柔性樁復合地基樁土應力比試驗研究

◎ 張蕾 南京供電公司鄧方驊 福建省龍巖市上杭縣供電公司劉歡 南京供電公司

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柔性樁復合地基樁土應力比試驗研究

◎ 張蕾 南京供電公司
鄧方驊 福建省龍巖市上杭縣供電公司
劉歡 南京供電公司

摘 要：樁土應力比是衡量樁土之間的荷載分配和變形協調的重要指標，本文從理論上分析了路堤荷載下樁土應力比的主要控制因素，研究了荷載從土體向樁體轉移的三種途徑：承臺板，加筋墊層和負摩阻力，并通過大量現場試驗數據，得出攪拌樁復合地基樁土應力比與荷載大小和加載時間的變化關系，分析了攪拌樁承擔荷載規律，同時通過現場試驗發現了復合地基中樁周土上土壓力分布很不均勻，建議按照樁上壓力值反算樁間土壓力值。

關鍵詞：柔性樁 復合地基 樁土應力比 荷載分布

復合地基是常用的軟基處理方法之一，荷載主要由土體與增強體共同承受。樁頂部應力與其周圍土的應力的比值稱為樁土應力比，樁土應力比是衡量樁土之間的荷載分配和變形協調的重要指標，其值能夠預測出復合地基以何種模式破壞。剛性樁復合地基中若存在承臺或托板，承臺或托板相當于擴大了樁的直徑，樁體將承受大部分荷載，若此時計算樁土應力比還按照原有樁徑，則會出現樁土模量比小于樁土應力比的情況，此時復合地基工作狀況將類似于疏樁基礎。

目前采用的復合地基設計方法是根據樁土變形相等的假設而得出的，即n=Ep/Es，但根據此方法計算出的結果與工程實測結果相差較大，原因復合地基的基本原則是樁及樁周土共同承受荷載，而要樁土共同承受荷載樁土間必須允許出現位移差，存在位移差，荷載才會在樁土之間進行應力再分配。目前研究得到的樁土應力比變化范圍跨度很大，以常用的攪拌樁復合地基為例，取值范圍從1到10不等，沒有考慮基礎（荷載）剛度對樁土應力比的影響，尤其對柔性基礎（路堤荷載）下樁土應力比研究較少。

1.理論分析

在柔性基礎復合地基（路堤荷載）下，樁土應力比在荷載的施加瞬間為1。褥墊層的彈性模量必須大于基礎的彈性模量，其主要作用是為了限制樁土間產生相對位移差，將荷載從土體向樁體轉移。柔性基礎不具有使樁土協調變形的能力，因此無法將荷載向樁體轉移，所以柔性基礎樁土應力比要比剛性基礎下偏小許多，在這種基礎下，樁土應力比主要受樁體刺入量控制，所以隨著褥墊層厚度變大，樁體的刺入量將變小，樁土應力比就變大。樁土應力比隨著褥墊層彈性模量的增大而增長。

2.現場試驗

為了研究剛柔復合地基在路堤荷載下的樁土應力比，在某高速公路軟基試驗段進行現場試驗，試驗內容主要是測定樁及樁周土的應力。在攪拌樁區進行試驗，攪拌樁樁徑為50cm，水泥標號425#。樁間距為1.2m，樁長10m，以穿透軟土層進入硬土層0.5m為準，布樁方式為梅花形。樁頂部鋪設30cm厚細砂，然后鋪鋼塑格柵。此次試驗段在攪拌樁區路基位置設計埋設雙層共六個土壓力盒，如圖1所示。

3.試驗結果分析

攪拌樁區格柵下樁土應力比見圖2，樁土應力比與荷載和時間的關系有如下特征：

（1）在加載初始時，加載高度較小，荷載較小，樁及樁周土承擔的荷載較小，樁土應力比取值也較小，加載高度達到1.5m以前，樁土應力比保持在1.2左右，變化不大。說明加載較小時，樁及樁周土間基本沒有沉降差，荷載較小時，砂墊層還不能有效的調節荷載，樁和土的壓力保持一致。當加載高度超過1.5m，隨著荷載的增加樁土應力比增長迅速，當加載高度達到2.48m時到出現一個峰值，樁土應力比分別達到19.3、9.4。說明荷載增大，樁土間沉降差變大，軟弱下臥層內附加應力增大，上部所加荷載通過墊層快速由土體向樁體轉移，從而樁承擔了大部分荷載，而土體承擔荷載較小，樁土應力比增大。

