剛性樁復(fù)合地基褥墊層工作性狀分析

1 引言

復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設(shè)置加筋材料，加固區(qū)是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下，基體和增強體共同承擔(dān)荷載的作用。根據(jù)復(fù)合地基荷載傳遞機理將復(fù)合地基分成豎向增強體復(fù)合地基和水平向增強復(fù)合地基兩類，又把豎向增強體復(fù)合地基分成散體材料樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基三種。

復(fù)合地基在荷載作用下，天然土體和樁體共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載。對于散體材料或低粘結(jié)強度樁復(fù)合地基，在荷載作用下，樁體產(chǎn)生側(cè)向變形，樁體和樁間土體的變形可以保證它們能夠共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，因此可以形成復(fù)合地基。

對于剛性樁復(fù)合地基，如果基礎(chǔ)直接作用在復(fù)合地基上，由樁體模量遠遠大干樁周土模量，在上部荷載的作用下，樁周土的壓縮變形遠遠大于樁體壓縮變形，則荷載大部分由樁體承擔(dān)，樁周土的承載能力發(fā)揮受阻，樁土不能共同工作，無法形成復(fù)合地基。

試驗研究表明，在基礎(chǔ)和復(fù)合地基之間加設(shè)—定厚度的散體材料組成的褥墊層，則受力情況會發(fā)生很大的變化。

2 褥墊層作用及工作原理

剛性樁復(fù)合地基碎石褥墊層的概念來源于八十年代末，九十年代初，研究發(fā)現(xiàn)在未設(shè)置褥墊層的情況下，土體僅能發(fā)揮10～20％的作用，于是黃熙齡院士創(chuàng)造性地提出碎石褥墊層概念，土體承載作用顯著提高，如圖2.1、2.2。

有了褥墊層，墊層下土層頂部就能夠承受上部荷載傳下來的壓力。若沒有墊層，采用樁基形式，上部荷載首先壘部傳到樁上，樁間由樁土摩圖2.2。

褥墊層作用及工作原理主要體現(xiàn)在以TJL方面：

(1)使樁、土共同承擔(dān)豎向荷載

褥墊層設(shè)置后，能使樁體的頂部和樁端都有上下刺入變形條件，在給定荷載作用下，樁承擔(dān)較多的荷載，隨著時間增長，樁產(chǎn)生一定沉降，荷載逐漸向樁間土體轉(zhuǎn)移，即使樁端地基士很好，樁端變形小，但樁頂也有向褥墊層刺入條件，所以有了褥墊層能保證樁土較好的共同承擔(dān)外荷載，如圖2.2。

(2)減小基礎(chǔ)的應(yīng)力集中

當(dāng)褥墊層厚度趨干零時，近似鋼筋混凝土樁和承臺的作用，這時承臺基礎(chǔ)要驗算沖切承載力。加了褥墊層后起到擴散應(yīng)力作用，同時樁頂和樁間士應(yīng)力之比值顯著降低，隨著荷載增加應(yīng)力比趨于一常數(shù)值。

(3)使基礎(chǔ)底面壓力分布更均勻

通過散體褥墊層的調(diào)整，隨著荷載增加或變化，能使基底壓力更均勻分布。如圖2，3。

圖2，3基底應(yīng)力集中和褥墊層厚度關(guān)系

(4)抗水平力作用

類似地震作用的水平荷載，剛性樁復(fù)合地基主要是通過基礎(chǔ)與褥墊層之間的摩擦力和基礎(chǔ)側(cè)面土壓力承擔(dān)，褥墊層又是散體結(jié)構(gòu)，所以傳遞到樁體的水平力較小或為零，這就是樁體可不配筋的緣由。

3 褥墊層最佳厚度分析

在進行褥墊層厚度對比過程中發(fā)現(xiàn)，隨著墊層厚度從零開始增加，樁間土承擔(dān)的荷載先增大后趨于穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定值接近樁閥土的承載力，于是就出現(xiàn)了最佳墊層厚度的概念。

褥墊層厚度H=0，此時復(fù)合地基工作性狀類似于樁基礎(chǔ)，在給定的荷載作用下，樁體通過負摩阻力和樁端阻力承擔(dān)大部分荷載，隨著時間的增加，樁頂有—定的沉降，荷載逐漸轉(zhuǎn)向土體。

當(dāng)樁端落在承載力較高的堅硬巖層上時，樁沉降較小，樁間土的作用很難發(fā)揮，當(dāng)樁端落在承載力較小，沉降較大的土層上時，沉降隨著時間增加，此時樁間土能發(fā)揮一定的作用。

褥墊層厚度H>0，即當(dāng)基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置了_定厚度的褥墊層時，基礎(chǔ)承受外荷載后，不論樁端落在何種土層上，樁和樁間土都要發(fā)生沉降變形，由于樁身變形模量遠比樁周土的變形模量大，因而樁比土的變形小得多，此時，樁可以向上刺入褥墊層，伴隨這一過程，墊層材料不斷調(diào)整補充到樁間土上，以保證基礎(chǔ)始終將一部分荷載傳到樁間土上，即可保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作。研究表明當(dāng)褥墊層厚度大于300mm的時候，樁間土分擔(dān)的荷載增加有限，達到其極限承載力，因此，褥墊層一般厚度可取200～300mm。

4 褥墊層對樁土應(yīng)力比的影響

下表為某褥墊層試驗對樁土應(yīng)力比影響數(shù)據(jù)

由上表可知：

(1)當(dāng)墊層厚度一定時，在同一級壓力下，在其它條件不變時，粒徑大亦即剛度大的材料的樁土應(yīng)力比較大。

(2)隨著荷載的增加，樁土應(yīng)力比有下述變化規(guī)律：在加荷初期，由于樁頂?shù)娜靿|層更容易被壓縮，因此，剛性樁發(fā)揮了更大的作用，樁土應(yīng)力比較大；隨著荷載的增加，樁體發(fā)生了反向的刺入，此時樁間土逐漸開始發(fā)揮作用，樁土應(yīng)力比開始減小；隨著壓力的增加，樁端向持力層刺入，此時樁又承擔(dān)了較大的荷載，樁土應(yīng)力比增大。

(3)在墊層厚度相同的情況下，隨著褥墊層模量的增加，褥墊層的剛度增大，樁土應(yīng)力比也隨之增大，這是由于較大的墊層剛度使得地表的變形受到約束，從而樁分擔(dān)的荷載較大，而樁間土分擔(dān)的荷載較小。

(4)墊層材料不同，即褥墊層的剛度不同，褥墊層的作用也不完全相同，墊層粒徑大小(即剛度大小)具有調(diào)整樁土應(yīng)力比的作用。若要充分發(fā)揮樁的承載力，可鋪設(shè)碎石墊層，若要充分發(fā)揮樁間土的承載力，可鋪設(shè)中粗砂墊層。

5 結(jié)語

本文簡要的介紹了復(fù)合地基的特性，并對其性狀主要影響因素褥墊層進行了分析，介紹了褥墊層的工作機理及作用，對褥墊層的最優(yōu)厚度進行了分析，通過一試驗數(shù)據(jù)分析了褥墊層厚度對樁土應(yīng)力比的影響并得到T--些有益的結(jié)論。

參考文獻

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