長短樁復合地基荷載分擔比的試驗研究

葛忻聲，鹿宏偉，李 斌，饒江勇，楊 勇

（1.太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024；2.濰坊工商職業學院，諸城 262234；3.北京市勘察設計研究院，北京 100038；4.湖北省交通規劃設計院，武漢 430051)

長短樁復合地基作為一種較新的地基處理方式，在滿足地基承載力及沉降要求的同時具有較好的經濟性［1］。近年來許多學者對這種新型復合地基進行了初步研究［2-11］，但對其理論研究還遠遠不夠。本文通過室內模型試驗對長短樁復合地基荷載分擔比隨幾種因素的變化規律進行了初步的探討分析，總結其變化規律，分析結果能夠為長短樁復合地基的進一步優化設計提供依據。

1 室內模型試驗方案

模型試驗的模型箱尺寸是100cm×100cm×90 cm，由鋼板和有機玻璃接成方箱，選用太原市汾河沿岸砂土為模型填料（物理力學指標如表1所示)，承壓板采用鋼板，尺寸為560mm×560mm×20mm，采用白色石英砂模擬實際工程中的碎石墊層。

表1 裝箱砂土物理指標

對照試驗采用25樁方案，其中剛性樁9根（長60cm)、柔性樁16根（長30cm)，平面布置如圖1所示。模型樁為空心鋁管（彈性模量為70000 MPa，直徑30mm，管壁厚2mm)和PPR管（彈性模量為800MPa，直徑30mm，管壁厚3.5mm)，樁間距4倍樁徑。

圖1 模型試驗長9短16布樁方式

為測定模型試驗中樁身的軸力，本次試驗在模型樁上安裝應變測量儀器，再根據虎克定律（P＝EAε)將測得的應變值轉化為應力值。樁身上的應變片數據由日本產Super DATA LOGGER 7V08采集儀獲得。應變片均為對稱布置，剛性樁在樁長五等分點布置8片，柔性樁在樁長四等分點布置6片。不同荷載下的長短樁復合地基沉降量測采用對稱布置的3個量程為5cm的百分表，精度為0.01 mm。豎向荷載由液壓千斤頂加載，10到60kN。

筆者研究了不同樁間距、墊層厚度、長樁長度、短樁長度、長樁模量和短樁模量等情況下長短樁復地基逐級加載下荷載分擔比的變化規律。模型試驗參數設計如表2所示。

表2 模型試驗參數設計

2 結果整理及規律研究

樁土荷載分擔比是反映樁土共同工作特性的最直觀指標，隨豎向荷載變化，樁承擔荷載和樁間土承擔荷載發生消長變化。本文中長、短樁的荷載分擔比分別取樁頂軸力和值與上部施加荷載之比。由于褥墊層的存在，樁間土在加載初期就發揮作用，樁的承載力及其在復合地基中的作用需要荷載達到一定級別后才逐漸發揮出來。

2.1 樁間距的影響

圖2是三種樁間距情況下荷載分擔比隨豎向荷載的變化曲線。在加載初期，墊層協調樁間土發揮作用，樁間土的荷載分擔比隨荷載增大而增大，此時長樁的作用略有下降，長樁的荷載分擔比隨荷載增大而減小。繼續加載后，樁比土具有更大的沉降趨勢，長樁的作用逐漸發揮，長樁的荷載分擔比隨荷載增大而增大，樁間土的荷載分擔比隨荷載增大而減小。三組試驗中短樁的荷載分擔比曲線較平緩。

樁間距4d（d為樁徑)時，至加載終止荷載分擔比變化為：長樁增加了13.87%，樁間土減小了12.2%，短樁減小了1.67%；樁間距2d時，至加載終止荷載分擔比變化為：長樁增加了1.8%，樁間土增加了0.09%，短樁減小了1.89%，變化均較小。

結合三組結果可見，樁間距由4d減小到2d，長樁和短樁的荷載分擔比均增大，樁間土的荷載分擔比減小；樁間距減小后，長樁、短樁、樁間土的荷載分擔比曲線較平緩，長樁在加載初期就承擔了較大的荷載，樁間土承擔荷載明顯下降，因此過小的樁間距不利于樁土的協調作用。

圖2 不同樁間距的荷載分擔比

2.2 墊層厚度的影響

圖3 不同墊層厚度的荷載分擔比

圖3是無墊層、2cm墊層、5cm墊層情況下荷載分擔比隨豎向荷載的變化曲線。無墊層加載初期長樁和樁間土荷載分擔比接近，豎向荷載20kN之后長樁和樁間土荷載分擔比差距逐漸增大，長樁在整個荷載分擔比中起主導作用，加載至40kN后荷載分擔比曲線變化較緩；2cm墊層時其荷載分擔比的變化規律同無墊層時較為相似，但與無墊層時相比，長樁的作用有所下降，樁間土的作用有所上升，短樁荷載分擔比稍有增加；5cm墊層加載初期，由于褥墊層的存在外荷載主要由樁間土承擔，隨后長樁受力增大，樁間土的作用下降，長樁荷載分擔比增加，當加載至40kN時，兩者的曲線變得緩和，并逐漸穩定。短樁荷載分擔比較2cm墊層時有所減小。

