陳 坤 張淑真

(1.湖南省勘查設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410117； 2.湖南岳常高速公路開發(fā)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000)

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多樁復(fù)合地基中樁土應(yīng)力分配關(guān)系的試驗(yàn)研究

陳 坤1張淑真2

(1.湖南省勘查設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410117； 2.湖南岳常高速公路開發(fā)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000)

通過(guò)多樁復(fù)合地基室內(nèi)模型載荷試驗(yàn)，觀測(cè)了多樁復(fù)合地基中樁土的應(yīng)力分配關(guān)系，并分析了多樁復(fù)合地基中的樁及樁間土的受力特性，為多樁復(fù)合地基的進(jìn)一步研究與工程實(shí)踐提供了依據(jù)。

多樁復(fù)合地基，模型試驗(yàn)，荷載分擔(dān)比，樁土應(yīng)力比

0 引言

復(fù)合地基能夠較好地利用增強(qiáng)體和天然地基的強(qiáng)度，使兩者共同承擔(dān)上部建筑物的荷載，因此具有經(jīng)濟(jì)適用和技術(shù)可行的特點(diǎn)，適合我國(guó)的國(guó)情，目前，它已成為一種常見的地基處理形式，在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著復(fù)合地基的應(yīng)用和研究的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的復(fù)合地基形式——多樁復(fù)合地基。多樁復(fù)合地基[1，2]指在形成復(fù)合地基過(guò)程中依樁體材料、樁徑或樁長(zhǎng)等因素的不同而分為不同的樁型，不同類型的樁在地基處理過(guò)程中呈現(xiàn)不同工作性能，具有了多樁的特點(diǎn)，從而形成的一種新的復(fù)合地基形式，其簡(jiǎn)要示意圖見圖1。

對(duì)于多樁復(fù)合地基的研究目前主要局限于其特例——長(zhǎng)短樁復(fù)合地基[3-7]，它依長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的各樁的樁長(zhǎng)及其作用，分為長(zhǎng)樁和短樁。一般而言，短樁主要改善復(fù)合地基的承載性能，長(zhǎng)樁主要改善復(fù)合地基的沉降性能，對(duì)復(fù)合地基的終沉降量具有較為重要的控制作用。對(duì)于三類樁及三類樁以上的多樁復(fù)合地基的承載性能和沉降性能的相關(guān)研究較少，各類型樁在復(fù)合地基中所起的作用不甚清楚，在其他方面的機(jī)理均尚未探明，這就限制多樁復(fù)合地基的理論研究及實(shí)際應(yīng)用。為了進(jìn)一步的研究多樁復(fù)合地基中各類型樁及樁間土的相互作用性能，促進(jìn)多樁復(fù)合地基在理論的進(jìn)一步發(fā)展，本文進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，將樁依其長(zhǎng)度分別稱之為短樁、中樁和長(zhǎng)樁。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)的概況

室內(nèi)模型試驗(yàn)的概況如下：土層為兩層，下層為40 cm深的砂層，上部為60 cm深的紅粘土；墊層采用5 cm厚的過(guò)篩細(xì)砂；樁長(zhǎng)分別為30 cm，60 cm和90 cm，樁材為石灰樁、砂漿樁及混凝土樁三種，模型樁長(zhǎng)及布樁形式分別見圖2，圖3。實(shí)驗(yàn)按規(guī)范進(jìn)行。

2 試驗(yàn)的成果及分析

2.1 各樁及土頂應(yīng)力隨荷載的變化

在試驗(yàn)過(guò)程中，在樁頂及土頂埋設(shè)了多個(gè)土壓力盒，其所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理，得到各長(zhǎng)度樁及土體頂面的壓力變化曲線如圖4，圖5所示。

由圖4可知：樁頂及樁間土頂應(yīng)力均隨荷載的增大而增大，單就壓力隨荷載增大而增大的速度及其在某一級(jí)荷載作用下所承擔(dān)的荷載而言，持力層較好的60 cm樁>90 cm樁>土體>30 cm樁；90 cm與30 cm樁的應(yīng)力值較為相近，增長(zhǎng)速度也依此規(guī)律。這也說(shuō)明，在多樁復(fù)合地基中，樁所承擔(dān)的荷載與樁底所處的持力層狀況有關(guān)；樁長(zhǎng)對(duì)于其承載性能的影響并不起決定作用。

