孙晋永 赵 维 冯国杰

0 引言

自1962年国际上首次使用“复合地基”(composite foundation)一词以来,伴随各种地基处理技术的发展,复合地基被越来越广泛的应用于各种工业与民用建筑,也应用于一些水利工程如大坝地基处理,公路、铁路路基处理也经常采用复合地基[1]。

在荷载作用下,散体材料桩、柔性桩和刚性桩的荷载传递规律是不相同的,同样在不同含水率地基土中,同一材料桩体的荷载传递规律也不相同。其主要影响参数可用桩土刚度比来描述。桩土刚度比是指复合地基中,桩体与地基土的相对刚度,王启铜(1991年)建议桩体刚度比定义如下:

其中,K为桩土刚度比;λp为桩的柔性指数;λl为桩的长径比;E为桩体弹性模量;Gs,Es,vs分别为桩间土的剪切模量,弹性模量和泊松比;r为桩径;L为桩长。

因此,为了研究不同桩土刚度比复合地基沉降、桩土应力比及桩身应变的变化规律,进行本次模型试验。试验采用改变桩体材料以改变桩体刚度,改变地基土的含水率以改变土的弹性模量和泊松比从而改变桩土刚度比。采用两种不同桩体材料和四种不同含水率地基土来进行试验。

1 试验准备

1.1 试验装置制作

参考国内外相类似的桩基室内模型试验箱(槽)[3],本文采用的桩基模型箱内净空尺寸(长×宽×高)为2×75 cm×70 cm×100 cm(见图1)。模型箱壁为钢板,其试验装置如图2所示。荷载板采用长×宽×厚为50 cm×50 cm×14 cm的钢板(中间预留沉降标孔)。

1.2 试验桩间土的选取

试验桩周土采用黏土,各项性质指标见表1。试验时分3层人工填实,并确保各组试验有相近的密实度。

表1 填土的主要性质指标

1.3 试验桩模型制作

试验桩采用木桩和聚氨酯橡胶桩,桩径为6 cm,桩长 L=50 cm,实测木桩的静弹性模量 E=9.36×103MPa,橡胶桩的静弹性模量为65 MPa。在桩体表面利用防水胶体粘结一层粗砂,增大桩土摩擦力和防水性能。

2 试验内容和方法

2.1 试验设计

为了研究不同桩土刚度比对复合地基沉降、桩土应力比、桩身轴力的影响及地基的变化规律,本文共设计了8组竖向静载试验,试验共两种桩体材料,A组为聚氨酯橡胶桩,B组为木桩。试验装置布置见图2,试验类型及含水率见表2。桩平面布置采用正三角形,七根桩,分三排布置,桩间距200 mm。将桩体及测量仪器预先埋设在土体中,桩体、土压力盒的埋设高程误差小于2%,每个桩体上贴 4片应变片,间隔 160 mm。采用直径为28 mm,厚度为10 mm的应变式土压力盒测定桩顶及桩间土压力。采用沉降标及大量程百分表测读土层及桩顶沉降量。采用15 cm厚、粒径在5 mm～10 mm之间的碎石持力层模拟摩擦端承桩,桩周土为厚度500 mm的黏土。利用液压式千斤顶加压力式传感器系统作为控制加压系统。

表2 试验类型及含水率 %

2.2 测试方法

参考JGJ 79-2004建筑地基处理技术规范[5]中的复合地基荷载试验要点进行试验,试验采用油压千斤顶反向进行加载,快速维持荷载法,考虑相对稳定,每隔15 min加 1级荷载,并按照《规范》的规定进行。

3 试验结果及分析

3.1 地基沉降

在试验加载板的两边同时设置两个大量程的百分表,在每级加载稳定后读取百分表读数,取两百分表的平均值为每级加载的最终沉降量,由此可得每级荷载与地基总沉降的关系曲线图。

3.1.1 柔性桩复合地基沉降分析

由图3可知,从A1组试验开始,随着含水率的增加,地基沉降越来越大。八级加载结束后,A1组～A4组试验的沉降分别为27.28 mm,27.35 mm,43.72 mm,60.08 mm。

A1及A2试验地基总沉降相差不大,其地基含水率接近于地基土塑限。随着含水率的增加,A3,A4试验地基沉降分别比A1增大16.44 mm,32.80 mm,增大幅度分别为60.3%,120.2%。由此可知,当地基含水率达到一定程度时(本试验含水率值在液塑限含水率中点附近),已经不适合用单独竖向增强体复合地基的方式来处理地基,应选用另外的地基处理方式。

