深厚軟土地基樁筏基礎筏板厚度承載特性試驗

舒志樂，劉智宇，陳昱東

(1. 西華大學應急學院，成都 610039； 2. 四川省建筑設計研究院有限公司，成都 610000)

中國軟土分布廣泛，在東部沿海地區和部分內陸地區都很常見，形成原因也較多，主要分為陸相沉積和海相沉積。軟土的工程特性較差，通常具有高壓縮性、強度低、穩定性差及高含水率等特點。由于軟土地基的承載能力不足，直接在未經處理的軟土地基上進行工程建設時，極易發生基礎失穩進而引發安全事故，造成巨額的經濟損失。此外，在沒有清楚定義樁基與筏板相互工作機制的前提下，盲目采用不合適的地基加固方法往往也會導致經濟效益不理想甚至事倍功半等情況，造成不必要的損失。因此針對樁筏基礎復合地基承載特性展開研究，具有重要的工程與經濟意義。

樁筏基礎是軟土地基處理中常見的復合地基處理方法，用以彌補地基土承載力要求或者沉降要求的不足，自改革開放大力發展東部沿海地區以來，各界學者就樁筏基礎等復合地基展開了許多的相關研究。近年來，李亞洲等[1]研究了地震荷載下大直徑單樁基礎承載特性的影響因素，闡述入土深度與樁體直徑和壁厚對基礎水平位移和樁基變形的影響，但并未涉及樁體與筏板共同工作的特性;李大勇等[2]開展了砂土中錐形基礎水平單調加載的模型試驗研究，給出了基礎水平承載力的影響因素，但缺乏土體性質對基礎影響的進一步闡述。王國輝等[3]通過數值模擬和現場長期沉降的實測數據對比，分析了高聳重型儲槽群條形不連續樁筏基礎的沉降規律，提出了改變筏板整體連接等方式來調整條形不連續樁筏基礎的沉降，然而其方法本質上是通過調整剛度來實現，文中卻未明確剛度與沉降之間的關系;曹云等[4]給出了在地下增層開挖時單樁豎向沉降的近似解析方法，但在多樁體的實際工程中，還需加入群樁效應等因素進行分析。蔣剛等[5]利用先期模型試驗數據，得出樁與地基土荷載分擔關系并建議了能反映樁筏基礎在承載過程中樁土各自狀態的樁筏基礎安全度計算式;李帆等[6]對樁筏基礎的樁土荷載分擔比進行了研究，但缺乏模型試驗對其結果進行驗證。周峰等[7]以實際工程為例，詳細論述了樁筏基礎主動控制技術應用于該項目的設計計算過程，并取得了顯著的經濟效益，但在控制過程中未提及筏板剛度相關參數。

盡管中外包括上述學者已對樁筏基礎進行了大量相關研究，如江見鯨等[8]將關于樁筏基礎的工程經驗總結并編撰出《建筑工程事故分析與處理》專著，但關于筏板厚度對于整個基礎承載性能影響的控制臨界點還未有相關成果。現首先闡述筏板厚度對筏板剛度的影響規律，通過試驗了解不同剛度下樁筏基礎的承載特性，給出建議的剛度區間以優化設計。其次，對于樁筏基礎的研究大多基于實測數據與數值模擬，少有學者通過模型試驗來探討深厚軟土地基中樁筏基礎筏板厚度的承載特性，試驗通過等比模型減少干擾因素，以更直觀準確的方式呈現剛度對承載特性的影響。最后，樁筏基礎的應用研究主要集中在沿海地區的地基處理上，四川等內陸省份形成的軟土土質不同，對于其他地區得出實測數據的規律性是否完全適用于內陸地區還需要進一步的驗證和探討。因此，針對內陸深厚軟土地區樁筏基礎承載特性展開研究，建立模型試驗總結承載規律，對于樁筏基礎的優化應用及指導實際工程具有重要價值。

1 模型參數及布置

1.1 模型基本參數

在確定模型試驗的相似比時，設置的模型相似比越小，可得到的測試數據精度就會越高，總結過往樁筏基礎相關模型試驗的經驗，通過談慶明[9]的相似分析，并根據相似第二定律(Bockingham π定理)[10]，確定此次模型試驗幾何相似系數CL=10。

