软弱地层中劲扩复合桩承载变形特性与承载力预测

张吉坤; 刘天宇; 白晓宇; 银吉超; 闫楠; 张亚妹; 唐鑫

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506517

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (27) :11846-11856 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506517

建筑科学

软弱地层中劲扩复合桩承载变形特性与承载力预测

张吉坤 ¹^,² ,
刘天宇 ¹ ,
白晓宇 ¹^,^* ,
银吉超 ¹ ,
闫楠 ¹ ,
张亚妹 ¹ ,
唐鑫 ²

作者信息 +

Bearing and Deformation Characteristics of Expanded Stiffened Deep-cement-mixing Pile in Soft Strata and Bearing Capacity Prediction

ZHANG Ji-kun ¹^,² ,
LIU Tian-yu ¹ ,
BAI Xiao-yu ¹^,^* ,
YIN Ji-chao ¹ ,
YAN Nan ¹ ,
ZHANG Ya-mei ¹ ,
TANG Xin ²

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摘要

为研究劲扩复合桩在软弱地层中的承载变形特性,并建立可靠的承载力预测方法,基于6根劲扩复合桩与3种常规混凝土桩型的现场静载对比试验,系统分析了该桩型的荷载-沉降规律、极限承载力及变形稳定性。试验结果表明:劲扩复合桩的荷载-位移曲线呈缓变型特征,沉降发展平稳,抗压极限承载力较设计预估值提升12%~15%;其中有效桩长9 m的劲扩复合桩极限承载力可达2 760 kN,高于25 m长钻孔灌注桩与23 m长预应力方桩,显示出“短桩高承”的显著优势。同时,该桩型在不同试桩中的最小沉降极差仅为2.65 mm,说明其在软弱土层中具备良好的承载一致性与变形稳定性。在承载力预测模型方面,对比指数函数、指-幂函数和双曲线模型的拟合效果后发现,指-幂函数模型的精度最高,可准确模拟劲扩复合桩从弹性阶段直至破坏全过程的荷载-沉降响应,尤其是在极限荷载附近的预测结果仍与实测值高度吻合,推荐作为劲扩复合桩承载力预测的首选模型;而双曲线模型在加载后期的预测中会呈现急剧下沉趋势,与实测的缓变特征不符,适用性较差。

Abstract

To investigate the bearing deformation characteristics of the expanded stiffened deep-cement-mixing pile in soft strata and establish a reliable predictive method for its bearing capacity, field comparative static load tests were conducted on six expanded stiffened deep-cement-mixing piles and three conventional concrete pile types, enabling systematic analysis of their load-settlement behavior, ultimate bearing capacity, and deformation stability. The test results show that the load-displacement curves of the expanded stiffened deep-cement-mixing piles exhibited a gradual-variation behavior with stable settlement development, and the ultimate compressive bearing capacity increased by approximately 12%~15% compared with the design estimate. In particular, the expanded stiffened deep-cement-mixing pile with an effective length of 9 m achieved an ultimate bearing capacity of 2 760 kN, which is higher than those of the 25 m bored cast-in-place pile and the 23 m prestressed concrete square pile, demonstrating a pronounced short-pile, high-capacity advantage; meanwhile, the minimum settlement range among different test piles is only 2.65 mm, indicating good consistency in bearing performance and deformation stability in soft soil. Regarding predictive models for bearing capacity, the exponential-power function model demonstrates the highest fitting accuracy compared to the exponential function and hyperbolic models, accurately simulating the load-settlement response from the elastic stage to the entire failure process, with particularly high agreement near the ultimate load, and is recommended as the preferred model for predicting the bearing capacity of the expanded stiffened deep-cement-mixing pile; in contrast, the hyperbolic model shows a sharp sinking trend in later-stage predictions, which is inconsistent with the measured gentle characteristics, indicating poor applicability.