3.1.2 刚性桩复合地基沉降分析

图4曲线变化规律同A组试验。八级加载结束后,B1～B4组试验的沉降分别为14.53 mm,21.88 mm,36.33 mm,50.77 mm。

从地基土塑限含水率附近含水率增加开始,复合地基的沉降也逐渐增大,B2,B3,B4试验地基沉降分别比B1增大7.35 mm,21.80 mm,36.24 mm,增大幅度分别为50.6%,148.7%,249.4%。地基沉降增大幅度远远大于地基土含水率的增大幅度。由此可见,地基土含水率的增加,对地基沉降产生了较大的影响,地基沉降的过大增加,必然严重影响到地基的使用功能。因此对于地基土含水率较高的工程,应采取多种手段来处理地基。

3.1.3 柔性桩刚性桩复合地基沉降对比分析

以上分析可知,刚性桩及柔性桩复合地基中,随着含水率的增加,地基沉降都大幅度的增大,在液限含水率附近,地基沉降比在塑限附近增大幅度均超过100%,均严重影响到了复合地基的使用功能。由图3与图4对比分析可知,在同样含水率情况下,柔性桩复合地基沉降大于刚性桩复合地基沉降。随着含水率的增加,刚性桩复合地基沉降的增大幅度远大于柔性桩复合地基沉降的增大幅度。其主要原因还在于柱体刚度大小区别,柔性桩复合地基刚度较小,同样压力下,比刚度较大桩体复合地基沉降要大。由于柔性桩刚度较小,在复合地基承受压力相同的情况下,桩体的压缩量要大于刚性桩,其土体的压缩量同样大于同条件下的刚性桩复合地基,随着荷载的增加,柔性桩复合地基中地基土的压缩量已经有限,其增大的幅度要小于刚性桩复合地基中的地基土。随着地基土含水率的增加,地基加载后期的地基沉降主要以地基土的沉降为主,所以,刚性桩复合地基沉降量增大幅度要远远小于柔性桩复合地基。

3.2 桩土应力比

3.2.1 柔性桩复合地基桩土应力比分析

由图5可知,随着含水率的增大,桩土应力比明显增大,且变化幅度较大,八级加载结束后,A1组～A4组试验的桩土应力比分别为8.9,11.5,16.3和21.1,后三组试验比A1组试验桩土应力比增大2.6,7.4,12.2,增大幅度为29.2%,78.7%,137.1%,经计算A2试验中,在加载板160 kPa作用下,中桩桩体的平均应力达到1 156.8 kPa,对于柔性桩而言,其早已超过了桩体的破坏强度,因此,在含水率较大的地基土中,使用柔性桩体复合地基处理地基已经不适用。

3.2.2 刚性桩复合地基桩土应力比分析

由图6可知,随着含水率的增大,桩土应力比明显增大,且变化幅度较大,八级加载结束后,B1组～B4组试验的桩土应力比分别为 29.5,38.4,49.3和 60.1,后三组试验比B1组试验桩土应力比增大8.9,19.8,30.6,增大幅度为30.2%,67.1%,103.7%。B4试验中的桩土应力比B1试验已经增大1倍,此时,对桩体强度要求较高,桩体已承担非常大的地基压力,地基土的承载力被局限在一个较小的范围。当地基土含水率较大时,桩体复合地基的受力特性接近于桩基础。

3.2.3 柔性桩、刚性桩地基桩土应力比分析

由以上分析可知,随着地基土含水率的增加,柔性桩与刚性桩复合地基的桩土应力比都明显增大,在液限附近的桩土应力比与塑限附近的桩土应力比增大幅度均超过100%。在含水率较大时,单一的竖向增强体复合地基已经比较难以满足地基处理的需要。

由图5与图6对比分析可知,随着含水率的增大,柔性桩复合地基的桩土应力比增加的速率变的不稳定,曲线斜率出现明显的拐点。A3,A4试验中,在加载后期,桩体应力比的增大速率明显小于加载前期。而在刚性桩复合地基中,桩土应力比的增加速率较为稳定,曲线斜率没有明显的拐点。在柔性桩复合地基中,柔性桩刚度较小,其在荷载作用下的变形量远大于同样荷载作用下刚性桩的变形量,当复合地基的沉降达到一定程度时,柔性桩复合地基中地基土的变形量已经相当有限,地基土已经承担了相当部分的地基压力,故在荷载增加的情况下,地基土承载力继续增加,桩土应力比的增加速率减缓。而在同样荷载下,刚性桩复合地基中地基土的压缩量远远小于柔性桩复合地基中地基土压缩量,在荷载继续增加的情况下,地基土继续被压缩,其承担地基压力的增大速率小于柔性桩复合地基,因此,其桩土应力比增大速率基本保持稳定。

