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柔性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比試驗(yàn)研究

◎ 張蕾 南京供電公司
鄧方驊 福建省龍巖市上杭縣供電公司
劉歡 南京供電公司

摘 要：樁土應(yīng)力比是衡量樁土之間的荷載分配和變形協(xié)調(diào)的重要指標(biāo)，本文從理論上分析了路堤荷載下樁土應(yīng)力比的主要控制因素，研究了荷載從土體向樁體轉(zhuǎn)移的三種途徑：承臺板，加筋墊層和負(fù)摩阻力，并通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出攪拌樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比與荷載大小和加載時(shí)間的變化關(guān)系，分析了攪拌樁承擔(dān)荷載規(guī)律，同時(shí)通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了復(fù)合地基中樁周土上土壓力分布很不均勻，建議按照樁上壓力值反算樁間土壓力值。

關(guān)鍵詞：柔性樁 復(fù)合地基 樁土應(yīng)力比 荷載分布

復(fù)合地基是常用的軟基處理方法之一，荷載主要由土體與增強(qiáng)體共同承受。樁頂部應(yīng)力與其周圍土的應(yīng)力的比值稱為樁土應(yīng)力比，樁土應(yīng)力比是衡量樁土之間的荷載分配和變形協(xié)調(diào)的重要指標(biāo)，其值能夠預(yù)測出復(fù)合地基以何種模式破壞。剛性樁復(fù)合地基中若存在承臺或托板，承臺或托板相當(dāng)于擴(kuò)大了樁的直徑，樁體將承受大部分荷載，若此時(shí)計(jì)算樁土應(yīng)力比還按照原有樁徑，則會出現(xiàn)樁土模量比小于樁土應(yīng)力比的情況，此時(shí)復(fù)合地基工作狀況將類似于疏樁基礎(chǔ)。

目前采用的復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法是根據(jù)樁土變形相等的假設(shè)而得出的，即n=Ep/Es，但根據(jù)此方法計(jì)算出的結(jié)果與工程實(shí)測結(jié)果相差較大，原因復(fù)合地基的基本原則是樁及樁周土共同承受荷載，而要樁土共同承受荷載樁土間必須允許出現(xiàn)位移差，存在位移差，荷載才會在樁土之間進(jìn)行應(yīng)力再分配。目前研究得到的樁土應(yīng)力比變化范圍跨度很大，以常用的攪拌樁復(fù)合地基為例，取值范圍從1到10不等，沒有考慮基礎(chǔ)（荷載）剛度對樁土應(yīng)力比的影響，尤其對柔性基礎(chǔ)（路堤荷載）下樁土應(yīng)力比研究較少。

1.理論分析

在柔性基礎(chǔ)復(fù)合地基（路堤荷載）下，樁土應(yīng)力比在荷載的施加瞬間為1。褥墊層的彈性模量必須大于基礎(chǔ)的彈性模量，其主要作用是為了限制樁土間產(chǎn)生相對位移差，將荷載從土體向樁體轉(zhuǎn)移。柔性基礎(chǔ)不具有使樁土協(xié)調(diào)變形的能力，因此無法將荷載向樁體轉(zhuǎn)移，所以柔性基礎(chǔ)樁土應(yīng)力比要比剛性基礎(chǔ)下偏小許多，在這種基礎(chǔ)下，樁土應(yīng)力比主要受樁體刺入量控制，所以隨著褥墊層厚度變大，樁體的刺入量將變小，樁土應(yīng)力比就變大。樁土應(yīng)力比隨著褥墊層彈性模量的增大而增長。

2.現(xiàn)場試驗(yàn)

為了研究剛?cè)釓?fù)合地基在路堤荷載下的樁土應(yīng)力比，在某高速公路軟基試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要是測定樁及樁周土的應(yīng)力。在攪拌樁區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，攪拌樁樁徑為50cm，水泥標(biāo)號425#。樁間距為1.2m，樁長10m，以穿透軟土層進(jìn)入硬土層0.5m為準(zhǔn)，布樁方式為梅花形。樁頂部鋪設(shè)30cm厚細(xì)砂，然后鋪鋼塑格柵。此次試驗(yàn)段在攪拌樁區(qū)路基位置設(shè)計(jì)埋設(shè)雙層共六個(gè)土壓力盒，如圖1所示。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

攪拌樁區(qū)格柵下樁土應(yīng)力比見圖2，樁土應(yīng)力比與荷載和時(shí)間的關(guān)系有如下特征：

（1）在加載初始時(shí)，加載高度較小，荷載較小，樁及樁周土承擔(dān)的荷載較小，樁土應(yīng)力比取值也較小，加載高度達(dá)到1.5m以前，樁土應(yīng)力比保持在1.2左右，變化不大。說明加載較小時(shí)，樁及樁周土間基本沒有沉降差，荷載較小時(shí)，砂墊層還不能有效的調(diào)節(jié)荷載，樁和土的壓力保持一致。當(dāng)加載高度超過1.5m，隨著荷載的增加樁土應(yīng)力比增長迅速，當(dāng)加載高度達(dá)到2.48m時(shí)到出現(xiàn)一個(gè)峰值，樁土應(yīng)力比分別達(dá)到19.3、9.4。說明荷載增大，樁土間沉降差變大，軟弱下臥層內(nèi)附加應(yīng)力增大，上部所加荷載通過墊層快速由土體向樁體轉(zhuǎn)移，從而樁承擔(dān)了大部分荷載，而土體承擔(dān)荷載較小，樁土應(yīng)力比增大。