模型樁和筏板分別選用有機玻璃棒和有機玻璃板進行制作[5]，樁筏基礎外形尺寸為50cm×50cm，筏板厚度根據工況不同分別為2、3、4cm，樁徑為2cm，樁間距為12cm。在筏板底部的相應位置開1cm深的圓孔，用環氧樹脂膠形成樁頭與筏板的固定聯結，黏結以后放置24h以確保樁頭與筏板的穩定連接。為了使模型基礎與土接觸面有一定的粗糙程度，在筏板的下表面及樁的表面用環氧樹脂膠黏一層很薄的細砂。用于模擬樁筏基礎的模型圖如圖 1所示，有機玻璃板和有機玻璃棒如圖 2所示。

圖 1 試驗模型Fig.1 Test model

圖 2 筏板與基樁模型Fig.2 Raft and foundation pile model

1.2 試驗裝置及工況布置

模型試驗場地位于西華大學巖土試驗中心，在露天自制的一個基坑中進行，基坑內壁尺寸為1.5m×1.5m×1.5m，在試驗前使用土工布和防水密封膜進行鋪設并在連接處使用密封膠密封處理，目的在于減小內壁的摩阻力以及減小邊界對土體變形的影響，如圖 3所示。

圖 3 1.5m×1.5m×1.5m試驗基坑Fig.3 1.5m×1.5m×1.5m test foundation pit

試驗用模型土取自成都市郫都區某地的淤泥質黏土。土體整體呈現為灰色，為含水率大、有機質含量高的典型沼澤相沉淀軟土。在試驗進行之前，先進行持力層的填筑，將搗碎過后的黃黏土中摻入事先調配合適的外摻劑，在攪拌均勻后倒入試驗基坑內并用夯錘進行夯實鋪平工作，在填筑完畢后用密封膜鋪在表面以使持力層自行固結，之后對土體表面進行拉毛處理以形成一個獨立的土層。在持力層填筑完畢后進行軟土層的填筑，為盡量保證土體的性質不改變，軟土從取土地用汽車取回后在經過5mm篩網過濾后直接進行回填，分層填筑到設計深度時埋設相應的測試裝置，在填筑完成后靜置一段時間讓土體穩定，在試驗土體回填完畢后對土體進行真空預壓處理以降低含水率，如圖 4所示。在處理過后取試驗土體進行土工試驗，測定試驗用土體常規物理參數，測定過后的具體物理參數如表 1 所示。在樁筏基礎模型制作中，首先對于基礎位置進行測量放線確定位置，再按照設計尺寸挖出樁孔并放置樁筏基礎模型。

表 1 地基土參數Table 1 Parameters of foundation soil

圖 4 1.5m×1.5m×1.5m基坑真空預壓處理圖Fig.4 1.5m×1.5m×1.5m foundation pit vacuum preloading diagram

由于模型試驗中筏板尺寸較小，基坑四周離樁體的最小距離也大于筏板的邊長，并且基坑底部離樁底距離也有一倍樁長以上，所以可忽略基坑邊界對試驗結果的影響。

為了使施工方便穩定以及更好地還原實際工況，試驗通過使用千斤頂-反力架裝置來進行加載，通過土的物理力學性質來估算土體的極限承載力，以此為最終加載量的參考依據，每次試驗的加載共分為十級加載。在加載前讀取并記錄測試元器件的初始數據，并以此作為測試的基準值。每一級的荷載加載過程中，在加載之后每隔5、10、15min各進行一次數據讀取和記錄，之后每隔15min讀取記錄一次，累計1h之后每隔0.5h進行讀取和記錄監測數據一次，直到沉降達到相對穩定狀態之后進行下一級加載。

