考慮下臥層特性的復(fù)合地基荷載傳遞規(guī)律模型試驗研究

亓 樂，劉 薇，孫長帥，張 勇

（1. 山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南 210013；2. 山東省水文水資源勘測局，濟(jì)南 210013）

1 前 言

我國地域遼闊，地基條件復(fù)雜，軟弱地基類別多、分布廣，特別是沿海和內(nèi)陸廣泛分布著海相沉積、湖相沉積和河相沉積的軟弱黏土層，這類軟土具有強(qiáng)度低、含水率高、靈敏度高、滲透性差、高壓縮性、厚度不均等特點(diǎn)。在這類軟土地基上進(jìn)行建設(shè)，建筑物在荷載作用下會產(chǎn)生較大的沉降與不均勻沉降，沉降持續(xù)時間長，會影響到建筑物的正常使用，在此類地基上進(jìn)行工程建設(shè)必須進(jìn)行軟基處理。復(fù)合地基技術(shù)在土木工程建設(shè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]，如何在保證工程質(zhì)量的前提下節(jié)省工程投資十分重要。由于復(fù)合地基技術(shù)充分利用了天然地基和增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載的潛能，與其他基礎(chǔ)相比具有比較經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[2－4]。

帶有軟弱下臥層的復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)制不同于常規(guī)的復(fù)合地基，由此也有不同的設(shè)計分析方法。目前針對下臥層的復(fù)合地基少有研究，關(guān)于存在軟弱下臥層的室內(nèi)模型試驗更少，為了弄清其作用機(jī)制，并確定可靠的設(shè)計理論和方法，筆者進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)模型試驗，著重討論復(fù)合地基中樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和荷載分擔(dān)比的分布及發(fā)展過程[5－7]。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗采用河海大學(xué)自主研制的室內(nèi)沉降模型試驗設(shè)備[8]。試驗儀器主要由試驗?zāi)Ｐ屯?、加載系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)以及荷載量測系統(tǒng)組成，試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Device of the model tests

儀器主體為一透明有機(jī)玻璃桶，桶壁厚2.0 cm，桶內(nèi)徑為50 cm，桶體凈高110 cm，其中桶體上下都采用鋼箍加固，可保證試驗過程中安全性及密封性。模型試驗采用有機(jī)玻璃桶作為模型試驗槽，荷載板的直徑等于桶體內(nèi)徑，由于桶壁的限制作用，加載情況可以模擬群樁的加載。荷載通過位于四個方向的4組靜滑輪與動滑輪結(jié)合加荷，荷載在0～400 kPa范圍內(nèi)變化。試驗桶內(nèi)沉降觀測分兩部分，內(nèi)部各層沉降觀測主要通過內(nèi)部設(shè)置的標(biāo)志物結(jié)合試驗桶壁上貼著的標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)，而試樣頂部讀數(shù)則通過穿過固定于支架上滑輪的細(xì)鋼絲拉動游標(biāo)卡尺垂直上下進(jìn)行讀數(shù)，游標(biāo)卡尺精度可達(dá)0.01 cm。

試驗用樁采用硬質(zhì)PP-R(無規(guī)共聚聚丙)管，試驗時將兩端用木塞塞緊，由于使用方便，易于購買，且強(qiáng)度滿足試驗要求，已有大量學(xué)者采用作為試驗用樁。在樁體的側(cè)面貼2組應(yīng)變片(10片)，量測得到樁體的壓縮量。

2.2 試驗方法

為研究復(fù)合地基中樁、土間相互作用的規(guī)律，進(jìn)行了多組模型試驗，通過不同工況的模型試驗獲得樁側(cè)摩阻力、樁軸力、樁土荷載承擔(dān)等規(guī)律。影響復(fù)合地基荷載傳遞的因素較多，如樁體性質(zhì)、土體性質(zhì)、樁-樁和樁-土的相互作用、墊層性質(zhì)（厚度、材料、模量）、下臥層性質(zhì)（厚度、材料、模量）、下臥層和加固區(qū)土體模量的相對關(guān)系等。以上因素較難在試驗中全部反映，本文只考慮復(fù)合地基設(shè)計中常用且在室內(nèi)試驗中容易實(shí)現(xiàn)的因素，如樁徑、墊層厚度、下臥層厚度等。

