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2006年2月 第 1期 总第 141期

中国港湾建设 China Harbour Engineering

Feb.,2006 Total 141. No.

岳建伟.3，凌光容2，姜忻良1 （1.天津大学建筑工程学院，天津3000722.天津大学建筑设计研究院，天津 300072 3.河南大学土木建筑学院。河南开封475004)

JC／T 2317-2015 喷涂橡胶沥青防水涂料ts of Mixing Piles with Stiffne

近年来国内学者进行的搅拌桩荷载试验表明，破环多 发生于桩顶附近，水泥土被压碎【1,2！为了解决搅拌桩桩顶 压坏的问题，同时兼顾经济条件，笔者把钢筋混凝土预制桩 和水泥搅拌桩组合在一起，形成劲芯搅拌桩劲芯搅拌桩是 由水泥搅拌桩【2]（湿法）和同心插入其中的钢筋混凝土桩芯 组成，如图1所示，并进行了试验。劲芯搅拌桩源于沧州机 械施工公司在1994年的水泥搅拌桩工地把一根钢筋混凝

图1劲芯搅拌桩结构示意图

土电杆插入搅拌桩内，并发现该搅拌桩承载力（450kN）为 普通水泥搅拌桩承载力（160kN）的2.8倍，该发现为劲芯

为准确地掌握劲芯搅拌桩的承载力，本试验从搅拌桩 桩身水泥土强度沿深度的变化对劲芯搅拌桩承载力的影

岳建伟，等：劲芯搅拌桩的试验研究

表1劲芯搅拌桩试验参数及试验结果

注：①芯桩形状为楔形：②编号111为劲芯搅拌桩，1215为钻孔灌注桩，1619为搅拌桩

图3劲芯搅拌桩不同体积含芯率对比

2.2芯桩长度对劲芯搅拌桩承载力的影响

选取10m长桩进行芯桩长度对承载力影响分析。根据 试桩结果，在一定条件下，提高芯桩长度与桩长之比（L L）可以提高劲芯搅拌桩的承载力，但L，/L和承载力不是 线性的关系，当L，工达到一定值后，对承载力的提高效果 不明显。有限元分析表明芯桩与水泥土间的侧摩阻力分布 与水泥土与土之间的侧摩阻力分布(图4)均为上大下小的 分布形状，且随着荷载的增加，在同一截面处，芯桩与水泥 土之间的沉降差增大，摩阻力也相应增大，当荷载达到一定 值时，芯桩上部的摩阻力达到极限值，再增加荷载，桩因沉 降过大而破坏，如芯桩过长则桩的下端不能充分发挥有效 传递荷载的作用；另一方面，如果芯桩过长，由于桩下部的 水泥土强度较低，则可能刺穿外芯的水泥土。因此，结合试 验结果，建议劲芯搅拌桩最优芯桩长度比取0.7

2.3截面含芯率对劲芯搅拌桩承载力的影响

劲芯搅拌桩截面含芯率m是指混凝土芯桩截面积A。 与搅拌桩截面积A之比：m=A。/A.由于水泥土强度相对较 低，混凝土与水泥土弹模之比较大，根据变形协调，在桩端 部假定不考虑水泥土承担的荷载，故组合截面抗压承载力 的计算：

4水泥土与土间侧摩阻

m长，直径500mm，芯桩5m长的345号桩进行对比 详见表2表中取fek=135MPa从表2可知：3号桩的其 也参数不变，仅将芯桩上端直径由0180增到250.而极限 承载力R.由400kN增到600kN.说明提高截面承载力后 桩端阻力、侧阻力得以发挥；继续增加芯桩直径后，桩承载 力增加缓慢，说明4号桩阻力基本达到极限值对比4号桩 的破坏荷载700kN已大于截面承载力662kN，可判断4号 桩的截面承载力和桩侧阻力、桩端阻力之和基本同时达到 极限状态；对比第4号、5号桩可知，当截面承载力足够时 继续增加含芯率对提高单桩承载力效果不明显

表2不同含芯率的单桩承载力对比

注：①Rm表示组合截面上端承载力；②Ru表示单桩实测极限 承载力③R，表示单桩实测破坏荷载

注：①Rm表示组合截面上端承载力；②Ru表示单桩实测极限 承载力③R，表示单桩实测破坏荷载

在桩长一定时，芯桩直径过大，水泥土将发生塑性破 坏，而混凝土的强度并未充分发挥，劲芯搅拌桩已达到极限 承载力。因此在保证劲芯搅拌桩桩体不被压坏且该桩又具 有较高承载力的前提下，求得的m值认为是最优的截面含 芯率，为便于工程应用，结合试验结果，建议m可用下式求 得

mAfek=[D(liq)+ZAgp) /1000 到

42(lqs) /D+ 4.9 n= 1 000fa

式中：I为桩长范围内第i层土计算侧阻力的厚度，m；D为 搅拌桩的直径，m；9为桩长范围内第i层土的侧阻力特征 值，kPa；qp为桩端处地基土承载力特征值，kPa；fa为芯 桩混凝土轴心抗压强度标准值，MPa；Z为劲芯搅拌桩桩周 则阻力调整系数，但不小于1.2：Z为桩端天然地基承载力 折减系数，当无可参考值时可取0.5 对直径500mm，长8.5m的搅拌桩，以Z=1.2，Z 0.5计算其最优截面含芯率为0.262，即最优直径为25 mm；同样，长10.0m桩的最优截面含芯率为0.297，即最 优直径为272mm对8.5m的搅拌桩与试验值吻合较好

