CFG樁復合地基樁土荷載分擔比的試驗研究

康洪震,孟慶娟,喬京生

(唐山學院土木工程系,河北唐山 063000)

CFG樁復合地基樁土荷載分擔比的試驗研究

康洪震,孟慶娟,喬京生

(唐山學院土木工程系,河北唐山 063000)

樁土荷載分擔比是反映復合地基力學性狀的重要參數。本文利用國內大型三維大型模型試驗臺——中國礦業大學(北京)城市地下工程相似模擬試驗系統進行了8組模型試驗。試驗分析了荷載、樁長、褥墊層厚度、加固區土體模量對樁土荷載分擔比的影響,并根據試驗數據經線性回歸得到樁荷載分擔比的經驗公式。該公式與實際工程檢測數據相比較達到較高的精度,可以直接應用于工程設計。

復合地基;樁土荷載分擔比;模型試驗;褥墊層

樁體復合地基中樁體和樁間土共同承擔上部荷載。通常將樁、土承擔的荷載與總荷載之比稱為樁、土荷載分擔比(分別為δP,δS),是反映復合地基工作狀態的重要參數[1],也是復合地基承載力和沉降計算的重要指標。影響樁、土荷載分擔比的因素很多,本文通過模型試驗分析了荷載、樁長、褥墊層厚度、加固區土體模量等四個比較重要的影響因素對樁土比的影響。并根據試驗數據經線性回歸得到樁荷載分擔比的經驗公式,為復合地基設計提供了技術支持。

1 模型試驗簡介

本文所進行的模型試驗是利用中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院的城市地下工程相似模擬試驗系統完成的,該試驗系統是國家“211工程”的重點建設項目,是國內最大的三維模型試驗臺,在國內處于領先地位[2]。

進行8組試驗:改變樁長三組、改變褥墊層厚度三組、改變加固區土體模量二組。幾何相似比1∶20。

試驗方案:模型土體根據規范并結合北京、天津、唐山等地大量采用復合地基處理的工程實例[3],我們采用粉質粘土作為模型土。采用通過調整粘土含水率的方法區分加固區土層和下臥土層。下臥土層直接采用粉質粘土,加固土層將粉質粘土加適量水使其含水量控制在25%。填土過程中按每層虛鋪15 cm,夯實充分固結后進行試驗。對于加固區采取不同的夯實力度,形成不同的土體模量,經土工試驗測定土體壓縮模量分別為4.2 MPa,6.8 MPa,14 M Pa。模型樁以CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復合地基為研究對象,根據工程實例及資料可知用于高層的CFG樁強度等級:C15～C25 MPa[4]。經過多次試驗并考慮模型的幾何相似比確定模型樁。水泥含量:12%;粉煤灰含量:10%;碎石(由于碎石粒徑為3～5 cm,幾何相似比為1∶20,故以粒徑小于5 mm的中砂代替)63%;水:15%。制作模型樁的同時制作試塊,養護28 d后經過試驗,測得立方體抗壓強度14.5 MPa,彈性模量為11 200 M Pa。褥墊層采用1.25 mm標準篩篩分后的細砂。

表1 試驗內容及參數

2 試驗結果及分析

2.1 不同樁長的復合地基

圖1給出了不同樁長的單樁復合地基的樁土荷載分擔比。復合地基承受荷載時,樁和樁間土都要發生沉降變形,由于樁的模量遠大于土的模量,因此樁的變形比土的變形小。由于基礎下設置了一定厚度的褥墊層,樁可以向上刺入,伴隨這一過程,墊層材料不斷調整補充到樁間土上,以保證基礎始終把一部分荷載傳遞到樁間土上,也就能保證在任意荷載作用下樁和樁間土始終參與工作。加荷初期,樁周土承擔較大荷載,樁承擔的荷載相對較小,樁還有較大的發揮余地,樁土位移的調節沒有穩定,因此樁土荷載分擔比也不會穩定。隨著荷載增加,樁體承擔的荷載比例逐漸加大而土承擔的荷載比例減小,樁土荷載分擔比隨荷載增加逐漸提高,樁的作用得到較為完全的發揮,進入樁土共同承擔荷載的階段。當荷載很大時,樁的支撐作用已非常明顯,此時荷載的分擔開始轉向主要由樁來承擔,樁土位移與應力比之間的調節趨于穩定并使應力比達到峰值,且逐漸穩定。