Graphical abstract

关键词

劲扩复合桩 / 现场试验 / 荷载-位移曲线 / 单桩极限承载力 / 承载力预测

Key words

expanded stiffened deep-cement-mixing pile / field test / load-displacement curve / ultimate bearing capacity of single pile / bearing capacity prediction

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张吉坤, 刘天宇, 白晓宇, 银吉超, 闫楠, 张亚妹, 唐鑫. 软弱地层中劲扩复合桩承载变形特性与承载力预测[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(27): 11846-11856 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506517

ZHANG Ji-kun, LIU Tian-yu, BAI Xiao-yu, YIN Ji-chao, YAN Nan, ZHANG Ya-mei, TANG Xin. Bearing and Deformation Characteristics of Expanded Stiffened Deep-cement-mixing Pile in Soft Strata and Bearing Capacity Prediction[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(27): 11846-11856 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506517

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随着城市化进程的加快和基础设施建设规模的不断扩大,长江三角洲冲积平原等典型软弱地层中的工程地质条件对桩基技术提出了更为严苛的要求^[1-2]。此类场地普遍存在地层液化风险高、土体压缩性大、承载力低等特点,尤其是中等至严重液化的素填土与冲填土层广泛分布,使得传统桩型在承载性能方面面临严峻挑战^[3-4]。劲扩复合桩作为一种新型的桩基型式,由混凝土桩或型钢外包裹水泥土混合料、水泥砂浆混合料、低标号混凝土等固结体组成。芯桩与外包裹固结体共同承担上部荷载,其工作机理是:芯桩承担全部竖向荷载,利用水泥土的抗剪强度,将荷载由芯桩通过水泥土环传递到桩周地基土中。利用水泥土扩底体改善桩端持力层条件,同时通过芯桩与水泥土体的界面咬合效应提升承载性能。

劲扩复合桩充分发挥了水泥土和混凝土各自的力学性能优势,具有较高的单桩承载力、良好的抗渗性与耐久性以及经济环保等优势^[5],可应用于桩基工程、基坑支护、软土地基处理等领域,受到了工程界和学术界的广泛关注。为了明确劲扩复合桩的承载特性,包华等^[6]对劲扩复合桩的单桩竖向承载力进行了理论设计研究,明确了承载力计算时的总极限侧阻力调整系数和总极限端阻力调整系数的取值范围。周威等^[7]进行了劲扩复合桩与混凝土灌注桩的对比试验,发现在同直径下劲扩复合桩的极限承载力为混凝土灌注桩1.39~1.69倍,并且劲扩复合桩的侧摩阻力计算值相较于预制桩与灌注桩的侧摩阻力经验值,其比值区间集中于1.54~2.50。现阶段有关劲扩复合桩的研究内容较少。关于劲性复合桩,众多学者展开了一系列研究^[8-10],朱锐等^[11]、文磊等^[12]探究了劲性复合桩的承载力作用机制,认为劲性复合桩相较于传统钻孔灌注桩所展现的承载力优势,其关键机制在于水泥土硬化体与地基土接触界面性状的显著提升,并将劲性复合桩视为现有桩-土共同作用理论的重要补充与发展。李俊才等^[13]、钱于军等^[14]通过研究发现劲性复合桩具有摩擦桩的特性,其竖向荷载主要由桩侧摩阻力承担,桩端阻力只占竖向荷载的10%左右。在后续研究中,Zhou等^[15]在模型试验中发现部分复合桩的桩端荷载均超过了桩顶荷载的10%,说明桩端阻力的贡献不可忽视。周友飞等^[16]对软弱土地基中的劲性复合桩进行数值模拟,结果表明劲性复合桩的承载力随桩径和桩长的增大而增大,但桩长超过18 m后其对承载力性能的提升有限,此外劲性复合桩的承载力为同尺寸纯水泥土桩的3倍。Wonglert等^[17]通过室内试验和数值模拟明确了劲性复合桩的破坏形式,并得出桩芯的最佳长度和直径取决于土壤条件和桩身混凝土的强度。

目前,劲扩复合桩在软弱地层中的承载特性研究仍缺乏系统的现场试验数据,这制约了其工程应用与安全评价。为此,通过开展6根两种规格劲扩复合桩的竖向抗压静载试验,并结合3种常规混凝土桩型的对比试验,深入分析其荷载-位移响应、极限承载力及沉降发展规律。此外,选用指数函数、指-幂函数和双曲线函数3种常用模型对试验结果进行拟合,以确立适用于劲扩复合桩的极限承载力最优预测模型。研究成果可为软弱土地区劲扩复合桩的设计与应用提供试验依据与理论支持。