式中：N为组合截面抗压承载力；A.为混凝土芯桩截面面 积；f为芯桩混凝土抗压强度标准值 为比较截面含芯率对单桩承载力的影响.笔者选取8.5

对10.0m桩，其芯桩直径为400mm大于290mm，故芯桩 的强度并未充分发挥

3劲芯搅拌桩的有限元分析

为深入地掌握芯桩、水泥土和桩周土的受力特点，笔者 对8号劲芯搅拌桩进行了有限元分析。混凝土E。=3.0K 10°MPa，土E=10MPa土的泊松比取0.35,土的粘聚力 C=15kPa，内摩擦角取22：水泥土E。=80MPa，粘聚力 取150kPa，内摩擦角取33°4.5！经有限元分析，其计算结 果与试验结果趋势较为一致。因此可用有限元方法对劲芯 搅拌桩进行荷载传递机理分析

3.1芯桩与水泥土之间的荷载传递

对于劲芯搅拌桩而言，其荷载的传递机理要比单一材 料的桩复杂，故研究该桩的荷载传递机理时假定芯桩与水 尼土没有滑移、水泥土沿桩身为等强度及土为单一土层因 此，沿桩身的每一横截面上都满足芯桩沉降量等于水泥土 外芯的沉降量（s1=s2），芯桩轴向应变与水泥土外芯的竖向 应变相等（X=X），则在桩顶处，芯桩（pi）与水泥土外芯 (p2）分担的荷载之比pi/p2=JAEXdAAeEXdA= AE:/AcsE=93.8(按最优面积含芯率0.25)，表明水泥土 外芯所分担的荷载较小，芯桩几乎承担了劲芯搅拌桩桩端 的所有荷载。直径Q5m桩的有限元分析结果(图4和图 5）表明，劲芯搅拌桩的侧摩阻分布与水泥土搅拌桩的侧摩 阻沿桩身分布明显不同，芯桩的存在提高了水泥土的侧摩 阻，且充分利用了水泥土搅拌桩上部强度较高的特点，把外 荷载有效地传递到较深的土层，改变了水泥土搅拌桩的受 力特点

岳建伟，等：劲芯搅拌桩的试验研究

图5劲芯轴力分布规律

从图5的荷载一沉降曲线图中可知，芯桩轴力传递为 自上而下逐渐减小；随着荷载的增加，摩阻力由上至下逐渐 发挥，上部摩阻力达到极限，而下部摩阻力则可进一步发 挥为更加直观地理解芯桩提高水泥搅拌桩承载力的机理 笔者选取等长、等直径的劲芯搅拌桩和水泥搅拌桩，且施加 相同的竖向荷载（900kN）的条件下，对桩和土所受的竖向 应力进行了对比，桩与土的竖向应力分布如图6所示。由图 6（a）可知上部荷载主要由芯桩承担，该荷载向下传递的同 时，也逐步向外扩散，通过水泥土扩散到整个基础持力层 中，最终形成力的二次扩散模式：即从芯桩向水泥土的扩散 和从水泥土向桩周土体的扩散。这种力的二次扩散模式使 上部荷载有效地扩散到比一般水泥土搅拌桩（图6（b)）影 响范围大得多的土体中，保证该种劲芯搅拌桩能承受高荷 载而不致压坏低强度的软士持力层

经有限元分析，劲芯搅拌桩的破坏模式有3种：①）芯桩 可水泥土中刺入，原因是芯桩过短，芯桩桩端处传递的荷载 大于无芯段水泥土局部抗压强度；②劲芯搅拌桩无芯段被 玉碎，原因是无芯段过长，水泥土强度过低，其截面轴压承 载力低于芯桩端截面的轴力；③劲芯搅拌桩整体向桩端土 中刺入原因是芯桩和水泥土强度适中，保证了二者的共同 工作，该破坏模式可使桩侧阻力充分发挥，从而获得较高的 承载力是理想中的破坏模式，为避免前两种破坏模式，应

图6桩、土竖向应力分布的对比

结合不同的土质GB 50345-2012屋面工程技术规范，选择合适的芯桩长度和提高无芯段水泥 土强度

3.3劲芯搅拌桩承载力来源

3.3劲芯搅拌桩承载力来源

水泥土的固化效应是水泥土搅拌桩承载力的基本来 原，搅拌桩成桩时，水泥浆和土在一定比例下混合，发生复 杂的物理化学反应而固化形成较高强度的水泥土，而且加 玉喷浆时会在水泥土桩和土层间形成一个过渡带，该过渡 带的存在能有效提高桩土界面的剪切强度，从而提高桩的

（2）挤土效应 试验中所采用的预制混凝土桩的体积占搅拌桩体积的 0.070.25在成桩过程中，预制混凝土桩芯的插入会向外 挤扩水泥土搅拌桩，并随之排开桩侧和桩端土体，使其强度 增加，这种强度的增加会显著提高复合桩侧摩阻。同时在楔 形芯桩下部造成水泥土的近似三向受压状态，导致侧摩阻 力增加， （3）混凝土芯的高弹模量 混凝土芯水泥土搅拌桩的桩身轴向复合模量由预制混 凝土桩芯控制，预制混凝土桩芯[6写水泥土搅拌桩的弹性 模量[5.7比一般在100200之间，因而劲芯搅拌桩的压缩 模量远大于一般的水泥土搅拌桩，而桩身压缩模量越大，桩 身压缩量越小，能够发挥较高的桩侧摩阻力

（1）劲芯搅拌桩综合了水泥土搅拌桩和预制混凝土桩 的优点DB35／T 1797-2018 公路工程建设项目文件信息化管理规范，从而能充分发挥预制桩芯和水泥土的材料性能，其 承载力高于同等条件下的水泥搅拌桩和钻孔灌注桩 （2)劲芯搅拌桩的芯桩体积含芯率、芯桩长度比及芯桩 面积含芯率存在一个最优值不同的土质.不同的桩长还需