不同樁土剛度比樁體復合地基模型試驗研究

孫晉永 趙 維 馮國杰

0 引言

自1962年國際上首次使用“復合地基”(composite foundation)一詞以來,伴隨各種地基處理技術的發展,復合地基被越來越廣泛的應用于各種工業與民用建筑,也應用于一些水利工程如大壩地基處理,公路、鐵路路基處理也經常采用復合地基[1]。

在荷載作用下,散體材料樁、柔性樁和剛性樁的荷載傳遞規律是不相同的,同樣在不同含水率地基土中,同一材料樁體的荷載傳遞規律也不相同。其主要影響參數可用樁土剛度比來描述。樁土剛度比是指復合地基中,樁體與地基土的相對剛度,王啟銅(1991年)建議樁體剛度比定義如下:

其中,K為樁土剛度比;λp為樁的柔性指數;λl為樁的長徑比;E為樁體彈性模量;Gs,Es,vs分別為樁間土的剪切模量,彈性模量和泊松比;r為樁徑;L為樁長。

因此,為了研究不同樁土剛度比復合地基沉降、樁土應力比及樁身應變的變化規律,進行本次模型試驗。試驗采用改變樁體材料以改變樁體剛度,改變地基土的含水率以改變土的彈性模量和泊松比從而改變樁土剛度比。采用兩種不同樁體材料和四種不同含水率地基土來進行試驗。

1 試驗準備

1.1 試驗裝置制作

參考國內外相類似的樁基室內模型試驗箱(槽)[3],本文采用的樁基模型箱內凈空尺寸(長×寬×高)為2×75 cm×70 cm×100 cm(見圖1)。模型箱壁為鋼板,其試驗裝置如圖2所示。荷載板采用長×寬×厚為50 cm×50 cm×14 cm的鋼板(中間預留沉降標孔)。

1.2 試驗樁間土的選取

試驗樁周土采用黏土,各項性質指標見表1。試驗時分3層人工填實,并確保各組試驗有相近的密實度。

表1 填土的主要性質指標

1.3 試驗樁模型制作

試驗樁采用木樁和聚氨酯橡膠樁,樁徑為6 cm,樁長 L=50 cm,實測木樁的靜彈性模量 E=9.36×103MPa,橡膠樁的靜彈性模量為65 MPa。在樁體表面利用防水膠體粘結一層粗砂,增大樁土摩擦力和防水性能。

2 試驗內容和方法

2.1 試驗設計

為了研究不同樁土剛度比對復合地基沉降、樁土應力比、樁身軸力的影響及地基的變化規律,本文共設計了8組豎向靜載試驗,試驗共兩種樁體材料,A組為聚氨酯橡膠樁,B組為木樁。試驗裝置布置見圖2,試驗類型及含水率見表2。樁平面布置采用正三角形,七根樁,分三排布置,樁間距200 mm。將樁體及測量儀器預先埋設在土體中,樁體、土壓力盒的埋設高程誤差小于2%,每個樁體上貼 4片應變片,間隔 160 mm。采用直徑為28 mm,厚度為10 mm的應變式土壓力盒測定樁頂及樁間土壓力。采用沉降標及大量程百分表測讀土層及樁頂沉降量。采用15 cm厚、粒徑在5 mm～10 mm之間的碎石持力層模擬摩擦端承樁,樁周土為厚度500 mm的黏土。利用液壓式千斤頂加壓力式傳感器系統作為控制加壓系統。

表2 試驗類型及含水率 %

2.2 測試方法

參考JGJ 79-2004建筑地基處理技術規范[5]中的復合地基荷載試驗要點進行試驗,試驗采用油壓千斤頂反向進行加載,快速維持荷載法,考慮相對穩定,每隔15 min加 1級荷載,并按照《規范》的規定進行。

3 試驗結果及分析

3.1 地基沉降

在試驗加載板的兩邊同時設置兩個大量程的百分表,在每級加載穩定后讀取百分表讀數,取兩百分表的平均值為每級加載的最終沉降量,由此可得每級荷載與地基總沉降的關系曲線圖。

3.1.1 柔性樁復合地基沉降分析

由圖3可知,從A1組試驗開始,隨著含水率的增加,地基沉降越來越大。八級加載結束后,A1組～A4組試驗的沉降分別為27.28 mm,27.35 mm,43.72 mm,60.08 mm。

A1及A2試驗地基總沉降相差不大,其地基含水率接近于地基土塑限。隨著含水率的增加,A3,A4試驗地基沉降分別比A1增大16.44 mm,32.80 mm,增大幅度分別為60.3%,120.2%。由此可知,當地基含水率達到一定程度時(本試驗含水率值在液塑限含水率中點附近),已經不適合用單獨豎向增強體復合地基的方式來處理地基,應選用另外的地基處理方式。