1 试验现场概况

1.1 工程概况

项目建设场地所在地貌类型属长江三角洲冲积、堆积平原,全境地表起伏甚微,形成历史不长,或为沙洲与陆地并接的新生土地,河道纵横、沟渠密布,是典型的长江三角洲地貌,次级地貌单元属于海岸滩涂区。场地原为海岸滩涂区,地势开阔,场地整平标高为4.25 m。

场地在勘探深度范围内所揭露的地层,主要由场地浅部广泛分布的新近人工填土和第四系海陆相交互沉积层。勘探深度内分为7大层,大层内根据状态及成因的差异分为14个亚层。土层名称及主要原位测试数据如图1所示;桩基设计参数如表1所示。

该工程地质勘察报告显示:该场地液化等级为中等-严重,导致液化的地层主要为第①层素填土、第②层冲填土。液化土层分布于场地浅表层3.00~8.40 m。根据建筑重要性,需对该两层土进行强夯加固处理,以降低或消除液化等级。地质勘察报告还显示:地下水对混凝土结构腐蚀性等级为微;地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下腐蚀等级为微,非长期浸水条件下腐蚀性等级为强。

1.2 试桩设计参数

常规混凝土桩静载试桩检测桩型有3种,分别为预应力管桩、预应力实心方桩和钻孔灌注桩。其中预应力管桩的混凝土强度为C80,数量12根;预应力实心方桩混凝土强度为C60,数量12根;钻孔灌注桩混凝土强度为C40,数量12根。按照设计要求,预应力管桩、预应力实心方桩和钻孔灌注桩的单桩竖向抗压静载试验桩的检测数量均为2×3根。各桩型设计参数如表2所示。

劲扩复合桩试验检测桩型有2种,分别为水泥土桩+预应力管桩、水泥土桩+预应力方桩。按照设计要求,两种桩型的单桩竖向抗压静载试验检测数量各为3根。劲扩复合桩示意图和桩位图如图2所示,劲扩复合桩设计参数如表3所示。

1.3 试验方案

所有桩型均采用单桩竖向抗压静载试验,试验严格遵循《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)^[18],试验核心在于揭示水泥土扩底体与混凝土芯桩协同工作机制。试验采用锚桩反力装置,通过对称布置的4台5 000 kN液压千斤顶分级加载,反力系统由锚桩(间距3.5D,D为水泥土桩径)与钢梁框架构成。荷载测量采用0.25级压力传感器,位移监测选用4支50 mm量程的电子位移计,按方形布置于桩顶承台(距桩中心0.5 m),数据采集频率设定为1 Hz,确保捕捉荷载-位移曲线的非线性特征。

试验加载控制采用慢速维持荷载法:分级荷载取预估极限承载力的10%(即240 kN)逐级施加,初始荷载取分级荷载的2倍,即480 kN。加载至预估极限承载力的75%后,每级减半至120 kN,以精确判定破坏拐点。每级荷载施加后按第5、15、30、45、60 min测读桩顶沉降量,以后每隔30 min测读一次。沉降相对稳定标准:每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1 mm,并连续出现两次(从分级荷载施加后第30分钟开始,按1.5 h连续3次每30 min的沉降观测值计算)。当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时,再施加下一级荷载。当出现以下情况之一时,即可终止加载。

(1)某级荷载作用下,桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍;注:当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40 mm时,宜加载至桩顶总沉降量超过40 mm。

(2)某级荷载作用下,桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍,且经24 h尚未达到相对稳定标准。

(3)已达到设计要求的最大加载量。

(4)当荷载-沉降曲线呈缓变型时,可加载至桩顶总沉降量60~80 mm。

2 试验结果及分析

2.1 荷载-位移曲线分析

荷载-位移曲线(Q-s曲线)可以直观反映桩顶荷载与试桩沉降的动态关系,是评价桩基承载性能的核心依据。根据本试验结果,预应力管桩(GZ)、预应力方桩(FZ)、钻孔灌注桩(GZZ)和劲扩复合桩(FHZ)的单桩竖向抗压静载试验结果如表4~表7所示。各桩型静载试验代表性Q-s曲线如图3、图4所示。