豎向荷載通過放置砝碼施加到荷載板上，試驗共進(jìn)行10級加載，每級荷載加載量均為9.65 kPa(188.8 kg)。根據(jù)樁徑、墊層厚度和下臥層厚度的不同，試驗共分10組，見表1。

表1 模型試驗分組情況Table1 Groups of the model tests

2.4 試驗樁、土材料及參數(shù)

2.4.1 模型樁及其參數(shù)

由于2根模型樁的模量相對于試驗土體的模量比較大，可達(dá)到30倍以上，且2根樁的模量差僅為12.7 MPa (約為樁體模量的10%)，試驗中可近似認(rèn)為2根樁的模量相同，模型樁的參數(shù)見表2。模型試驗的相對比尺見表 3，從相對比尺來看，模型試驗的設(shè)計與現(xiàn)場的復(fù)合地基比尺基本吻合。

表2 模型樁參數(shù)Table2 Parameters of the test piles

表3 模型試驗的相對比尺Table3 Relative scale of the model tests

2.4.2 樁周土及其參數(shù)

對于試驗用土，原則上以黏性土為好，但考慮到黏土具有黏聚力，試驗時難以保證其均質(zhì)性，會使試驗結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。砂土沒有黏聚力，能很好地保證試驗填土的均勻性，因此，結(jié)合國內(nèi)外室內(nèi)試驗的經(jīng)驗，本試驗采用砂土。試驗前測得砂土的密度 ρ=1.33g/cm3，含水率w=2.7%，干密度ρd=1.3g/cm3，相對密度 Dr=0.12，砂土的內(nèi)摩擦角φ=32?。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 樁軸力分析

圖2為不同樁徑(置換率)情況下樁軸力隨深度的變化曲線，由圖2(a)既有墊層又存在下臥層的復(fù)合地基可見，樁徑對樁軸力的影響不大；由圖2(b)、圖2(c)無墊層和無下臥層的復(fù)合地基可見，樁徑越大，樁軸力越小，這表明在墊層和下臥層的調(diào)節(jié)下，增加樁徑并不能使樁體提高樁軸力，只是由于樁截面積的增加，使得樁體承擔(dān)荷載增大，對充分發(fā)揮樁的承載能力并無太大的提高，在實(shí)際工程中，靠增大樁徑來提高樁體承載能力的發(fā)揮是不經(jīng)濟(jì)的。

圖2 不同樁徑(置換率)對樁軸力的影響Fig.2 Curves of axial forces varying with pile diameter(replacement ratio)

圖3為不同墊層厚度情況下樁軸力隨深度的變化曲線。由圖可見，墊層厚度越小，樁軸力越大。這是因為墊層具有流動調(diào)節(jié)作用，使得土體承擔(dān)更多荷載，墊層厚度越大，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，土體承擔(dān)的荷載越大，樁軸力也因此越小。在實(shí)際工程中，可以通過調(diào)整墊層厚度來合理發(fā)揮樁土的承載能力。圖4為不同下臥層厚度情況下樁軸力隨深度的變化曲線。由圖可見，與圖3類似的規(guī)律，下臥層厚度越小，樁軸力越大，這是因為下臥層的厚度越小，對于樁體沉降的限制作用就會越大，會使樁體承擔(dān)更多的荷載，加大了樁體的軸力。

圖3 不同墊層厚度對樁軸力的影響Fig.3 Curves of axial forces varying with cushion thickness

圖4 不同下臥層厚度對樁軸力的影響Fig.4 Curves of axial forces varying with underlying layer thickness

