第27卷第5期岩土工程学报Vol.27No.5
2005年5月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringMay,2005
水泥土搅拌桩复合地基的变形特性与承载力
Deformationandbearingcapacityofcompositefoundationwith
cement-soilmixedpiles
徐超
1，2
，叶观宝
1，2
（1.同济大学岩土工程重点实验室，上海200092；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海200092）
关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；承载力；荷载特性；端承条件
中图分类号：TU473文献标识号：A文章编号：1000–4548(2005)05–0600–04
作者简介：徐超(1965–)，男，1988年毕业于同济大学，1997年获得博士学位，1999~2001年在美国华盛顿州立大学做博士后
研究工作，副教授。主要从事岩土加固、原位测试技术和环境岩土工程方面的教学和科研工作。
0引言
我国地基处理技术规范
[1]
和有关的教科书虽然都
明确给出了复合地基承载力的设计计算方法和测试评
价方法，但是由于复合地基中桩的类型和特性不同，
复合地基承载力又受到褥垫层、桩土应力比、桩的刚
度等因素的影响，该问题目前仍是国内学术界研究的
热点之一。
利用载荷试验研究复合地基承载力及其影响因素
的文献
[2~8]
和成果很多，但对于荷载特性和端承条件等
对复合地基承载力影响的研究不多。
吴慧明等
[9]
曾通过室内试验证明刚性基础与柔性
基础下复合地基中桩土荷载比和桩土应力比的差异，
并探讨了复合地基的不同破坏模式。李海芳等
[10]
通过
现场观测，研究了桥头刚性承台下和路堤荷载下水泥
搅拌桩复合地基的桩土应力比的差异和变化规律，并
将在试验段中的研究成果用于其他类似地质条件下的
高速公路复合地基的设计计算中；也介绍了低强度桩
（素混凝土桩）复合地基的载荷试验和路堤荷载下沉
降观测的结果，表明在两种工况下桩土应力比和桩土
沉降的差异，认为路堤填土存在拱效应。
本文根据在淮安至盐城高速公路试验段进行的多
桩复合地基载荷试验结果和填土过程中路堤荷载下桩
顶与桩间土的沉降和土压力观测结果，研究水泥搅拌
桩复合地基的桩土应力分配和复合地基的变形特性，
对不同条件下复合地基承载力评价提出了建议。
1试验段地基条件与研究方法
试验路段浅层地基为厚度约16.0m的软弱粘性土
层，根据已有的地基处理经验，采用水泥土搅拌桩加
固处理是一种比较经济又能够满足建设工期要求的技
术方案。试验路段浅层地基的构成和地基土层的简要
物理力学性质见表1。
软土地基采用直径0.5m、桩长8.0m（桩间距1.6
m，梅花形布置）和桩长16.5m（桩间距1.2m，梅花
形布置）两种桩长的水泥土搅拌桩进行加固处理，其
桩端地基土层分别为第③层和第⑤层。其中在桩长为
8.0m的段落，在四根搅拌桩的形心插一根塑料排水
板，板长16.5m。搅拌桩水泥掺量为15%，水灰比控
制在0.45~0.5，桩身设计无侧限抗压28d强度为0.8
MPa。
在各桩的龄期均超过28d，对上述两种桩长的水
泥土搅拌桩复合地基各进行两组多桩复合地基载荷试
验。本次试验中使用的承压板的直径为2.73m，在放
置承压板之前，在桩顶和桩间土上各布置3只土压力
计。载荷试验参照地基处理技术规范中的复合地基载
荷试验要点
[1]
进行，反力由堆载（砂包）提供。在试
验过程中进行沉降观测和桩土应力量测。
在载荷试验结束后，铺设40cm垫层，同时在桩
顶和桩间土上埋设沉降板和土压力计。沉降板埋设在
路基的中央，而土压力计则在路基中线和距路堤中线
不同距离埋设4组，每组分别在桩顶和桩间土上各设
置2只。之后随着路堤的分层填筑施工，进行沉降和
土压力量测。
通过对比分析水泥土搅拌桩复合地基在刚性荷载
（通过刚性承压板施加）和半柔性荷载（经过碾压的
路堤填土荷载）作用下沉降和桩土应力的变化特征，
以便认识半柔性荷载下复合地基工作特性与在刚性荷
载下的异同。
2多桩复合地基载荷试验与桩土应力
量测结果与分析
由于在相同的工况条件（同一桩长）下，载荷试
───────