从整体曲线形态来看,预应力管桩的Q-s曲线呈现出典型的陡降型特征。在加载初期,沉降随荷载增加呈近似线性增长,当荷载达到极限值后,沉降急剧增大,曲线出现明显拐点。这种特性表明,预应力管桩在软弱地层中承载力发挥受限,侧阻力与端阻力协同作用较弱,易因桩身材料强度或桩周土体破坏导致承载力突降。

预应力方桩的Q-s曲线曲率相比于预应力管桩较缓,在相同荷载等级下,其沉降量略小于预应力管桩,这得益于方桩较大的截面惯性矩带来的抗弯刚度提升。然而,曲线中后段仍呈现明显非线性特征,说明在软弱地层中,方桩的侧阻力发挥同样受限,且端阻力占比相对较高,导致沉降发展仍较为显著。

钻孔灌注桩的Q-s曲线形态介于管桩与方桩之间。作为非挤土桩,其承载力主要依赖桩侧摩阻力与端阻力的逐步发挥。曲线初期斜率较小,表明在低荷载阶段桩土相互作用充分;随着荷载增加,曲线斜率逐渐增大,反映出桩端阻力开始主导变形。但受限于软弱地层低强度特性,其极限承载力提升空间有限,且后期沉降发展较快。

通过对四类桩型的Q-s曲线系统分析,可清晰揭示劲扩复合桩在软弱地层中的显著优势。试验结果表明,劲扩复合桩的Q-s曲线呈现独特的变化规律:曲线初期斜率明显小于其他桩型,具有缓沉特点,并且在加载全过程中沉降发展较为稳定,即便在极限承载力附近,其沉降速率仍显著低于其他桩型,这表明在相同沉降量下劲扩复合桩可承担更大荷载^[14],这一特性源于劲扩复合桩独特的构造设计:通过桩端扩大头有效提升了桩端承载力。

进一步分析曲线参数,在初始加载阶段(0~800 kN)FHZ-4与FHZ-8的沉降量仅为0.76 mm与0.84 mm,显著低于同荷载级别的GZ-19的5 mm和GZZ-6的3.18 mm。在极限承载力发展阶段,劲扩复合桩的缓变型特征更为显著。FHZ-4加载至极限承载力2 760 kN时累计沉降7.35 mm,最后三级荷载仅产生1.2 mm沉降增量,曲线未出现其他三种桩型在极限承载力附近典型的陡降特征,例如GZZ-6在极限承载力附近沉降量骤增约7 mm。这种渐进式变形模式验证了芯桩-水泥土复合结构的协同工作机制:采用大直径固结体包裹芯桩,充分利用了水泥土料和混凝土芯桩的协同作用,提高了桩侧摩阻力和端阻力,避免了常规桩型因端阻力集中导致的突发性刺入破坏。

2.2 单桩极限承载力与沉降比较分析

将各类试桩的抗压极限承载力统计值与预估值汇总并进行比较分析,结果如表8所示。其中分别按《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008^[19]和《劲扩桩技术规程》T/CCES 41—2023^[20]预估常规混凝土桩和劲扩复合桩两类桩的单桩极限承载力。各类试桩的在抗压极限承载力作用下的沉降汇总如表9所示。

通过对表8的试验数据进行分析得出,各类桩型在极限承载力和沉降特性上存在显著差异。在单桩极限承载力方面,劲扩复合桩以9 m有效桩长实现2 760 kN的实测极限承载力,较设计预估值2 400 kN超出15%,其实测值与预估值的比值也高于常规桩型,这也验证了周威等^[7]的试验结果。此外,该承载力值已超越其两倍多桩长的Ⅴ形灌注桩与Ⅲ型预制方桩,凸显其“短桩高承”的核心特征,突破了传统桩型“以长度换承载力”的技术瓶颈。相比之下,在桩周面积和桩长相当时,PHC圆管桩由于圆形截面对周围土体的挤压效应更好,其桩侧摩阻发挥更充分,桩顶沉降显著小于方形桩^[21]。已有研究还指出,在相同加载条件下,圆形桩的承载力增大速率和幅度最大,管桩次之,方桩最小^[22]。