3.2 樁土荷載分擔(dān)分析

圖5、6分別為不同樁徑情況下樁頂處的樁土 應(yīng)力比和樁體荷載承擔(dān)比。由圖5可以看出，樁徑的變化對樁土應(yīng)力比略有影響，樁徑越大，應(yīng)力比越小，應(yīng)力比相差1左右。但是，從圖6中可以看到，樁徑的增大，對于樁體的荷載承擔(dān)比影響不大。樁徑增加了57.5%，樁截面積增加了148%，但是樁體的荷載承擔(dān)比只增加了0.02左右，相應(yīng)的樁承載力發(fā)揮度并無提高。因此，增加樁徑(置換率)來提高樁體的承載力發(fā)揮度是不經(jīng)濟(jì)的，這與前文樁軸力的分析結(jié)果是吻合的。

圖5 不同樁徑(置換率)對應(yīng)力比的影響Fig.5 Curves of stress ratio varying with pile diameter(replacement ratio)

圖6 不同樁徑(置換率)對樁體荷載承擔(dān)比的影響Fig.6 Curves of pile load bearing ratio varying with pile diameter(replacement ratio)

圖7為不同墊層厚度對樁土應(yīng)力比的影響對比。由圖可以看出，墊層厚度越大，樁土應(yīng)力比越小，這表明墊層的流動調(diào)節(jié)作用，墊層的存在使樁體向墊層刺入，更多的荷載由樁周土承擔(dān)，減小了樁土應(yīng)力比。當(dāng)不設(shè)墊層時，荷載施加的初期，樁體承擔(dān)荷載較大，樁土應(yīng)力比較大；隨著荷載的增加，樁體逐漸向下臥層產(chǎn)生刺入，荷載也更多的由樁周土承擔(dān)，樁土應(yīng)力比逐漸趨于穩(wěn)定，這體現(xiàn)出了下臥層的荷載調(diào)節(jié)作用。而復(fù)合地基設(shè)置墊層時，樁土應(yīng)力比變化不大，基本保持穩(wěn)定，墊層厚度越大這種現(xiàn)象越明顯。這充分說明了墊層的流動調(diào)節(jié)作用，在荷載施加的初期，就開始調(diào)節(jié)荷載分布，使樁周土承擔(dān)更多的荷載。

圖7 不同墊層厚度對應(yīng)力比的影響Fig.7 Curves of stress ratio varying with cushion thickness

圖8為不同下臥層厚度對樁土應(yīng)力比的影響對比。從圖中可以看出，下臥層厚度越小，樁土應(yīng)力比越大。這說明軟弱下臥層厚度越小，對樁體向下刺入的限制作用越大，樁體就承擔(dān)更多的荷載。當(dāng)下臥層厚度為0時，樁體不會向下產(chǎn)生刺入，樁體承擔(dān)的荷載達(dá)到最大。

圖8 不同下臥層厚度對應(yīng)力比的影響Fig.8 Curves of stress ratio varying with underlying layer thickness

圖9為不同樁徑情況下樁端處的樁土應(yīng)力比。隨著荷載的增加，應(yīng)力比逐漸減小趨于穩(wěn)定。與樁頂處應(yīng)力比不同的是，樁徑越大，樁端應(yīng)力比越大。圖 10為不同墊層厚度對樁端應(yīng)力比的影響對比。圖中可以看出，墊層厚度越大，樁端應(yīng)力比越小。同樁頂處應(yīng)力比的分析一樣，這也再次說明了墊層的調(diào)節(jié)作用。圖 11為不同下臥層厚度對樁端應(yīng)力比的影響對比。由圖可以看出，下臥層厚度越小，樁端應(yīng)力比越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與樁頂處應(yīng)力比相同，軟弱下臥層厚度越小，對樁體向下刺入的限制作用越大，樁體就承擔(dān)更多的荷載，應(yīng)力比則越大。當(dāng)下臥層厚度為0時，樁體不會向下產(chǎn)生刺入，樁體承擔(dān)的荷載達(dá)到最大，應(yīng)力比也會達(dá)到最大值。

圖9 不同樁徑(置換率)對樁端應(yīng)力比的影響Fig.9 Curves of pile tip stress ratio varying with pile diameter(replacement ratio)