圖2 攪拌樁區(qū)格柵下樁土應(yīng)力比變化曲線

圖3 攪拌樁區(qū)格柵上樁土應(yīng)力比變化曲線

（2）當(dāng)加載高度超過2.48m，樁土應(yīng)力比沒有繼續(xù)增大，反而開始不斷減小，其減小的趨勢一直持續(xù)到全部荷載加載10天左右。分析原因，認(rèn)為在此階段內(nèi)樁和樁間土所承擔(dān)的荷載均隨著所加荷載的增加而增加，但土體荷載增加的速度比樁頂荷載的增加幅度要大。當(dāng)加載達(dá)到一定高度，樁體應(yīng)力增大，樁體本身在受到較大應(yīng)力下將發(fā)生比較明顯的壓縮變形，而且土體的變形往往發(fā)生在深層部位，從而使得樁土應(yīng)力比增加的比較滯后，也就出現(xiàn)了上述樁土應(yīng)力比隨荷載增大而由大變小的現(xiàn)象。

（3）在加載高度達(dá)到4m，10天后樁土應(yīng)力又開始逐漸增加，樁土應(yīng)力比的最大值也在該階段出現(xiàn)，分別達(dá)到25、13。該階段，試驗(yàn)已進(jìn)行100天以上，樁體發(fā)生了明顯的沉降，樁側(cè)阻力隨著樁體的沉降而增大，樁端阻力基本不變，從而樁體承擔(dān)的總荷載增加顯著，此時(shí)樁周土體沉降加大，上部荷載由土體向樁體轉(zhuǎn)移。樁周土的彈性模量隨著土體的固結(jié)增大，當(dāng)加載達(dá)到較長時(shí)間后，樁土應(yīng)力比再次出現(xiàn)減小的趨勢。

攪拌樁區(qū)格柵上樁土應(yīng)力比見圖3，樁土應(yīng)力比與荷載和時(shí)間的關(guān)系有如下特征：

由圖中可以看出，樁土應(yīng)力比變化不大，基本穩(wěn)定在某一值，4#/5#和6#/5#的樁土應(yīng)力比分別穩(wěn)定在1.0和1.5左右。查閱相關(guān)勘察資料，兩者的樁土應(yīng)力比存在差別主要是因?yàn)樗幬恢玫鼗恋牟町?。加載初期，荷載會逐漸向樁頂調(diào)整，但這種調(diào)整幅度是不大的。當(dāng)一次性加載高度在1.35m后，樁土應(yīng)力比開始變小，6#/5#樁土應(yīng)力比甚至出現(xiàn)小于1.0的情況。

本次試驗(yàn)樁間土壓力采用樁間土中心處的壓力，根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對填砂高度進(jìn)行反算，見表1。從中可見得到如下結(jié)論，格柵上樁頂荷載的平均值較格柵下平均值大51.25kN，多出的荷載就是加筋墊層轉(zhuǎn)移的部分，考慮到該荷載應(yīng)扣除樁頂所對應(yīng)的均布荷載，樁頂由樁間土轉(zhuǎn)移的荷載實(shí)際只有33.1kN。從表中可以看出，反算后得到的填砂高度比實(shí)測得到的填砂高度要低，除了1#/2#反算得到的填砂高度大于實(shí)際填砂高度外，其余三組反算高度數(shù)據(jù)都小于實(shí)測高度值，從而證明了樁間土平均土壓力高于樁間土中心處土壓力，這與武崇福等人得到的結(jié)論是一樣的。為了減少計(jì)算誤差，有必要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，修正過程中首先假定樁頂土壓力是準(zhǔn)確的，繼而通過每根樁加固面積上受到的總荷載，計(jì)算出該樁加固范圍內(nèi)的平均土壓力。根據(jù)上述方法，計(jì)算結(jié)果見表2，可以看出推算出的樁間土平均壓力遠(yuǎn)大于原樁間中心土壓力值，從而證明樁間土壓力分布是不均勻的，在今后安置土壓力盒時(shí)這點(diǎn)是必須考慮進(jìn)去的。表2中計(jì)算得到的樁土應(yīng)力比為5.8，需要指出該值只是樁頂位置處的指，樁頂以下與樁頂不同，土體會繼續(xù)向樁體轉(zhuǎn)移荷載。

表1 攪拌樁區(qū)填砂高度反算值

表2 修正后的攪拌樁區(qū)樁土應(yīng)力比

4.結(jié)語

（1）樁體模量、樁長、土體性質(zhì)是決定樁土應(yīng)力比的最重要的要素。托板、褥墊層、土工隔柵和樁側(cè)負(fù)摩阻力是柔性基礎(chǔ)下荷載從土體向樁體轉(zhuǎn)移的主要途徑，因此施工過程中要按照土體與樁體的基本性質(zhì)，正確的分配各部分，達(dá)到復(fù)合地基中增強(qiáng)體與土體能夠共同協(xié)同承受上部荷載。

（2）在逐漸加載的過程中，攪拌樁的樁土應(yīng)力比總體呈逐漸增大的趨勢；但在加載中期，由于土體變形往往發(fā)生在深層部位，其壓縮變形較慢，而樁體壓縮變形相對較快，短時(shí)間內(nèi)會出現(xiàn)樁土應(yīng)力比隨荷載增大而減小的現(xiàn)象。

（3）樁周土上土壓力分布在復(fù)合地基中很不一致，現(xiàn)場實(shí)測得到的土壓力值代表性較差，同時(shí)準(zhǔn)確性不高，因此建議根據(jù)樁體上壓力值反算得到樁間土壓力值。

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