由表9可见,沉降值方面,劲扩复合桩等大直径扩底桩型在承载力大幅提升的同时,往往伴随更小的桩顶沉降^[23],其在极限荷载作用下的最小平均沉降仅8.26 mm,较沉降值最小桩型(Ⅱ型:10.45 mm)降低约21%;较沉降值最大桩型(Ⅴ型:20.44 mm)降低约60%。由此可见,劲扩复合桩在实现极限承载力高出常规桩型的同时,沉降量反而降低21%~60%,这种“高强低沉”的特性说明水泥土扩底改良了桩端持力层的力学性能,如压缩模量、剪切强度等,同时也调整了桩端附加应力的分布,大直径桩身在竖向加载时对周围土体产生强烈的摩擦效应,充分激发了桩侧摩阻力。此外,由于水泥土桩施工过程中高压喷射气流的作用,可消除或减轻土层液化的影响,对桩周软弱土体进行扰动和置换,可显著提高桩周土体的密实度和强度,这种施工扰动效应也有利于提升承载性能。

结合表4~表7以及表8~表9可看出,劲扩复合桩沉降性能的稳定性优于常规桩型。其Ⅶ型三根试桩极限荷载下最小沉降极差仅2.65 mm,低于其他桩型,其中钻孔灌注桩Ⅴ形三根试桩的极差高达8.24 mm。这种差异反映出劲扩复合桩工艺在软弱土地区的强稳定性,而钻孔灌注桩在砂层中易受局部塌孔影响导致桩身几何缺陷。因此,从设计技术层面上用劲扩复合桩代替常规混凝土桩是可行的,设计时应控制桩端置于设计要求的持力层,同时外包水泥土层应延伸覆盖主要软弱土层,以通过“桩-水泥土-桩周土”相互约束进一步改善其承载性能。

3 劲扩复合桩单桩极限承载力预测

劲扩复合桩在竖向抗压静载试验中呈现的Q-s曲线可直观反映桩体在破坏过程中的沉降特性与承载机制。然而当前工程实践中,受限于试验条件与安全风险,大量试桩未加载至完全破坏状态,其承载性能未能得到准确评估,为此,本章基于静载试验数据,引入预测模型对劲扩复合桩的荷载-沉降关系以及极限承载力进行预测,以期确定适用于该桩型的极限承载力预测方法,为设计优化提供理论支撑。

3.1 单桩极限承载力预测模型

常见的单桩竖向抗压承载力预测模型有指数函数模型^[24]、指-幂函数模型^[25]、双曲线函数模型^[26]等,本试验将采用以上三种预测模型对劲扩复合桩的单桩极限承载力和荷载-位移曲线进行预测。

(1)指数函数模型表达式为

(1)Q=Q_max(1-e^-^βs)

式(1)中:Q和Q_max分别为单桩所受承载力及实测极限承载力,kN;s为单桩在某一时刻的位移量,mm;β为沉降衰减因子,mm^-1。

(2)指-幂函数模型表达式为

(2)Q=Q_max

$\left[1-\frac{1+\mathit{k}}{{\mathit{e}}^{\mathit{a}\mathit{s}}+\mathit{k}}{(\mathit{b}\mathit{s}+1)}^{\mathit{c}}\right]$

式(2)中:a、b、c、k均为拟合模型参数,其中c≥1,这里取c=1。

(3)双曲线函数模型

(3)Q=$\frac{{\mathit{Q}}_{\mathit{m}\mathit{a}\mathit{x}}\mathit{s}}{\mathit{\alpha }+\mathit{s}}$

式(4)中:α为位移调整系数。

3.2 预测结果分析

基于劲扩复合桩竖向抗压静载试验的实测值,进行以上三种函数模型的拟合对比,通过拟合曲线数据与实测值的对比分析,得到以上三种函数模型的预测精度,并分析上述函数模型在本试验条件下的适用性。在拟合过程中,将单桩极限承载力实测值作为极限承载力,得出三种函数模型预测值与实测值的对比曲线如图5所示,各函数模型的计算参数如表10所示,各函数模型的极限承载力预测精度如表11所示。