無墊層時，至加載終止荷載分擔比變化為：長樁增加了32.61%，樁間土減小了32.24%，短樁減小了0.37%；2cm墊層時，至加載終止荷載分擔比變化為：長樁增加了16.16%，樁間土減小了10.63%，短樁減小了5.53%；5cm墊層時，至加載終止荷載分擔比變化為：長樁增加了13.87%，樁間土減小了12.2%，短樁減小了1.67%。

結合三組結果可見，無墊層時長樁和樁間土荷載分擔比差距較大，鋪設墊層后荷載分擔比曲線相對平緩；長樁的荷載分擔比隨墊層厚度的增加而減小，樁間土的荷載分擔比隨墊層厚度的增加而增大，短樁的荷載分擔比較無墊層時大，但隨墊層厚度增加而減小，其整體波動幅度較小，受影響最小。

2.3 長樁長度的影響

圖4是不同長樁樁長情況下荷載分擔比隨豎向荷載的變化曲線。加載初期，樁間土承擔的荷載大于長樁承擔的荷載。隨荷載增加，樁間土的荷載分擔比逐漸減小，長樁的荷載分擔比逐漸增大。整個加載過程中，三組試驗短樁的荷載分擔比曲線較平緩。

圖4 不同長樁長度的荷載分擔比

20cm長樁時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由34.08%增大到49.73%，樁間土由58.84%減小到43.07%，短樁維持在6.34%～7.56%之間；60cm長樁時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由44.24%增大到58.11%，樁間土由48%減小到35.8%，短樁維持在6.03%～7.25%之間。

結合三組結果可見，長樁長度由20cm增加到60cm，長樁的荷載分擔比增大，樁間土的荷載分擔比減小，短樁的荷載分擔比略有減小，但變化不大；20cm長樁時長樁和土荷載分擔比曲線相交于第六級荷載，30cm長樁時長樁和土荷載分擔比曲線相交于第五級荷載，60cm長樁時長樁和土荷載分擔比曲線相交于第三級荷載，這說明增加長樁長度使得長樁能較早地發揮承載力。

2.4 短樁長度的影響

圖5是不同短樁樁長情況下荷載分擔比隨豎向荷載的變化曲線，兩組結果曲線的形態很接近。加載初期，墊層的存在使得樁間土首先發揮承載力。隨荷載增加，長樁的承載力逐漸發揮并不斷上升，樁間土分擔的荷載逐漸減小。整個加載過程中，三組試驗短樁的荷載分擔比曲線較平緩。

圖5 不同短樁長度的荷載分擔比

20cm短樁時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由45.24%增大到59.8%，樁間土由47.06%減小到34.57%，短樁維持在5.48%～6.9%之間；60cm短樁時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由40.47%增大到56.79%，樁間土由51.6%減小到36.5%，短樁維持在7.47%～8.4%之間。

結合三組結果可見，短樁長度由20cm增加到60cm，短樁荷載分擔比有所增加，長樁荷載分擔比有所減小，樁間土荷載分擔比有所增加，但變化均較小，短樁長度對荷載分擔比的影響較小；20cm短樁時長樁和樁間土荷載分擔比曲線交叉點較60cm短樁出現的早，說明較短的短樁長度情況下長樁承載力發揮更早。

2.5 長樁模量的影響

圖6是不同長樁模量情況下荷載分擔比隨豎向荷載的變化曲線，三組結果曲線的形態相差較大。長樁模量800MPa和3000MPa時，隨著荷載增加長樁荷載分擔比逐漸增大，樁間土荷載分擔比逐漸減小，兩者曲線未相交；長樁模量70000MPa時，加載初期，樁間土承擔的荷載大于長樁承擔的荷載。隨荷載增加，樁間土的荷載分擔比逐漸減小，長樁的荷載分擔比逐漸增大，兩者相交于第三級荷載。整個加載過程中，兩組試驗短樁的荷載分擔比曲線較平緩。

圖6 不同長樁模量的荷載分擔比

長樁模量800MPa時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由10.4%增大到25.8%，樁間土由83.39%減 小 到 68.36%，短 樁 維 持 在 5.84% ～7.19%；長樁模量3000MPa時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由22.43%增大到39.97%，樁間土由71.26%減小到54.09%，短樁維持在5.94%～7.33%；長樁模量70000MPa時，隨荷載增加荷載分擔比變化為：長樁由44.24%增大到58.11%，樁間土由48%減小到35.8%，短樁維持在6.03%～7.25%之間。