基金项目：江苏省交通科学研究计划项目（03013）
收稿日期:2004–08–16
第5期徐超，等.水泥土搅拌桩复合地基的变形特性与承载力
601
表1地基土的构成及各层地基土的物理力学性质简表
Table1Compositionofshallowfoundationsoilsandtheirindexesofphysicalandmechanicalproperties
层序土性土层厚度/m含水率/%
重度/
（kN·m
-3
）
孔隙比
内摩擦角/
（o）
粘聚力/kPa
压缩系数
/MPa
-1
压缩模量
/MPa
①粉质粘土1.0~2.538.618.41.0714.0160.822.78
②淤泥质粉质粘土3.4~5.843.818.01.1813.6121.042.18
③砂质粉土、粘土互层0.5~5.142.018.51.1114.8130.733.45
④淤泥质粉质粘土5.8~7.346.317.81.2610.9130.882.63
⑤砂质粉土、粉细砂大于5.929.419.60.7827.050.1611.50
验结果相似，表2只给出了每种工况下一组多桩复合
地基载荷试验结果。图1是载荷试验荷载—沉降曲线。
表2多桩复合地基载荷试验结果汇总表
Table2Loadtestresultsofmulti-pilecompositefoundation
试桩
编号
桩长
/m
最大加
载量/kPa
总沉降
量/mm
回弹
量/mm
承载力特
征值/kPa
S18.0260171.3023.65≥130
S216.526059.5113.16≥130
多桩载荷试验未进行到复合地基破坏，最大荷载
为复合地基设计承载力（130kPa）的2倍，即260kPa。
从图1可以看出，两组载荷试验的荷载－沉降曲
线均属于缓变型，加载到260kPa时两组复合地基载
荷试验都没有达到破坏状态。如果按极限荷载确定复
合地基的承载力，复合地基的承载力特征值应不小于
130kPa。如果按相对变形值确定，取s/d＝0.06，8m
短桩复合地基的极限承载力为250kPa，承载力特征值
为125kPa。
从图1还是可以看出两组载荷试验的主要差别：
加荷至76kPa后，两组载荷试验的荷载－沉降开始出
现分离，桩长8.0m的复合地基载荷试验S1的沉降量
比桩长16.5m的大得多。
图1多桩载荷试验的荷载（p）—沉降（s）曲线
Fig.1Load—settlementcurvesforloadtestsofmulti-pile
compositefoundation
图2为上述两组多桩载荷试验过程中实测的桩土
应力比随时间和荷载的变化曲线，本文在计算应力比
时，桩上应力和桩间土上应力都采用了3只土压力盒
量测结果的平均值。
从图2(a)和(b)可以看出：桩长8.0m的复合地基
桩土应力比远远小于桩长16.5m的复合地基桩土应
力比，前者桩土应力比最大值为3.93，而后者桩土应
力比最大值达到11.43。另外，在桩长8.0m的复合地
基中，随着荷载的增加和时间的延续，桩土应力比在
达到某一比值后开始上下波动，继而衰减。这表明桩
能够提供的承载力已经达到极限，并开始向下刺入，
桩上的荷载向桩底地基土转移。而在桩长16.5m的复
合地基中，直到加荷至260kPa，桩土应力比始终随着
荷载增加和时间的延续而增大，即随着荷载的增加，
桩上的应力集中现象越来越突出。
图2桩土应力比随时间的变化曲线
Fig.2Thevariationofpile-soilstressratio
3路堤填土荷载下桩土变形和应力量
测的结果与分析
当填土高度达到4.6m（相当于荷载约为90kPa）
时，不同桩长处理的复合地基中桩和桩间土的沉降量
测结果见图3。图4为两种工况下随着填土荷载的增
加桩土应力比随时间的变化曲线，同样，在计算应力
比时，桩上应力和桩间土上应力采用了4组土压力盒
量测结果的平均值。
从图3（a）可知，随着填土荷载的增加，在桩长
8.0m的复合地基中桩与桩间土的沉降在开始阶段基
本协调，当填土高度超过3.7m后，桩的沉降减缓，
桩间土的沉降有加速的趋势，两条沉降曲线分离，出
现这一现象的原因在于8.0m的搅拌桩桩端地基土的
工程性能较差，在荷载作用下，开始阶段桩与地基土
602岩土工程学报2005年
一起沉降，桩的压缩变形小，存在向下刺入现象。当