3.1.2 剛性樁復合地基沉降分析

圖4曲線變化規律同A組試驗。八級加載結束后,B1～B4組試驗的沉降分別為14.53 mm,21.88 mm,36.33 mm,50.77 mm。

從地基土塑限含水率附近含水率增加開始,復合地基的沉降也逐漸增大,B2,B3,B4試驗地基沉降分別比B1增大7.35 mm,21.80 mm,36.24 mm,增大幅度分別為50.6%,148.7%,249.4%。地基沉降增大幅度遠遠大于地基土含水率的增大幅度。由此可見,地基土含水率的增加,對地基沉降產生了較大的影響,地基沉降的過大增加,必然嚴重影響到地基的使用功能。因此對于地基土含水率較高的工程,應采取多種手段來處理地基。

3.1.3 柔性樁剛性樁復合地基沉降對比分析

以上分析可知,剛性樁及柔性樁復合地基中,隨著含水率的增加,地基沉降都大幅度的增大,在液限含水率附近,地基沉降比在塑限附近增大幅度均超過100%,均嚴重影響到了復合地基的使用功能。由圖3與圖4對比分析可知,在同樣含水率情況下,柔性樁復合地基沉降大于剛性樁復合地基沉降。隨著含水率的增加,剛性樁復合地基沉降的增大幅度遠大于柔性樁復合地基沉降的增大幅度。其主要原因還在于柱體剛度大小區別,柔性樁復合地基剛度較小,同樣壓力下,比剛度較大樁體復合地基沉降要大。由于柔性樁剛度較小,在復合地基承受壓力相同的情況下,樁體的壓縮量要大于剛性樁,其土體的壓縮量同樣大于同條件下的剛性樁復合地基,隨著荷載的增加,柔性樁復合地基中地基土的壓縮量已經有限,其增大的幅度要小于剛性樁復合地基中的地基土。隨著地基土含水率的增加,地基加載后期的地基沉降主要以地基土的沉降為主,所以,剛性樁復合地基沉降量增大幅度要遠遠小于柔性樁復合地基。

3.2 樁土應力比

3.2.1 柔性樁復合地基樁土應力比分析

由圖5可知,隨著含水率的增大,樁土應力比明顯增大,且變化幅度較大,八級加載結束后,A1組～A4組試驗的樁土應力比分別為8.9,11.5,16.3和21.1,后三組試驗比A1組試驗樁土應力比增大2.6,7.4,12.2,增大幅度為29.2%,78.7%,137.1%,經計算A2試驗中,在加載板160 kPa作用下,中樁樁體的平均應力達到1 156.8 kPa,對于柔性樁而言,其早已超過了樁體的破壞強度,因此,在含水率較大的地基土中,使用柔性樁體復合地基處理地基已經不適用。

3.2.2 剛性樁復合地基樁土應力比分析

由圖6可知,隨著含水率的增大,樁土應力比明顯增大,且變化幅度較大,八級加載結束后,B1組～B4組試驗的樁土應力比分別為 29.5,38.4,49.3和 60.1,后三組試驗比B1組試驗樁土應力比增大8.9,19.8,30.6,增大幅度為30.2%,67.1%,103.7%。B4試驗中的樁土應力比B1試驗已經增大1倍,此時,對樁體強度要求較高,樁體已承擔非常大的地基壓力,地基土的承載力被局限在一個較小的范圍。當地基土含水率較大時,樁體復合地基的受力特性接近于樁基礎。

3.2.3 柔性樁、剛性樁地基樁土應力比分析

由以上分析可知,隨著地基土含水率的增加,柔性樁與剛性樁復合地基的樁土應力比都明顯增大,在液限附近的樁土應力比與塑限附近的樁土應力比增大幅度均超過100%。在含水率較大時,單一的豎向增強體復合地基已經比較難以滿足地基處理的需要。

由圖5與圖6對比分析可知,隨著含水率的增大,柔性樁復合地基的樁土應力比增加的速率變的不穩定,曲線斜率出現明顯的拐點。A3,A4試驗中,在加載后期,樁體應力比的增大速率明顯小于加載前期。而在剛性樁復合地基中,樁土應力比的增加速率較為穩定,曲線斜率沒有明顯的拐點。在柔性樁復合地基中,柔性樁剛度較小,其在荷載作用下的變形量遠大于同樣荷載作用下剛性樁的變形量,當復合地基的沉降達到一定程度時,柔性樁復合地基中地基土的變形量已經相當有限,地基土已經承擔了相當部分的地基壓力,故在荷載增加的情況下,地基土承載力繼續增加,樁土應力比的增加速率減緩。而在同樣荷載下,剛性樁復合地基中地基土的壓縮量遠遠小于柔性樁復合地基中地基土壓縮量,在荷載繼續增加的情況下,地基土繼續被壓縮,其承擔地基壓力的增大速率小于柔性樁復合地基,因此,其樁土應力比增大速率基本保持穩定。