1.3 測試元器件的布設

在進行儀器的接線時統一采用蛇形布線法，將所有導線引至基坑邊緣一起導出以避免土體的變形位移對線的破壞。應變片的布設:在試驗中使用應變片對樁表面及筏板表面進行應變測量。樁體在距離樁頂3cm處，在樁的兩側對稱布置兩個電阻應變片，在每個測試處的有機玻璃棒表面開槽貼應變片。刻槽內應變片粘貼處用細砂紙打毛并清除干凈后，使用502膠粘貼應變片，隨后用環氧樹脂膠填滿刻槽。在粘貼應變片時保證位置和方向的正確以避免測量誤差。應變片的應變測量引線使用接線片引出，并使用650固化劑與環氧樹脂按1︰1的比例配制的環氧膠密封應變片和接線片，這樣不僅能起到隔水和防潮的作用，更能有效防止試驗過程中對應變片的破壞。考慮到模型的對稱性，在筏板底面自西向東共在樁體所在軸線上設置A和B兩條測線，每根測線上依筏板邊線方向依次布設11個應變片，共計44個應變片用以測量筏板的應變變化。兩種樁體的應變片布置及筏板應變片布置示意圖如圖 5所示。

圖 5 樁體布置與筏板應變片布置圖Fig.5 Pile layout and raft strain gauge layout drawing

1.4 筏板相對剛度分析

在進行樁筏基礎模型試驗前，依據室內土工試驗測得的地基土變形模量和樁筏基礎的幾何尺寸，對樁筏基礎的性狀進行初步的分析。對于基礎筏板，根據Clancy等[9]的研究中提出的筏板相對地基土的剛度計算式Krs為

(1)

式(1)中：Er為筏板材料的彈性模量，MPa；Es為地基土的變形模量，MPa；Vs為地基土的泊松比；Lr為筏板的長度，cm；Br為筏板的寬度，cm；tr為筏板的厚度，cm。

不同的Krs對應于樁筏基礎不同的變形性狀，如柔性、彈性、剛性、絕對剛性，即

其中Er=2.6×103MPa，Es=1.24MPa，Vs=0.42，Lr=Br=50cm，tr=2cm，經計算的Krs如表 2所示。

表 2 各工況筏板相對剛度Table 2 Relative rigidity of raft under various working conditions

從表 2 可以看到，筏板厚度對于筏板的相對剛度具有一定的影響，本次物理模型試驗的筏板處于彈性狀態。

2 模型試驗結果分析

2.1 荷載-沉降關系

通過布置在筏板上各位置上的位移計測得的變形位移數據，計算得到在不同筏板厚度的荷載與樁基礎平均沉降關系，如圖 6所示。

圖 6 不同筏板厚度下荷載與樁基礎平均沉降關系圖Fig.6 The relationship between the load and the average settlement of the pile foundation under different raft thicknesses

由圖 6 可知，不同厚度筏板的荷載-沉降曲線也基本可分為上文所述的3個階段，即線性階段、非線性階段和破壞階段，并且可以看出，在筏板相對地基土處于接近柔性和彈性狀態時，隨著筏板厚度的增加，整個樁筏基礎的最終平均沉降有所增加的，一方面，在筏板的厚度增加的同時，筏板自身也在變重，相當于整個基礎受到的荷載有所增加，且由于筏板總的的相對剛度不高，加大筏板厚度對于承載能力的提升有限，故而最終平均沉降隨著筏板厚度的增加而變大； 另一方面，可以看出隨著筏板的厚度增加，樁筏基礎的差異沉降有所降低，這是由于在筏板的厚度增加以后，筏板的整體剛度在一定程度上變大，整個樁筏基礎抗變形能力增大，受荷載時各個部分的沉降差變低。

軟土地區的樁筏基礎往往遵從沉降控制的思路，從最終沉降來看，加大筏板厚度可以很好地降低基礎的差異沉降，但是在筏板剛度相對地基土處于彈性狀態時會增加基礎的最大沉降，并且從經濟層面上考慮，更厚的筏板也會帶來相應造價的提升，設計者在進行軟土地區樁筏基礎設計時應綜合考慮筏板厚度對于沉降的影響。

2.2 樁與筏板荷載分擔關系

由于樁筏基礎中樁土在承載過程中各自的荷載分擔作用，需要進一步對樁筏基礎的樁土荷載分擔特性進行研究，通過試驗，測得在不同筏板厚度下的荷載分擔關系，如圖 7所示。

圖 7 不同筏板厚度下樁與筏板荷載分擔系Fig.7 Load sharing relationship between piles and rafts under different raft thicknesses

