樁頂與承壓板新型構(gòu)造方式下的單樁承載特性

李 靜，吳葆永，姜 琳，王林富，李 娟

(1.中國(guó)石油大學(xué) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555;2.山東信誠(chéng)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257000)

樁頂與承壓板新型構(gòu)造方式下的單樁承載特性

李 靜1，吳葆永2，姜 琳1，王林富1，李 娟1

(1.中國(guó)石油大學(xué) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555;2.山東信誠(chéng)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257000)

首次提出在樁頂黏貼一塊10 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板上鋪設(shè)150 mm厚砂墊層的一種新型構(gòu)造方式。在山東省東營(yíng)市偉浩中央花園，通過(guò)不同狀態(tài)下的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)，對(duì)豎向荷載作用下，承壓板與樁頂新型構(gòu)造方式下的粉噴樁單樁復(fù)合地基以及自由單樁的承載特性進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明:承壓板與樁頂新型構(gòu)造方式下的粉噴樁單樁復(fù)合地基承載力比自由單樁承載力增加很多;承壓板與樁頂新型構(gòu)造方式可有效利用土的承載力，減少樁頂應(yīng)力過(guò)分集中，同時(shí)可使樁間土壓縮提前發(fā)生，強(qiáng)化樁土相互作用，使得樁土更趨于整體沉降，達(dá)到有效減小工后沉降的目的。

粉噴樁;復(fù)合地基;褥墊層;樁間土承載力

復(fù)合地基是指由兩種不同剛度(或模量)的材料所組成，在相對(duì)剛性基礎(chǔ)上兩種材料共同分擔(dān)荷載，并協(xié)調(diào)變形的地基，強(qiáng)調(diào)樁間土承載力的充分利用，許多學(xué)者對(duì)其工作機(jī)制進(jìn)行了研究［1-4］。相關(guān)研究成果［5-9］和工程實(shí)踐均表明復(fù)合地基的樁頂與承壓板之間的連接方式是核心技術(shù)之一，它在保證樁土共同作用、改善復(fù)合地基承載特性、控制沉降等方面有重要意義。Cao［10］針對(duì)地震區(qū)或可能承受較大風(fēng)荷載的樁基，提出了將樁頂脫離筏板一定高度的做法;Wong等［11］研究了樁筏脫離情況下不同樁長(zhǎng)、不同布樁方式筏板－樁－土的相互作用;Poulos［12］用數(shù)值分析的方法研究了樁頂設(shè)置變剛度墊塊后對(duì)基礎(chǔ)沉降和承臺(tái)下不同位置樁頂反力分布的影響;鄭剛等［13］采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)樁頂與承臺(tái)的不同構(gòu)造形式進(jìn)行了研究，揭示了砂土地基上預(yù)留凈空，可強(qiáng)化樁土相互作用。樁頂預(yù)留凈空或設(shè)置可壓縮墊塊是一種新型連接構(gòu)造形式，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。筆者針對(duì)新型構(gòu)造方式下復(fù)合地基中的單樁承載特性與自由單樁承載特性有何異同這一問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，對(duì)在樁頂黏貼了一層10 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板上鋪設(shè)150 mm厚砂墊層的新型構(gòu)造方式下，粉噴樁復(fù)合地基中的單樁以及自由單樁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得出兩種狀態(tài)下粉噴樁單樁的工作性狀，為實(shí)際工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 概況

采用粉噴樁單樁豎向承載以及粉噴樁復(fù)合地基兩種形式。粉噴樁樁長(zhǎng)9.0 m，樁徑500 mm。對(duì)東營(yíng)市某一場(chǎng)地進(jìn)行了1組粉噴樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和1組粉噴樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，具體試驗(yàn)概況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)概況Table 1 Test overview

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)東營(yíng)市某勘察測(cè)繪有限公司提供的《巖土工程勘察報(bào)告》，預(yù)估地基承載力極限值為150 kPa，場(chǎng)地地層及其特性自上而下如表2所示。

表2 試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件Table 2 Geological conditions of site

