邊載作用下復合地基沉降及差異沉降研究

李秋彬，喬京生

(1.唐山市政府投資工程建設管理中心，河北 唐山 063000;2.唐山學院 土木工程系，河北 唐山 063000)

近年來CFG樁復合地基已在全國23個省、市廣泛推廣使用，與樁基相比，由于CFG樁樁體可以摻入工業廢料粉煤灰、不配筋以及充分發揮樁間土的承載能力，工程造價一般為樁基的1/3～1/2，經濟效益和社會效益非常顯著。

目前隨著試驗研究的不斷深入、新的施工設備和施工工藝的出現，荷載很大的高層和超高層建筑地基處理工程不斷增多。和多層建筑相比，高層和超高層建筑基礎埋深大，一般不低于5 m，有的甚至達到20 m?；A埋深大、邊載大，邊載對復合地基承載性狀有什么樣的影響，實際工程中應如何考慮邊載效應，是需要解決的一個重要問題。

本文通過模型試驗，研究了四種邊載情況下CFG樁復合地基沉降和差異沉降特性。并根據試驗數據經線性回歸得到邊載效應下復合地基沉降計算的經驗公式，為復合地基設計提供了技術支持。

1 模型試驗設計

1.1 準則方程及參數

由于影響復合地基應力、變形的因素很多，采用矩陣法推導準則方程為

式中，σP為樁體應力;σS為土體應力;μ為沉降;Pb為邊載;P為荷載;L為樁長;D為樁徑;Sa為樁間距;EP為樁的彈性模量;ES為土體壓縮模量;ES1為加固區土體的壓縮模量;ES2為下臥層土體的壓縮模量;ESC為褥墊層彈性模量;γ為土體的密度;φ為土體的內摩擦角;C為土體的黏聚力;υ為土體的泊松比;e為土體的孔隙比;H為褥墊層厚度;A為樁橫截面面積。

1.2 試驗內容

模型試驗利用城市地下工程相似模擬試驗系統完成，共進行了8組模型試驗，量測不同等級豎向荷載、邊載作用下復合地基中樁、邊樁、角樁的沉降及總體沉降，以及中樁、邊樁、角樁的樁頂應力和樁端應力。試驗內容及主要參數列于表1。

表1 試驗內容及參數

1.3 試驗方案

1.3.1 模型材料

1)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可知［3-4］:采用粉質黏土作為模型土。壓縮模量:加固區為4.2 MPa;下臥層為11.5 MPa。

2)模型樁。本文以CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復合地基為研究對象，按實際工程配比制作模型樁，同時制作試塊養護28 d后經過試驗，測得立方體抗壓強度為14.5 MPa，彈性模量為11 200 MPa。

3)褥墊層。褥墊層采用粒徑不大于1.5 mm的細砂。

1.3.2 測試設備元件(見表2)

表2 測試設備及元件

2 邊載作用下CFG樁復合地基沉降研究

有無邊載的條件下，CFG樁復合地基荷載試驗的P—s曲線見圖1。邊載作用使得 CFG樁復合地基承載力有較大提高，同一荷載作用下，有邊載條件下的沉降量低于無邊載條件下的沉降量，且邊載越大這種趨勢越明顯。以9根樁復合地基為例:在豎向荷載P=400 kPa時，邊載 Pb=100 kPa，150 kPa，200 kPa 時復合地基總沉降分別是無邊載時的89%，79%和71%。如以s/b=0.01(s為沉降量，b為加載板寬度)對應的荷載為地基承載力，則邊載 Pb=0，100 kPa，150 kPa，200 kPa時的地基承載力分別為405 kPa，440 kPa(提高 9%)，455 kPa(提高 12%)和 478 kPa(提高 18%)。

圖1 3根樁、9根樁復合地基P—s曲線

3 邊載作用下CFG樁復合地基差異沉降研究

圖2 3根樁復合地基不同邊載下中邊樁差異沉降曲線

圖3 9根樁復合地基不同邊載下中邊樁、中角樁差異沉降曲線

從圖2和圖3可以看出，無論3根樁復合地基還是9根樁復合地基，在豎向荷載作用下都存在差異沉降，差異沉降隨豎向荷載的增加有增大趨勢。群樁中的樁間土由于受到樁的遮攔作用，在豎向荷載作用下，將產生較大的法向應力，但這種法向應力，對于中樁、邊樁和角樁的樁周土來說，由于樁的約束作用不同也是不一樣的。對于角樁來說，樁周土的約束最小，所以其法向應力最小。邊樁樁周土次之，中樁樁周土在荷載作用下的法向應力最大。這種法向應力的不同導致了樁周土對中樁、邊樁、角樁側摩阻力的不同。如前所述，這種法向應力隨土體深度的增加而很快減弱，所以只對負摩阻力產生較大影響，樁身最大應力者仍為中樁，邊樁次之，角樁最小。對于深部土體來講，中樁、邊樁、角樁受其它樁的應力疊加的程度也是不同的。中樁受其它樁的應力傳遞影響最大，邊樁次之，角樁最大。所以，中樁的樁側正摩阻力最小，邊樁次之，角樁最大，但相差不大，最終導致樁端應力和沉降的大小排序為中樁、邊樁、角樁。

而隨著邊載的增加，差異沉降也隨之增大，這主要是由于邊載的約束作用對邊、角樁發揮較大，使邊樁、角樁沉降減小，中樁距邊載作用點相對較遠，約束作用不明顯，故中樁的沉降仍較大，這一點可以通過3根樁復合地基與9根樁復合地基沉降差的比較可以看出，3根樁復合地基中邊樁沉降差明顯小于9根樁復合地基，這是由于3根樁復合地基受邊載影響較大，而9根樁復合地基的中樁相對距離邊載作用點較遠，而實際工程中，中間區域的樁距離邊載更遠，這種現象將更加明顯，在實際工程中應給予高度重視。

4 邊載作用下CFG樁復合地基深層變形特性

由深層變形標測量的復合地基在不同荷載作用下不同深度處的變形，繪制的CFG樁復合地基中各深度的變形曲線如圖4所示?？梢钥闯觯诤奢d板下部，有邊載條件下的變形量小于無邊載條件下的變形量;而荷載板以外的變形量則大于無邊載條件下的變形量。由于邊載的作用抑制了基礎外側土體向上隆起，導致同一深度處的變形趨于均勻化。

圖4 有無邊載(邊載為200 kPa)時CFG樁復合地基不同深度的變形曲線(單位:mm)

5 邊載作用下CFG樁復合地基沉降計算研究

目前復合地基沉降計算公式較多，但很少考慮邊載影響，本文結合模型試驗數據，在傳統復合地基沉降計算的基礎上，提出考慮邊載效應的復合地基計算公式為(適用于樁數不多于10根的情況)

式中，spb為邊載作用下復合地基沉降;pb為邊載;s0為無邊載作用下復合地基沉降。

6 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，試驗研究了不同等級邊載條件下群樁復合地基沉降及差異沉降特性。得到如下結論:

1)在邊載效應作用下，復合地基沉降比無邊載時有所降低，承載力提高;邊載作用為100，150和200 kPa時，承載力較無邊載時分別提高9%，12%和18%。

2)有邊載作用和無邊載作用的復合地基都存在差異沉降，且隨著樁數增加，有邊載作用的復合地基差異沉降有增大趨勢。

3)提出基于邊載效應的復合地基沉降計算公式，可結合無邊載的復合地基沉降計算，得到邊載效應下復合地基的沉降。

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