m深度范围后，地基土变形显著降低.即 随桩长增加而增大，桩体传递垂直荷载的能力最强. 在本次试验条件下，当桩长大于2.5m后，增加桩 2.2桩土应力比及桩荷载分担比对比分析 长对减小碎石桩复合地基变形量效果并不明显. 表5为复合地基达到其承载力特征值时各不同 图10为荷载水平相当时(p=245270kPa),不 桩体材料复合地基桩土应力比.表6为复合地基达 同桩长夯实水泥土桩复合地基中土的深层变形等值 到其承载力特征值时各不同桩体材料复合地基桩土 线图.可以看出，上述荷载水平下，变形区均主要 荷载分担比 集中在2.5m深度范围内.在相当荷载水平下，给 当复合地基达到其承载力特征值时，由表5和 定桩身强度时，相同深度位置处，桩长为1.5m的 表6可知，桩长分别为1.5m、2.5m和3.5m的 夯实水泥土桩复合地基的变形量高于桩长为2.5m 碎石桩复合地基的桩土应力比、荷载分担比基本相 和3.5m夯实水泥土桩复合地基，而桩长为2.5m 差不大.夯实水泥土桩复合地基桩长由1.5m增加 和3.5m夯实水泥土桩复合地基的变形量则相差不 至2.5m和3.5m,桩土应力比、桩荷载分担比随 大.即桩长由1.5m增加至2.5m,夯实水泥土桩复 桩长增加而增大，且桩长为2.5m和3.5m的夯实 合地基复合土层厚度增大，变形量减小.当夯实水 水泥土桩复合地基，二者桩土应力比、桩荷载分担 泥土桩桩长继续增加，由2.5m增加至3.5m,尽管 比基本相当.CFG桩复合地基桩长由1.2m增加至 复合土层厚度相应增大，但对减小地基土变形量效

第 9 期 佟建兴等：不同桩体材料复合地基承载及变形性状对比试验研究 1245 ·· 由表 4 可以看出，三种不同桩体材料复合地基 承载力与桩长相关关系，同单桩承载力相似. 桩长 由 1.5 m 增加至 2.5 m 和 3.5 m，碎石桩复合地基承 载力特征值提高幅度并不是很大. 夯实水泥土桩复 合地基桩长由 1.5 m 增加至 2.5 m，复合地基承载 力特征值增大，桩长由 2.5 m 增加至 3.5 m，尽管桩 长为 3.5 m 的夯实水泥土桩桩端进入端阻力相对较 高的原状土层，但二者复合地基承载力特征值基本 相当. CFG 桩复合地基承载力特征值随桩长增加而 增大，桩长为 3.6 m 的 CFG 桩复合地基桩端进入 端阻力相对较高的原状土层，其复合地基承载力特 征值明显高于桩长为 1.2 m 和 2.4 m 的 CFG 桩复 合地基. 表 4 复合地基承载力特征值 Table 4 Characteristic values of bearing capacity of com￾posite foundations kPa 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG 桩 CFG 桩 泥土桩 (第Ⅰ组) (第Ⅱ组) 1.5 (1.6/1.2) 152 200 138 95 2.5 (2.4) 163 235 — 110 3.5 (3.2/3.6) 176 235 182 173 即碎石桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基均 存在有效桩长. 碎石桩复合地基桩身黏结强度很低， 依靠桩周土的约束作用形成桩体，其传递垂直荷载 的能力与桩周土的侧向约束能力密切相关，桩周土 对桩体围压越大，桩体传递垂直荷载的能力越强. 夯实水泥土桩为中等黏结强度桩，依靠桩体自身黏 结强度形成桩体，其传递垂直荷载的能力同桩身强 度和桩周土的约束能力密切相关，桩体传递垂直荷 载的能力高于碎石桩. CFG 桩为高黏结强度桩，其 单桩承载力、复合地基承载力与桩长相关性显著， 随桩长增加而增大，桩体传递垂直荷载的能力最强. 2.2 桩土应力比及桩荷载分担比对比分析 表 5 为复合地基达到其承载力特征值时各不同 桩体材料复合地基桩土应力比. 