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 粉噴樁自由單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備主要有堆重平臺(tái)1套，QW-320型油壓千斤頂1臺(tái)，50 mm百分表4塊，精密壓力表1塊及其他輔助設(shè)備。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)高為－4.15 m，試坑尺寸為15 m×10 m，挖至試驗(yàn)標(biāo)高。試坑保持平整，避免擾動(dòng)，保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度。試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的基樁樁號(hào)為1#，執(zhí)行《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJl06-2003)的有關(guān)規(guī)定。采用堆載反力梁裝載，試驗(yàn)前組裝配重物100 t，加載級(jí)差為40 kN，分10級(jí)加載。第一級(jí)加載量為分級(jí)荷載的2倍，用油壓千斤頂以慢速維持載荷法加荷，用精密壓力表(RS-JYB型全自動(dòng)靜載荷測(cè)試儀)控制荷載力示值，用百分表(位移傳感器)測(cè)量各級(jí)荷載作用下樁頂?shù)某两盗俊Ｃ考?jí)荷載施加后按5、15、30、45、60 min 測(cè)樁頂沉降量，以后每隔30 min測(cè)讀一次。沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):每小時(shí)內(nèi)的樁頂沉降量不超過(guò)0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次(從分級(jí)荷載施加后第30 min開(kāi)始，按1.5 h連續(xù)三次每30 min的沉降觀測(cè)值計(jì)算)。當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即施加下一級(jí)荷載。試驗(yàn)期間持續(xù)降水，保證試坑內(nèi)干燥，水位處于試驗(yàn)標(biāo)高以下。

2.2 粉噴樁復(fù)合地基單樁載荷試驗(yàn)

2.2.1 設(shè)備

主要設(shè)備采用堆重平臺(tái)1套，QW-320型油壓千斤項(xiàng)l臺(tái)，50 mm百分表4塊，精密壓力表l塊，1.5 m×1.5 m承壓板1塊及其他輔助設(shè)備。

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試坑尺寸為15 m×10 m，挖至試驗(yàn)標(biāo)高－4.15 m。試坑保持平整，避免擾動(dòng)，保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度。試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的基樁樁號(hào)為2#，采用在樁頂黏貼一塊10 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板上鋪設(shè)150 mm厚砂墊層的新型構(gòu)造方式，承壓板與樁頂新型構(gòu)造方式如圖1所示。載荷試驗(yàn)期間持續(xù)降水，保證試坑內(nèi)干燥，水位處于試驗(yàn)標(biāo)高以下。

試驗(yàn)前組裝配重物100 t，采用面積為2.25 m2(1.5 m×1.5 m)的承壓板。加載級(jí)差約為38 kPa，分十級(jí)加載。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)附錄A，用油壓千斤頂以慢速維持載荷法加載，用精密壓力表控制荷載示值，用百分表測(cè)量各級(jí)荷載作用下承壓板的沉降量。每加一級(jí)荷載前后各讀記承壓板沉降量一次，以后每30 min讀記一次。當(dāng)1 h內(nèi)沉降量小于0.1 mm時(shí)，即可加下一級(jí)荷載。磚墻壘砌方法及施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

為進(jìn)一步分析人格特質(zhì)對(duì)幸福感直接或間接的作用，本研究采用結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析結(jié)果參見(jiàn)附圖。該模型的擬合指數(shù)分別為χ2/df=1.88， p=0.13，GFI=0.995，NFI=0.992，CFI=0.996，IFI=0.996，TLI=0.988，RMSEA=0.046，由此可知該模型擬合度良好。采用Bootstrap程序檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型中介效應(yīng)的顯著性，結(jié)果表明，外傾性對(duì)幸福感的間接效應(yīng)β值為0.19，置信區(qū)間在0.10至0.25之間，神經(jīng)質(zhì)對(duì)幸福感的間接效應(yīng)β值為-0.30，置信區(qū)間在-0.37與-0.24之間，間接效應(yīng)的置信區(qū)間都不包括0，表明間接效應(yīng)顯著。

圖1 樁頂與承壓板新型構(gòu)造方式示意圖Fig.1 Sketch map of new type of construction between pile top and bearing plate

圖2 磚墻壘砌方法平面示意圖和粉噴樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Sketch map of brick wall building method and static load test of powder sprayable pile composite foundation in construction site