由圖 7 可知，由于樁體的剛度遠遠大于土體剛度，所以在開始加載時，主要的承載工作由樁體來承擔，樁體的承載分擔比要比筏板的承載分擔比更大，隨著荷載的持續增加，筏板及其下方的土體開始發揮承載能力，這時樁體的承載分擔比增量開始變緩，而筏板及其下方土體的承載分擔比增量開始變大，在承載后期，樁體進入極限狀態，增長幾乎停滯，這時表現為樁和筏板分擔荷載的主次地位發生變化，筏板開始承擔了主要荷載。

從不同筏板厚度樁筏基礎的荷載分擔比來看，隨著筏板厚度的提升，筏板剛度增加，加強了筏板的承載能力，在加載后期筏板更早進入主導主要承載工作的狀態，這說明加大筏板厚度對于充分利用筏板的承載性能以及調動板下土體參與承載是有積極效果的，適當增加筏板厚度可以減少樁體的用量。

2.3 筏板內力分布特征

對不同筏板厚度下的A軸和B軸板帶進行了分析，通過布置在筏板表面的應變片收集到的應變數據，計算得到彎矩。數據整理后如圖 8所示。

圖 8 不同筏板厚度下筏板內力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of raft internal force under different raft thickness

由圖 8 可知，隨著筏板厚度的增加，減小了最大擾度和最大擾度差，這使得最大彎矩增加，筏板局部彎曲明顯增強，在筏板的跨中主要受正彎矩，而在樁的位置附近則是受到負彎矩，在加大筏板厚度的過程中，筏板由整體彎曲過渡到了局部彎曲為主。在樁筏基礎設計中，需要注意局部彎矩增大后對于樁筏基礎抗沖切性能的影響。

2.4 單樁工作性狀分析

試驗主要分析不同筏板厚度下樁筏基礎的角樁、邊樁和中樁的工作性狀，三種類型樁的荷載-沉降關系如圖 9所示。

圖 9 不同筏板厚度下單樁工作性狀分析Fig.5 Analysis of working behavior of single pile under different raft thickness

由圖 9 可知，加大筏板厚度后，樁頂反力最大變成了角樁，接下來是邊樁，最后是中樁，這是由于在加大筏板厚度以后，筏板的剛度有所提升，筏板的架越作用開始進一步體現，使得筏板板底反力開始向邊緣集中，這導致了角樁的樁頂反力不斷增大，中樁的樁頂反力也隨之有一定幅度的增大，但是在上升速率上沒有角樁上升速率，而對于中樁的樁頂反力卻隨著筏板厚度增加呈現下降的態勢。從以上分析可以看到，筏板相對剛度處于接近柔性狀態和彈性狀態時，樁頂反力的分布趨勢有很大的不同，說明筏板的相對剛度對于樁頂反力分布具有較大影響，在進行樁筏基礎設計時應注意到這一點。

3 結論

通過對模型試驗測得的數據進行了處理，分析了深厚軟土地基中樁筏基礎不同筏板厚度的變形沉降和內力分布等規律，主要有以下結論。

(1)深厚軟土地基中樁筏基礎的總荷載-平均沉降曲線整體上分為三個階段，即線性階段、非線性階段和破壞階段。在筏板相對剛度處于彈性狀態時，隨著筏板厚度的增加，樁筏基礎的平均沉降有所增加，與此同時基礎各部位的差異沉降在降低。

(2)在承載的前期，樁體和筏板各自分擔的荷載相差不多，在后期隨著樁體達到極限狀態，上部荷載更多地由筏板及板下土體來承擔。在加大筏板厚度后，筏板的承載能力增加，更早地進入主要承擔荷載階段，充分地發揮了筏板與土體的共同作用。

(3)在承載過程中，筏板整體為受彎狀態，由于樁體的支撐作用，在樁體位置有局部受彎為負彎矩現象，并且隨著荷載增大都有所增大。加大筏板厚度以后，由于減小了擾度差及最大擾度，筏板彎矩有明顯增大，筏板由整體受彎變為局部受彎。

(4)隨著筏板厚度增加、筏板剛度增加，由于筏板的架越作用使得板底反力向四周集中，樁頂荷載最大部位由中樁變為了角樁，這說明在樁筏基礎中，下部樁體的承載作用并非是同步發揮的，它受筏板的剛度、布樁方式和樁土之間的相互作用影響。