桩达到一定沉降时端承力才发挥作用，沉降减缓，而
桩间土在半柔性荷载作用下继续压缩变形。从图3（b）
可以看出，在桩长16.5m的复合地基中，桩与桩间土
的沉降从填土开始阶段就发生明显的差异，说明穿透
软土层的长桩从填土开始就发挥了支撑作用，桩间土
在半柔性荷载作用下的沉降量明显比桩的沉降量大，
二者的沉降不协调。
图3在路堤填土荷载作用下桩与桩间土的沉降曲线
Fig.3Settlementofpiletopandsoilsurfaceunderembankment
load
图4填土荷载作用下桩土应力比变化曲线
Fig.4Thevariationofpile-soilstressratiounderembankment
load
从图4中可以看出：两种工况下桩土应力比同样
存在明显的差别。当在填土高度达到4.6m，桩长8.0
m的复合地基中，桩土应力比最大值为3.82，而在桩
长16.5m的复合地基中，桩土应力比最大值为10.67。
这种差异与载荷试验时量测的应力比的大小相似；不
过在路堤填土荷载作用下，前者桩土应力比随着时间
仍有增加的趋势，后者桩土应力达到最大值后已开始
衰减。需要指出的是，图4与图2所显示的应力比结
果是在不同荷载等级量测的，持续时间的差别则更大。
不妨这样来解释半柔性荷载下桩土应力比与刚性
荷载下相似的现象。尽管填土荷载不足载荷试验的最
大加载量（260kPa）的一半，但是半柔性荷载有利于
桩间土承载力的发挥，即在相同荷载等级下，半柔性
荷载条件下地基土承担更多的荷载，先于桩发生沉降
变形。由于分层填土间歇期的存在，为地基土上荷载
向桩上转移提供了时间，碾压后填土的半柔性特征使
荷载转移成为可能。另一方面，桩土应力比的大小主
要应取决于桩的变形特性，端承条件差的桩易于向下
刺入，桩土应力比较小；而端承条件较好的桩支撑于
非软土层，一般难以向下刺入，则桩的沉降小，桩土
应力比较高。同时，由于桩身存在极限强度，桩土应
力比也存在上限。
基于上述载荷试验结果和路堤填筑期的现场量测
结果与分析，可以发现：在半柔性和刚性荷载条件下
桩土应力比和沉降发展的变化规律存在较大差异，端
承条件会影响水泥土搅拌桩复合地基中桩土应力分担
和变形特性。如最大应力比差别很大，以及存在桩土
沉降协调（刚性荷载下）或不协调（半柔性荷载下）
的现象。
在进行复合地基承载力评价时应根据荷载性质和
端承条件区别对待。在半柔性荷载下，由于桩间土可
以发挥更大的作用，如果采用规范
[1]
（刚性荷载）公
式（9.2.5）计算复合地基承载力时，将β的取值范围
限定在0.1～0.4会得到偏小的结果，应适当放大；对
于未穿透软土层的较短的搅拌桩，由于端承条件比较
差，在半柔性和刚性荷载作用下会发生向下刺入的现
象，但是复合地基整体并未发生破坏，桩间土将发挥
更大的作用。在这样的情况下，同样需要考虑桩间土
的压缩作用，适当将β取大值。
另一方面，大部分载荷试验并不需要持续到复合
地基破坏，其荷载－沉降曲线表现出缓变特征，对于
半柔性荷载下的复合地基，在根据相对变形值确定复
合地基承载力时，如果参考规范
[1]
单桩复合地基载荷
试验，取0.006，该值对于路堤荷载下的复合地基也偏
小，可以确定一个相对变形的范围，而不应该是一个
固定的值。在本文研究中，建议作为高速公路的复合
地基，特别是搅拌桩未打穿软土层的复合地基，若按
相对变形值评定承载力，其范围可以是0.008～0.012。
4结论
(1)载荷试验结果表明，由于端承条件的不同，
端承条件差的短桩易于向下刺入，桩土应力比小，桩
第5期徐超，等.水泥土搅拌桩复合地基的变形特性与承载力
603
间土得到较充分的发挥，复合地基沉降较大；相反，
在复合地基中端承条件好的长桩发挥支撑作用，桩上
应力比较集中，复合地基沉降量小。
(2)路堤填土荷载作用下的监测结果表明，在路
堤填土的半柔性荷载作用下，在开始阶段端承条件差
的短桩的作用不明显，桩与桩间土的沉降基本上是协
调的，但随着桩承载力的发挥，桩的沉降减缓，桩土
沉降不一致；而端承条件好的长桩具有支撑作用，桩
间土的沉降相对于桩要大得多。
(3)水泥土搅拌桩复合地基的承载力评价应考虑
荷载特性和桩的端承条件，需要根据上部建（构）筑
物的变形要求，合理确定相关参数。
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