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 粉噴樁自由單樁豎向抗壓靜載

1#樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示(測(cè)試日期2010-07-20，樁長(zhǎng)9 m，樁徑500 mm)，PS曲線及S-lg t曲線見(jiàn)圖3。

表3 1#試樁自由單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Vertical static load test data of 1#free single pile

由圖3(a)可以看出:隨著荷載的增加，曲線斜率逐漸增大，荷載加至400 kN時(shí)，曲線末端出現(xiàn)陡降段，樁頂沉降量為31.64 mm;荷載加至440 kN時(shí)，曲線出現(xiàn)陡降段，樁項(xiàng)最大沉降量為76.66 mm， 終止加荷。

圖3 1#樁P-S曲線及S-lgt曲線Fig.3 P-S and S-lgt curve of 1#pile

由圖3(b)可以看出:隨著荷載的增加，曲線間距自上而下由密變疏。當(dāng)荷載加至440 kN時(shí)，曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲現(xiàn)象。

綜合上述分析，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJl06～2003)綜合判定，1#試樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)極限承載力確定為樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高－4.15 m，最大加荷值440 kN，單樁豎向抗壓極限承載力400 kN，單樁豎向承載力特征值168 kPa。

3.2 粉噴樁單樁復(fù)合地基載荷

2#樁單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，p-S及S-lg t曲線見(jiàn)圖4。

表4 2#試樁單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Composite foundation load test data of 2#single pile

圖4 2#樁p-S和S-lg t曲線Fig.4 p-S and S-lgt curve of 2#pile

由圖4(a)可以看出:隨著承載壓力增加，曲線斜率逐漸增大，承載壓力加至337 kPa時(shí)，曲線末端出現(xiàn)陡降段，累積沉降量為54.82 mm;加至375 kPa時(shí)，曲線出現(xiàn)陡降段，承壓板累積最大沉降量為118.66 mm，終止加荷。由圖4(b)可以看出，隨著荷載的增加，曲線間距自上而下由密變疏，荷載加至375 kPa時(shí)，曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲現(xiàn)象。

2#試驗(yàn)點(diǎn)的單樁復(fù)合地基極限承載力及承載力特征值確定為最大加荷值375 kPa，最大加荷值對(duì)應(yīng)的沉降量118.6 mm，S/b=0.006(S為9.0 mm)所對(duì)應(yīng)的載荷值206 kPa，單樁復(fù)合地基極限承載力337 kPa，單樁極限承載力特征值168 kPa。

復(fù)合地基承載力特征值的確定應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)時(shí)估算為

式中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值，kPa，Ap為樁的截面積，m2;β為樁間土承載力折減系數(shù);fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

出于對(duì)工程安全的考慮，希望公式計(jì)算值接近但不大于載荷試驗(yàn)結(jié)果，而大量試驗(yàn)結(jié)果表明，公式計(jì)算結(jié)果一般不大于載荷試驗(yàn)結(jié)果。

由圖4(b)可以看出:加載在0～150 kPa內(nèi)，圖線接近直線，說(shuō)明加載初期，隨著荷載的逐漸增加，樁頂黏貼10 mm的泡沫板逐漸被壓密實(shí)，樁向褥墊層逐漸刺入，樁承擔(dān)的荷載逐漸增加;加載大于150 kPa以后，樁周圍土和樁的沉降量接近一致，樁周圍土與樁共同承擔(dān)荷載，施加荷載的增量主要由樁承擔(dān)，樁承擔(dān)的荷載比重逐漸增加，沉降的增加開(kāi)始加快;荷載加至375 kPa時(shí)，p-S曲線出現(xiàn)陡降段，復(fù)合地基達(dá)到極限承載力。因此，整個(gè)加載過(guò)程中，樁所受荷載大小的變化速率開(kāi)始緩慢增加，中間接近勻速，最后增加的速率變快。

3.3 兩種狀態(tài)下單樁承載性狀對(duì)比

圖5為復(fù)合地基中單樁與自由單樁的荷載－沉降曲線對(duì)比(復(fù)合地基中的單樁樁長(zhǎng)9.0 m，承壓板尺寸為1.5 m×1.5 m)。由圖5可以看出:在相同荷載作用下，自由單樁的樁頂沉降量較新型構(gòu)造方式下復(fù)合地基中單樁的樁頂沉降量大很多;相同樁頂沉降下，復(fù)合地基中單樁承載力要比自由單樁承載力大。