結合三組結果可見，長樁模量由800MPa增大到70000MPa，長樁的荷載分擔比明顯增大，樁間土的荷載分擔比明顯減小，短樁的荷載分擔比變化很小。長樁模量變化對復合地基荷載分擔比的影響較大。

2.6 短樁模量的影響

圖7是不同短樁模量情況下荷載分擔比隨豎向荷載的變化的曲線，三組結果曲線的形態較為相似。加載初期，樁間土承擔的荷載大于長樁承擔的荷載。隨荷載增加，樁間土的荷載分擔比逐漸減小，長樁的荷載分擔比逐漸增大。整個加載過程中，三組試驗短樁的荷載分擔比曲線較平緩。

圖7 不同短樁模量的荷載分擔比

短樁模量800MPa時，至加載終止荷載分擔比變化為：長樁增加了13.87%，樁間土減小了12.2%，短樁維持在6.03%～7.25%之間；短樁模量3000MPa時，長樁增加了11.19%，樁間土減小了9.97%，短樁維持在7.47%～8.98%之間；短樁模量70000MPa時，長樁增加了6.13%，樁間土減小了4.41%，短樁維持在9.17%～11.77%之間。

結合三組結果可見，短樁模量由800MPa增大到70000MPa，長樁的荷載分擔比減小，樁間土和短樁荷載的分擔比均增大。短樁模量對復合地基荷載分擔比的影響不大。

2.7 各參數對荷載分擔比影響的對比分析

上文分析了各參數在荷載增加過程中，樁、土的荷載分擔比變化情況。

表3列出了最后一級荷載作用下，在對照組試驗的基礎上，改變各個參數分別對應的荷載分擔比。

表3 最后一級荷載下荷載分擔比

由表可知，短樁做為一種地基處理和提高加固區淺層承載力的措施，其荷載分擔比基本在6%～9%范圍內，變化不大。改變各參數的大小，主要是長樁和樁間土的荷載分擔比發生消長變化。樁間距由2d增加到4d，長樁荷載分擔比減小5.9%；墊層厚度由0cm增加到5cm，長樁荷載分擔比減小23.7%；長樁長度由20cm增加到60cm，長樁荷載分擔比增加8.4%；短樁長度由20cm增加到60 cm，長樁荷載分擔比減小3%；長樁模量由800MPa增加到70000MPa，長樁荷載分擔比增加32.1%；短樁模量由800MPa增加到70000MPa，長樁荷載分擔比減小8.9%。

分析可知，在本試驗條件下，通過減小樁間距來提高長樁荷載分擔比是不經濟的，墊層的設置能明顯改善樁、土荷載分擔的分配，增加長樁長度能一定程度提高長樁荷載分擔比，增加短樁長度對荷載分擔比影響不大，增加長樁模量能顯著提高長樁荷載分擔比，增加短樁模量對荷載分擔比分配有一定影響。

3 結論

1)隨樁間距的減小，長樁和短樁的荷載分擔比均增大，樁間土的荷載分擔比減小，過小的樁間距不利于樁土的協調作用。

2)無墊層時長樁承擔了絕大部分荷載。鋪設墊層后，長樁的荷載分擔比明顯減小，樁間土的荷載分擔比明顯增大，短樁的荷載分擔比略有增大。隨墊層厚度進一步增大，長樁的荷載分擔比減小，樁間土的荷載分擔比增大，短樁的荷載分擔比變化較小。

3)隨長樁長度的增加，長樁的荷載分擔比增大，樁間土的荷載分擔比減小，短樁的荷載分擔比略有減小，但變化不大。增加長樁長度使得長樁能較早的發揮承載力。

4)隨短樁長度的增加，短樁的荷載分擔比有所增加，長樁的荷載分擔比有所減小，樁間土的荷載分擔比有所增加，但變化均較小，短樁長度對荷載分擔比的影響較小。較短的短樁長度情況下長樁承載力發揮更早。

5)隨長樁模量的增大，長樁的荷載分擔比明顯增大，樁間土的荷載分擔比明顯減小，短樁的荷載分擔比變化很小。

6)隨短樁模量的增大，長樁的荷載分擔比減小，樁間土和短樁的荷載分擔比均增大。

7)通過減小樁間距來提高長樁荷載分擔比是不經濟的，墊層的設置能明顯改善樁、土荷載分擔的分配，增加長樁長度能一定程度提高長樁荷載分擔比，增加短樁長度對荷載分擔比影響不大，增加長樁模量能顯著提高長樁荷載分擔比，增加短樁模量對荷載分擔比分配有一定影響。

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