圖10 不同墊層厚度對樁端應(yīng)力比的影響Fig.10 Curves of pile tip stress ratio varying with cushion thickness

圖11 不同下臥層厚度對樁端應(yīng)力比的影響Fig.11 Curves of pile tip stress ratio varying with underlying layer thickness

3.3 樁側(cè)摩阻力分析

樁側(cè)摩阻力的試驗數(shù)據(jù)是通過應(yīng)變片的觀測數(shù)據(jù)間接計算得來的。任取一樁體單元如圖 12所示。根據(jù)靜力平衡，樁側(cè)摩阻力τ可通過式(1)求得。

式中：τ為樁側(cè)摩阻力；Q為樁軸力；d為樁徑。

圖12 樁體單元示意圖Fig.12 Sketch of the pile unit

圖13為不同樁徑(置換率)情況下樁側(cè)摩阻力隨深度的變化曲線，樁徑分別為40 mm和63 mm。圖中取了3組不同荷載下的摩阻力曲線，荷載分別為9.65、38.6、67.55 kPa。由圖可以看出，荷載較小時，二者的摩阻力分布形式和大小基本相同，摩阻力沿深度先增大后減小。隨著荷載的增大，樁側(cè)摩阻力的分布形式產(chǎn)生了較大的差距。樁徑較大(63 mm)的摩阻力隨深度的增加而增大，而樁徑較小(40 mm)的摩阻力分布形式和小荷載時的形式相似，隨深度的增加到最大值后，又隨深度增加而減小。這也說明了樁徑的不同對復(fù)合地基樁體荷載傳遞特性有較大的影響。不同的樁徑使樁體的長徑比有所不同，小樁徑的樁具有較大的長徑比，荷載不能夠傳遞到樁端，在一定深度摩阻力就變?yōu)?0。樁徑大的樁較之樁徑小的樁可看作是粗短樁，荷載能夠傳遞到樁端?？梢灶A(yù)見，如果增大大樁徑樁的樁長，也會出現(xiàn)小樁徑摩阻力的分布形式。因此，樁體的長徑比是復(fù)合地基設(shè)計的一個重要指標(biāo)。

圖13 不同樁徑(置換率)對樁側(cè)摩阻力的影響Fig.13 Curves of skin friction varying with pile diameter(replacement ratio)

由于墊層的存在，樁體還出現(xiàn)了明顯的負(fù)摩擦區(qū)。由圖 13可以看出，增大樁徑，會使中性點(diǎn)深度加大；增大荷載，使得中性點(diǎn)深度減小。

圖14為不同墊層厚度情況下樁側(cè)摩阻力隨深度的變化曲線，墊層厚度分別為0、40 、80 mm。圖中取了2組不同荷載下的摩阻力曲線，荷載分別是9.65 kPa和38.6 kPa。由圖可以看出，墊層厚度越大，摩阻力越小，中性點(diǎn)深度越大。這是因為墊層具有流動調(diào)節(jié)作用，墊層厚度越大，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，土體承擔(dān)的荷載越大，樁周土體的沉降就會越大，樁體的沉降減小，因此中性點(diǎn)深度增大，摩阻力減小。

圖14 不同墊層厚度對樁側(cè)摩阻力的影響Fig.14 Curves of skin friction varying with cushion thickness

圖15為不同下臥層厚度情況下摩阻力隨深度的變化曲線，下臥層厚度分別為20 cm和30 cm，圖中取了3組不同荷載下的摩阻力曲線，荷載分別是9.65、38.6、67.55 kPa。由圖可以看出，下臥層厚度對于樁側(cè)摩阻力分布的影響較大，下臥層厚度為30 mm的樁側(cè)摩阻力隨深度的增加而增大，而下臥層厚度為 20 mm的樁側(cè)摩阻力隨深度增加到最大值后，又隨深度增加而減小。由此可見下臥層厚度的影響在復(fù)合地基設(shè)計中，一定要著重考慮。

圖15 不同下臥層厚度對樁側(cè)摩阻力的影響Fig.15 Curves of skin friction varying with underlying layer thickness