圖5 復(fù)合地基中單樁與自由單樁的荷載－沉降曲線Fig.5 Load-settlement curves for one single pile in composite foundation and for a free single pile

由于樁間土應(yīng)力在樁側(cè)土中產(chǎn)生一個(gè)較大的豎向應(yīng)力增量，使得復(fù)合地基中單樁的承載特性與自由單樁不同［4］，如圖6單樁受力示意圖所示(文獻(xiàn)［4］中)。

圖6 復(fù)合地基中單樁與自由單樁的受力對(duì)比Fig.6 Bearing capacity contrast between single pile in composite foundation and free single pile

圖6(a)中樁頂應(yīng)力為σp，樁間土應(yīng)力σs=0。圖6(b)中在樁側(cè)產(chǎn)生附加應(yīng)力Δσz，樁身則受到一正向應(yīng)力增量k0Δσz(k0為靜止土壓力系數(shù))，導(dǎo)致樁的側(cè)阻力增加。因此，復(fù)合地基中單樁承載力要比自由單樁承載力大，這與圖6的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

(1)在樁頂黏貼10 mm聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板上鋪設(shè)150 mm砂墊層的新型構(gòu)造型式，可以有效減少樁頂應(yīng)力集中，加載初期使樁承受的荷載逐漸向土轉(zhuǎn)移，在樁向褥墊層刺入的過(guò)程中不斷地補(bǔ)充到樁間土上，而其中的泡沫板則起到了流動(dòng)補(bǔ)償作用，從而對(duì)整個(gè)復(fù)合地基的不均勻沉降起到很好的調(diào)節(jié)作用。

(2)樁頂與承壓板新型構(gòu)造方式下單樁復(fù)合地基的破壞過(guò)程為:樁周土首先承擔(dān)較大荷載，使其從局部剪切破壞開(kāi)始，逐步向整體剪切破壞發(fā)展，而后隨著樁承擔(dān)荷載的增加，樁承載力達(dá)到極限而破壞，進(jìn)而復(fù)合地基發(fā)生破壞。

(3)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)是確定復(fù)合地基承載力的重要手段。粉噴樁復(fù)合地基中的單樁和自由狀態(tài)下的單樁表現(xiàn)出不同的荷載－沉降特性。在相同荷載作用下，自由單樁的樁頂沉降量較新型構(gòu)造方式下復(fù)合地基中單樁的樁頂沉降量大;相同樁頂沉降下，前者承載力比后者要小得多。

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Bearing characteristics of single pile with new construction between pile's top and bearing plate

LI Jing1，WU Bao-yong2，JIANG Lin1，WANG Lin-fu1，LI Juan1
(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.Xincheng Architecture Programming Company Limited，Dongying 257000，China)

In order to improve the bearing capacity of composite foundation，a new type of construction between the top of pile and bearing plate was proposed for the first time.A polystyrene foam board with the thickness of 10 mm was pasted on the top of pile，and the sand cushion layer with the thickness of 150 mm was placed on it.The static load tests under different states were done in Weihao Central Park in Dongying，Shandong province.The comparable research on the dry powder cement single pile in composite foundation and the free single pile was done.The results show that the capacity of dry powder cement single pile in composite foundation is much higher than that of a free single pile.The new type of construction between the pile top and bearing plate could mobilize the bearing capacity of soil effectively，and reduce the stress concentration at pile top.In the meantime，the soil surrounding the piles was compacted earlier than that of coventional composite foundation under the same load，which would make piles and soil settle together.The post-construction settlement may be reduced.

dry powder cement single pile;composite foundation;cushion;bearing capacity of soil surrounding piles

TV 64

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.05.021

1673-5005(2011)05-0114-06

2010－10－22

李靜(1967－)，女(漢族)，山東蓬萊人，副教授，博士，主要從事巖土工程與結(jié)構(gòu)工程的教學(xué)與科研工作。

(編輯 沈玉英)