3.3 樁身應變

3.3.1 柔性樁復合地基樁身應變分析

A1～A4試驗中,隨著地基含水率的增大,樁體最大應變位置逐漸發生變化,且各個位置的應變大小也發生變化。

A1試驗中,樁身應變最大位置發生在第2應變片附近,A2試驗中,最大應變位置發生變化不大,但各個位置應變均有所增大,地基含水率的增加,導致樁土應力比的增加,使樁體承受更多的壓力,樁體本身應變增大。A3,A4試驗中,樁體最大應變位置逐漸向樁頂轉移,且各個位置的應變均有不同幅度的增大。樁頂附近應變增大值最大。隨著含水率的增大,樁體與地基土的摩擦力越來越小,由于差異沉降出現的樁側負摩阻力越來越不明顯,而由于樁土應力比的進一步增大,樁頂承擔了越來越多的壓力,在加載后期,樁體壓縮量同土體壓縮量逐漸趨于一致,因此,在加載最后,樁側負摩阻力逐步消失,樁全長受到對承載力有利的樁側阻力,樁體應變由上到下逐步減小。

3.3.2 剛性樁復合地基樁身應變分析

B1～B4試驗中,隨著地基含水率的增大,樁體最大應變位置逐漸向上移動,且各個位置的應變大小均有不同幅度的增加。B1試驗中,由于差異沉降及樁土摩擦力較大,樁長全程分布負摩阻力,在樁體底部附近應變最大。隨著含水率的增加,樁土摩擦力減小,雖然差異沉降增大,但在樁體下部的土體壓縮量逐漸減小,因此,樁側負摩阻力分布長度有所減小,樁體最大應變位置上移,B2,B3,B4試驗均是如此。由上一節樁土應力比分析可知,隨著地基土含水率的增大,樁體應力比越來越大,樁體承擔的荷載也越來越多,樁體應力也越來越大,B2,B3,B4試樣樁身應變圖與樁土應力比分析得到同樣的結論。由于地基土含水量的增大,樁側摩阻力隨之減小,樁體應變的分布更加均勻。

3.3.3 柔性樁剛性樁復合地基樁身應變對比分析

隨著地基土含水率的增加,柔性樁與剛性樁復合地基的樁身應變都變的越來越大,且相對比較均勻。樁身應變最大值位置沿樁長由下往上轉移,當地基土含水率接近液限時,樁側阻力對樁體的應變影響變的很小,樁身應變最大值均位于樁頂附近,最大應變與最小應變值相差很小。說明不論在剛性樁復合地基或柔性樁復合地基中,地基土含水率對樁體應變的影響規律基本一致。

由A組,B組試驗對比分析可知,隨著含水率的增加,樁側摩阻力對柔性樁樁身應變的影響要大于剛性樁樁身應變。其主要原因在于柔性樁剛度較小,對樁側摩阻力的影響反應敏感,而對剛性樁來說,樁體承擔的壓力遠大于樁側摩阻力,摩阻力的變化對樁體的影響較小。

4 結語

1)隨著含水率的增大,地基沉降越來越大,在地基土含水率接近液限時,地基沉降已經超過地基土塑限附近含水率地基沉降的1倍以上。2)隨著地基土含水率的增加,柔性樁與剛性樁復合地基的樁土應力比都明顯增大,在液限附近的樁土應力比與塑限附近的樁土應力比增大幅度均超過100%。3)隨著地基土含水率的增加,復合地基中樁土應力逐漸增大,樁體最大應變處沿樁體長度方向由下往上轉移,在含水率較大時,樁體的應變分布規律同端承樁基的應變分布規律接近。因此,在地基含水量較大時,單一的豎向增強體復合地基較難滿足地基設計的要求,建議采用多種方法交叉使用來處理地基。

注:本論文在試驗,數據處理及寫作過程中,羅士妹同樣做了非常多的工作。

[1]鄭 剛.高等基礎工程學[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2]龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]宰金珉,將 剛,王旭東,等.復合樁基非線性共同作用模型試驗設計與研究[A].第24屆全國土工測試學術研討會論文集[C].北京:黃河水利出版社,2005:27-32.

[4]李紅艷,隨世忠,劉洪利.復合地基沉降計算[J].山西建筑,2009,35(11):97-98.

[5]JGJ 79-2004,建筑地基處理技術規范[S].