4 結(jié) 論

（1）復(fù)合地基和天然土的土體荷載傳遞特性非常不同，天然土中應(yīng)力隨深度的增加而逐漸減小，復(fù)合地基樁間土的應(yīng)力先是隨深度的增加而減小，當(dāng)達(dá)到樁長深度后，應(yīng)力又逐漸增大。亦說明復(fù)合地基中由于樁的存在，使得荷載向更深處傳遞。

（2）由于墊層的存在，樁軸力隨深度的增大先增大后減小，表明樁體存在一段負(fù)摩擦區(qū)，樁軸力在負(fù)摩擦區(qū)沿深度增大，在中性點(diǎn)達(dá)到最大值；樁軸力隨荷載的增大而增大；樁徑的變化對樁軸力影響不大，墊層和下臥層的厚度越小，樁軸力越大。

（3）增大樁徑，使樁頂應(yīng)力比減小，樁端應(yīng)力比增大，且樁體的荷載承擔(dān)比有所提高；增大墊層和下臥層厚度，樁頂應(yīng)力比和樁端應(yīng)力比都會有所減小。

（4）具有墊層和下臥層的復(fù)合地基樁體存在一段負(fù)摩擦區(qū)，摩阻力隨荷載的增大而增大，中性點(diǎn)深度隨荷載的增大略有減小，樁徑和下臥層厚度的不同，摩阻力的分布形式也有較大不同，增大墊層厚度，使摩阻力減小；增大樁徑和墊層厚度，會使中性點(diǎn)深度加大，下臥層厚度對中性點(diǎn)深度影響不大。

復(fù)合地基設(shè)計中的影響因素非常多，本文限于試驗條件，只考慮了較少幾種工況的研究，以后的工作還需考慮更多的影響因素。

[1]龔曉南. 復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]池躍君,宋二祥,金淮,等. 素混凝土樁復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理的試驗研究[J]. 工業(yè)建筑,2001,31(4): 39－42.CHI Yue-jun,SONG Er-xiang,JIN Huai,et al. Study on loads transferring mechanism of composite grounds with concrete piles[J]. Industrial Construction,2001,31(4):39－42.

[3]楊濤. 路堤荷載下柔性懸樁復(fù)合地基的沉降分析[J].巖土工程學(xué)報,2000,22(6): 741－743.YANG Tao. Settlement analysis of composite ground improved by flexible floating piles under road embankment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering 2000,22(6): 741－743.

[4]亓樂,施建勇,侯仟. 復(fù)合地基樁體對墊層的刺入量研究[J]. 巖土力學(xué),2011,32(3): 815－820.QI Le,SHI Jian-yong,HOU Qian. Research on pile penetration into cushion of composite ground[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(3): 815－820.

[5]方磊,謝永利. 柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基模型試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2005,38(5): 67－71.FANG Lei,XIE Yong-Li. A physical modeling study on composite subgrades under flexible foundations[J]. China Civil Engineering Journal,2005,38(5): 67－71.

[6]呂文志,俞建霖,劉超,等. 柔性基礎(chǔ)復(fù)合地基的荷載傳遞規(guī)律[J]. 中國公路學(xué)報,2009,22(11): 1－9.Lü Wen-ZHi,YU Jian-Lin,LIU Chao,et al. Load transfer rule of composite ground under flexible foundation[J]. China Journal of Highway and Transport,2009,22(11): 1－9.

[7]鄭剛,劉雙菊,伍止超. 不同厚度褥墊層剛性樁復(fù)合地基工作特性研究[J]. 巖土力學(xué),2006,27(8): 1357－1360.ZHENG Gang,LIU Shuang-ju,WU Zhi-chao. Study on behavior of rigid pile composite ground with different cushion thicknesses[J]. Rock and Soil Mechanics,2006,27(8): 1357－1360.

[8]亓樂. 復(fù)合地基模型試驗及考慮下臥層特性的沉降計算研究[D]. 南京: 河海大學(xué),2009.