根据图5和表11所示,三种模型曲线与实测数据均表现出较高的吻合度,尤其是在中低荷载阶段,拟合曲线与实测曲线高度吻合,均能准确模拟劲扩复合桩沉降缓慢、刚度稳定的变形特性,但在荷载接近极限状态阶段,三种模型的精度差异开始显现,预测精度受曲线形态特征与桩型刚度特性影响明显。

从整体误差表现看,指-幂函数模型的拟合精度最高,六根试桩的相对误差稳定在1.2%以内,并且在荷载接近破坏阶段时仍能保持与实测曲线趋势一致。例如,有效桩长9 m的FHZ-4~FHZ-6实测极限承载力均为2 760 kN,指-幂函数模型预测值与实测值几乎重合,末期沉降阶段未出现明显高估或低估。在FHZ-8这根承载力略低的桩上,尽管实测值为2 520 kN,但预测值与实测值差距不足1.5%,表明其更适应劲扩复合桩的荷载传递机制,表现出良好的稳定性与适应性。

指数函数模型的预测精度次于指-幂函数,其曲线在中低荷载段拟合效果良好,与指-幂函数相近,但在荷载接近极限承载力时普遍略低于实测值,平均低估幅度为1.5%~2.0%。这主要与指数函数末期渐近趋势有关,导致曲线在承载力上升阶段略显保守,对桩端阻力发挥的预测略有不足。

双曲线函数模型的整体拟合效果相对不如前两者,尤其在破坏阶段表现出陡降趋势,这与劲扩复合桩实测曲线缓沉的特征相矛盾。该模型在荷载初期与中期阶段往往高估承载力,表现为初始刚度偏大;而在极限承载力阶段,曲线斜率迅速增大并出现陡降趋势。这种不稳定性与模型在接近破坏时的简化假设有关,当桩端阻力释放与桩侧摩阻力衰减的同步性未被准确描述时,预测结果容易出现偏差。

从曲线形态分析,指-幂函数模型能兼顾初期刚度与末期破坏特征的平衡,既不会高估初期承载力,也不会提前进入破坏阶段,因而全程拟合精度最高;指数函数模型在初期与中期阶段表现优良,但末期略显保守;双曲线模型虽能体现非线性特征,但初期和末期均存在偏差。

综合上述分析,在软弱地基条件下,劲扩复合桩荷载-位移曲线的缓沉特性要求预测模型能够准确刻画从缓沉过渡到破坏阶段的全过程。指-幂函数模型在本试验条件下表现最优,参数稳定、拟合精度高,适用于不同桩长与承载力水平的预测,推荐作为首选模型。指数函数模型在中低荷载段精度较高,可用于工程设计初期的快速估算,但在末期承载力评估时应结合修正系数校正低估趋势。双曲线模型虽然在部分阶段能够体现曲线非线性,但在极限承载力预测上不稳定,尤其在高承载力短桩条件下易出现高估初期刚度、低估末期承载力的现象,因此不建议将双曲线函数模型用于劲扩复合桩的极限承载力预测。

4 结论

(1)劲扩复合桩表现出缓变型荷载-沉降特性,其在极限状态下的沉降量显著小于常规桩型,降幅达21%~60%,同一桩型在不同试桩中的沉降极差最大仅2.65 mm,说明该桩型对软弱地层不均匀性的适应能力较强,整体工程可靠性高,变形控制性能优越。

(2)在软弱土地层中,劲扩复合桩展现出较高的单桩极限承载力,短桩可实现高承载力。以9 m的有效桩长,其极限承载力优于多数长桩传统桩型,突破了依靠桩长获取承载力的传统设计思路,显示出显著的技术经济性。

(3)在极限承载力预测模型中,指-幂函数模型表现出最优的拟合效果,其相对误差远低于指数模型和双曲线模型,适用于未加载至破坏状态下的劲扩复合桩承载力可靠预测,为该桩型的理论建模与设计计算提供了有效工具。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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