3.3 桩身应变

3.3.1 柔性桩复合地基桩身应变分析

A1～A4试验中,随着地基含水率的增大,桩体最大应变位置逐渐发生变化,且各个位置的应变大小也发生变化。

A1试验中,桩身应变最大位置发生在第2应变片附近,A2试验中,最大应变位置发生变化不大,但各个位置应变均有所增大,地基含水率的增加,导致桩土应力比的增加,使桩体承受更多的压力,桩体本身应变增大。A3,A4试验中,桩体最大应变位置逐渐向桩顶转移,且各个位置的应变均有不同幅度的增大。桩顶附近应变增大值最大。随着含水率的增大,桩体与地基土的摩擦力越来越小,由于差异沉降出现的桩侧负摩阻力越来越不明显,而由于桩土应力比的进一步增大,桩顶承担了越来越多的压力,在加载后期,桩体压缩量同土体压缩量逐渐趋于一致,因此,在加载最后,桩侧负摩阻力逐步消失,桩全长受到对承载力有利的桩侧阻力,桩体应变由上到下逐步减小。

3.3.2 刚性桩复合地基桩身应变分析

B1～B4试验中,随着地基含水率的增大,桩体最大应变位置逐渐向上移动,且各个位置的应变大小均有不同幅度的增加。B1试验中,由于差异沉降及桩土摩擦力较大,桩长全程分布负摩阻力,在桩体底部附近应变最大。随着含水率的增加,桩土摩擦力减小,虽然差异沉降增大,但在桩体下部的土体压缩量逐渐减小,因此,桩侧负摩阻力分布长度有所减小,桩体最大应变位置上移,B2,B3,B4试验均是如此。由上一节桩土应力比分析可知,随着地基土含水率的增大,桩体应力比越来越大,桩体承担的荷载也越来越多,桩体应力也越来越大,B2,B3,B4试样桩身应变图与桩土应力比分析得到同样的结论。由于地基土含水量的增大,桩侧摩阻力随之减小,桩体应变的分布更加均匀。

3.3.3 柔性桩刚性桩复合地基桩身应变对比分析

随着地基土含水率的增加,柔性桩与刚性桩复合地基的桩身应变都变的越来越大,且相对比较均匀。桩身应变最大值位置沿桩长由下往上转移,当地基土含水率接近液限时,桩侧阻力对桩体的应变影响变的很小,桩身应变最大值均位于桩顶附近,最大应变与最小应变值相差很小。说明不论在刚性桩复合地基或柔性桩复合地基中,地基土含水率对桩体应变的影响规律基本一致。

由A组,B组试验对比分析可知,随着含水率的增加,桩侧摩阻力对柔性桩桩身应变的影响要大于刚性桩桩身应变。其主要原因在于柔性桩刚度较小,对桩侧摩阻力的影响反应敏感,而对刚性桩来说,桩体承担的压力远大于桩侧摩阻力,摩阻力的变化对桩体的影响较小。

4 结语

1)随着含水率的增大,地基沉降越来越大,在地基土含水率接近液限时,地基沉降已经超过地基土塑限附近含水率地基沉降的1倍以上。2)随着地基土含水率的增加,柔性桩与刚性桩复合地基的桩土应力比都明显增大,在液限附近的桩土应力比与塑限附近的桩土应力比增大幅度均超过100%。3)随着地基土含水率的增加,复合地基中桩土应力逐渐增大,桩体最大应变处沿桩体长度方向由下往上转移,在含水率较大时,桩体的应变分布规律同端承桩基的应变分布规律接近。因此,在地基含水量较大时,单一的竖向增强体复合地基较难满足地基设计的要求,建议采用多种方法交叉使用来处理地基。

注:本论文在试验,数据处理及写作过程中,罗士妹同样做了非常多的工作。

[1]郑 刚.高等基础工程学[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]宰金珉,将 刚,王旭东,等.复合桩基非线性共同作用模型试验设计与研究[A].第24届全国土工测试学术研讨会论文集[C].北京:黄河水利出版社,2005:27-32.

[4]李红艳,随世忠,刘洪利.复合地基沉降计算[J].山西建筑,2009,35(11):97-98.

[5]JGJ 79-2004,建筑地基处理技术规范[S].