表 6 为复合地基达 到其承载力特征值时各不同桩体材料复合地基桩土 荷载分担比. 当复合地基达到其承载力特征值时，由表 5 和 表 6 可知，桩长分别为 1.5 m、2.5 m 和 3.5 m 的 碎石桩复合地基的桩土应力比、荷载分担比基本相 差不大. 夯实水泥土桩复合地基桩长由 1.5 m 增加 至 2.5 m 和 3.5 m，桩土应力比、桩荷载分担比随 桩长增加而增大，且桩长为 2.5 m 和 3.5 m 的夯实 水泥土桩复合地基，二者桩土应力比、桩荷载分担 比基本相当. CFG 桩复合地基桩长由 1.2 m 增加至 2.4 m 和 3.6 m，桩土应力比、桩荷载分担比随桩长 增加而增大，且桩长由 2.4 m 增加至 3.6 m，桩土应 力比、桩荷载分担比显著增大. 此外，当复合地基达 到其承载力特征值时，给定桩长条件下，桩身强度 与桩土应力比和桩荷载分担比相关性明显，桩身黏 结强度越高，桩土应力比和桩荷载分担比越大. 表 5 达到复合地基承载力特征值时桩土应力比 Table 5 Pile-soil stress ratios when the load reaching the bearing capacity characteristic values of composite ground 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG 桩 CFG 桩 泥土桩 (第Ⅰ组) (第Ⅱ组) 1.5 (1.6/1.2) 1.60 3.75 4.2 6.94 2.5 (2.4) 1.69 4.81 — 8.82 3.5 (3.2/3.6) 1.76 4.81 7.6 20.80 表 6 达到复合地基承载力特征值时桩荷载分担比 Table 6 Pile-soil load share ratios when the load reach￾ing the characteristic value of bearing capacity of composite ground 桩长/m 碎石桩 夯实水 CFG 桩 CFG 桩 泥土桩 (第Ⅰ组) (第Ⅱ组) 1.5 (1.6/1.2) 9.90 21.01 23.60 32.12 2.5 (2.4) 10.36 25.26 — 37.64 3.5 (3.2/3.6) 12.31 24.96 38.00 58.37 2.3 不同桩体材料复合地基变形对比分析 图 9 为荷载 p=245 kPa 时，不同桩长碎石桩复 合地基中土的深层变形等值线图. 可以看出：桩长 由 1.5 m 增加至 2.5 m，碎石桩复合地基复合土层 厚度增大，地基土变形量减小；当碎石桩桩长继续 增加，由 2.5 m 增加至 3.5 m，尽管复合土层厚度相 应增大，但地基土变形量并未明显减小. 碎石桩复 合地基的变形区均主要集中在 1.5 m 深度范围内， 超过 2.5 m 深度范围后，地基土变形显著降低. 即 在本次试验条件下，当桩长大于 2.5 m 后，增加桩 长对减小碎石桩复合地基变形量效果并不明显. 图 10 为荷载水平相当时 (p=245∼270 kPa)，不 同桩长夯实水泥土桩复合地基中土的深层变形等值 线图. 可以看出，上述荷载水平下，变形区均主要 集中在 2.5 m 深度范围内. 在相当荷载水平下，给 定桩身强度时，相同深度位置处，桩长为 1.5 m 的 夯实水泥土桩复合地基的变形量高于桩长为 2.5 m 和 3.5 m 夯实水泥土桩复合地基，而桩长为 2.5 m 和 3.5 m 夯实水泥土桩复合地基的变形量则相差不 大. 即桩长由 1.5 m 增加至 2.5 m，夯实水泥土桩复 合地基复合土层厚度增大，变形量减小. 当夯实水 泥土桩桩长继续增加，由 2.5 m 增加至 3.5 m，尽管 复合土层厚度相应增大，但对减小地基土变形量效