圖2 攪拌樁區格柵下樁土應力比變化曲線

圖3 攪拌樁區格柵上樁土應力比變化曲線

（2）當加載高度超過2.48m，樁土應力比沒有繼續增大，反而開始不斷減小，其減小的趨勢一直持續到全部荷載加載10天左右。分析原因，認為在此階段內樁和樁間土所承擔的荷載均隨著所加荷載的增加而增加，但土體荷載增加的速度比樁頂荷載的增加幅度要大。當加載達到一定高度，樁體應力增大，樁體本身在受到較大應力下將發生比較明顯的壓縮變形，而且土體的變形往往發生在深層部位，從而使得樁土應力比增加的比較滯后，也就出現了上述樁土應力比隨荷載增大而由大變小的現象。

（3）在加載高度達到4m，10天后樁土應力又開始逐漸增加，樁土應力比的最大值也在該階段出現，分別達到25、13。該階段，試驗已進行100天以上，樁體發生了明顯的沉降，樁側阻力隨著樁體的沉降而增大，樁端阻力基本不變，從而樁體承擔的總荷載增加顯著，此時樁周土體沉降加大，上部荷載由土體向樁體轉移。樁周土的彈性模量隨著土體的固結增大，當加載達到較長時間后，樁土應力比再次出現減小的趨勢。

攪拌樁區格柵上樁土應力比見圖3，樁土應力比與荷載和時間的關系有如下特征：

由圖中可以看出，樁土應力比變化不大，基本穩定在某一值，4#/5#和6#/5#的樁土應力比分別穩定在1.0和1.5左右。查閱相關勘察資料，兩者的樁土應力比存在差別主要是因為所處位置地基土的差異。加載初期，荷載會逐漸向樁頂調整，但這種調整幅度是不大的。當一次性加載高度在1.35m后，樁土應力比開始變小，6#/5#樁土應力比甚至出現小于1.0的情況。

本次試驗樁間土壓力采用樁間土中心處的壓力，根據試驗得到的數據，對填砂高度進行反算，見表1。從中可見得到如下結論，格柵上樁頂荷載的平均值較格柵下平均值大51.25kN，多出的荷載就是加筋墊層轉移的部分，考慮到該荷載應扣除樁頂所對應的均布荷載，樁頂由樁間土轉移的荷載實際只有33.1kN。從表中可以看出，反算后得到的填砂高度比實測得到的填砂高度要低，除了1#/2#反算得到的填砂高度大于實際填砂高度外，其余三組反算高度數據都小于實測高度值，從而證明了樁間土平均土壓力高于樁間土中心處土壓力，這與武崇福等人得到的結論是一樣的。為了減少計算誤差，有必要對計算結果進行適當的修正，修正過程中首先假定樁頂土壓力是準確的，繼而通過每根樁加固面積上受到的總荷載，計算出該樁加固范圍內的平均土壓力。根據上述方法，計算結果見表2，可以看出推算出的樁間土平均壓力遠大于原樁間中心土壓力值，從而證明樁間土壓力分布是不均勻的，在今后安置土壓力盒時這點是必須考慮進去的。表2中計算得到的樁土應力比為5.8，需要指出該值只是樁頂位置處的指，樁頂以下與樁頂不同，土體會繼續向樁體轉移荷載。

表1 攪拌樁區填砂高度反算值

表2 修正后的攪拌樁區樁土應力比

4.結語

（1）樁體模量、樁長、土體性質是決定樁土應力比的最重要的要素。托板、褥墊層、土工隔柵和樁側負摩阻力是柔性基礎下荷載從土體向樁體轉移的主要途徑，因此施工過程中要按照土體與樁體的基本性質，正確的分配各部分，達到復合地基中增強體與土體能夠共同協同承受上部荷載。

（2）在逐漸加載的過程中，攪拌樁的樁土應力比總體呈逐漸增大的趨勢；但在加載中期，由于土體變形往往發生在深層部位，其壓縮變形較慢，而樁體壓縮變形相對較快，短時間內會出現樁土應力比隨荷載增大而減小的現象。

（3）樁周土上土壓力分布在復合地基中很不一致，現場實測得到的土壓力值代表性較差，同時準確性不高，因此建議根據樁體上壓力值反算得到樁間土壓力值。

參考文獻：

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