可以看出,樁土荷載分擔比隨樁長增加而加大,即樁越長其承擔荷載越多,且隨著荷載逐漸加大這種趨勢更明顯(300 kPa時,樁長為1-m,9 m的單樁復合地基樁荷載分擔比約高于6 m單樁復合地基樁荷載分擔比3%和6.2%, 500 kPa時,樁長為1-m,9 m的單樁復合地基樁荷載分擔比約高于6 m單樁復合地基樁荷載分擔比9.3%和18.6%)。

圖1 單樁復合地基樁土荷載分擔比

2.2 不同褥墊層厚度的復合地基

對樁長為6 m的單樁復合地基采用4種褥墊層厚度: 0 m,0.1 m,0.2 m,0.3 m,分別進行模型試驗。

從圖2可以看出,隨褥墊層厚度的增加樁土荷載分擔比有較大變化,褥墊層厚度越大,樁分擔荷載越少,土分擔荷載越多。故褥墊層厚度對樁土荷載的分配具有良好的調節作用。但隨著墊層厚度的增加,它對應力調節的作用迅速減小,進一步增加厚度,褥墊層的效果將越來越不明顯,在工程上也不經濟。同時,在工程實踐中也要避免褥墊層過薄,至少應保證場地平整的要求。其最佳厚度應控制在 0.1～0.3 m。

圖2 不同褥墊層厚度復合地基樁土荷載分擔比

2.3 不同加固區土體模量的復合地基

從圖3可以看出加固區土體模量的變化對復合地基樁土荷載分擔比和荷載分擔都產生一定影響,加固區土體模量越大,土體越能承受更多的荷載,使土的分擔比加大,樁土荷載分擔比減小(p=300 kPa,加固區土體模量分別為4.2 M Pa,6.8 MPa,14 MPa時的樁荷載分擔分別為39%, 33.8%和21%)。

3 樁土荷載分擔比經驗公式推導

根據模型試驗結果,樁土荷載分擔比主要與以下無量綱參數有關:荷載水平 p/p0,(為方便起見,取 p0=500 kPa),樁長與樁徑之比L/D,褥墊層厚度與樁徑之比 H/D,樁體彈性模量與加固區土體壓縮模量之比 EP/ES。利用試驗數據,通過線性回歸可以得到樁荷載分擔比的無量綱經驗公式

圖3 不同加固區土體模量復合地基樁土荷載分擔比

表1 樁土荷載分擔比統計 %

4 精度檢驗

唐山曹妃甸工業區首鋼某工程為確保均勻沉降,采用CFG樁復合地基,樁長18.5 m,樁徑0.415 m,褥墊層厚度0.15 m,樁體彈性模量1-500 M Pa,加固區土體平均壓縮模量9.6 M Pa。對122號樁進行了樁土荷載分擔比的測試,與公式計算結果相比較(見表1),由表1可見利用公式計算的樁土荷載分擔比與現場測試值之差控制在10%以內,達到了較高的精度。

5 結論

本文利用城市地下工程相似模擬試驗系統進行了8組模型試驗,分析了荷載、樁長、褥墊層厚度、加固區土體模量對樁土荷載分擔比的影響,并根據試驗數據經線性回歸得到樁荷載分擔比的經驗公式,經檢驗,達到較高精度,可為復合地基設計提供技術支持。

[1] 龔曉南.復合地基設計和施工指南[M].北京:人民交通出版社,2003:27-32.

[2] 喬京生.復合地基及變剛度復合地基的力學性狀研究[D].北京:中國礦業大學,2005.

[3] 牛志榮,李宏,穆建春,等.復合地基處理及其工程實例[M].北京:中國建材出版社,2000:363-390.

[4] 徐至鈞.水泥粉煤灰碎石樁復合地基[M].北京:機械工業出版社,2004:45-69.

(責任編校:李聰明)

Study of Pile-soil Load Share Ratio of CFG-Pile Composite Foundation with Model Experiment

KANGHong-zhen,MENG Qing-juan,QIAO Jing-sheng
(Tangshan College,Tangshan 063000,China)

Pile-soil load share ratio is an important parameter for mechanics properties of composite foundation.8 model experiments are conducted by similar simulation experiment system of urban under-ground engineering in China University of Mining&Technology,Beijing campus.Effect of Pile-soil stress ratio by loads,pile length,cushion thickness and reinforced field modulus are studied on the basis of model experiment.This paper puts forward experience formula of pile load share ratio by multivariate linear regression on the basis of experiment data.It show s good agreement with engineering cases.So it can be applied to engineering design directly.

composite foundation;Pile-soil load share ratio;model experiment;cushion

TU47-

A

1672-349X(2010)06-0001-02

2010-10-11

河北省建設科技研究項目(2008-260)

康洪震(1966-),男,博士,副教授,主要從事土木工程研究。