而由圖5可以看出，在多樁復(fù)合地基中，在荷載作用下，雖為同長(zhǎng)度的樁，但由于樁的材料不同，其所分得的應(yīng)力會(huì)有較大的差異，該差異與其樁身模量有相當(dāng)大的關(guān)系。石灰樁由于模量小于砂漿樁，故而在受荷過(guò)程中，其樁頂?shù)膽?yīng)力小于砂漿樁，一直處于較低位置。該現(xiàn)象可推得，在不同材料的多樁復(fù)合地基中，高強(qiáng)度樁在改善地基承載力方面的作用要大于低強(qiáng)度樁。這在另一方面也與多樁復(fù)合地基的定義中將不同材料的樁劃分為不同類型的樁的原則相一致。

2.2 樁土荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的變化

樁土荷載分擔(dān)比是反映樁土共同作用特性的最直觀指標(biāo)。其隨上部荷載增加而改變，反映了在加荷過(guò)程的各個(gè)階段樁承擔(dān)的荷載與樁間土承擔(dān)荷載的消長(zhǎng)情況。試驗(yàn)過(guò)程中60 cm樁在荷載分擔(dān)方面始終占主導(dǎo)作用，但隨著上部荷載的增大，分擔(dān)的比例相對(duì)變小，土體則有著較為明顯的增大，而90 cm和30 cm樁變化不明顯，但是也可看出有增長(zhǎng)和減小的互增過(guò)程，反映了在復(fù)合地基受力過(guò)程中，應(yīng)力是在各類型的樁及土之間不斷的調(diào)整不斷變化的，這也符合復(fù)合地基的典型特征，如圖6所示。

在試驗(yàn)的過(guò)程中各樁型的樁土應(yīng)力比均為不斷變小的，其最終的穩(wěn)定點(diǎn)相近。這是由于在受荷過(guò)程中，樁與土承擔(dān)的荷載雖然均是不斷增大的，但是其相對(duì)比值已逐漸變小，土的承載潛力不斷發(fā)揮，應(yīng)力逐漸在樁土之間相互傳遞，最終達(dá)到一定的平衡態(tài)，其試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖7所示。

2.3 承壓板下土反力分布情況

在試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)在復(fù)合地基承壓板下離樁體遠(yuǎn)近兩處所埋設(shè)的兩個(gè)土壓力盒，測(cè)知板下土壓力的分布。在開始荷載較低時(shí)，樁周與樁遠(yuǎn)處的土壓力基本相當(dāng)，即土壓力分布基本均勻。隨著上部荷載的增加，中部和邊處的差異逐漸增大，呈遠(yuǎn)處大于近處的現(xiàn)象。分析其原因?yàn)椋阂环矫?，樁體的存在改變了復(fù)合地基中的應(yīng)力狀態(tài)，在墊層的調(diào)節(jié)作用下，樁體產(chǎn)生上刺入，使靠近樁體的土反力小于遠(yuǎn)離樁體處的土反力；另一方面，中部變形相對(duì)于邊處的土體變形要大一些，土反力與變形量成一定的正比關(guān)系，具體的土壓力變化曲線見圖8。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)多樁復(fù)合地基的模型試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，分析了多樁復(fù)合地基的各類樁及土在荷載作用下的承載特性及其變化規(guī)律，得出了如下結(jié)論：

1)多樁復(fù)合地基的荷載分擔(dān)規(guī)律仍遵守廣義復(fù)合地基理論。在承載受荷過(guò)程中，多樁復(fù)合地基的樁及土之間的應(yīng)力是不斷的調(diào)整、協(xié)調(diào)，并最終達(dá)到平衡的過(guò)程。

2)多樁復(fù)合地基中，具有良好持力層的中樁在承載過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位，其荷載分擔(dān)比達(dá)50%以上，長(zhǎng)樁和短樁則起加強(qiáng)多樁復(fù)合地基承載力的作用。

3)多樁復(fù)合地基中樁體模量對(duì)其承載性能有較大的影響，同長(zhǎng)而模量不同的樁其承擔(dān)的荷載具有較大的差異。

4)多樁復(fù)合地基承壓板下的土體應(yīng)力分布并不是均勻的，由于樁體的存在及其上刺入的發(fā)生，承壓板下土體的應(yīng)力分布大致依其位置距樁體的遠(yuǎn)近變化而變化，總體而言是離樁體愈近則土體應(yīng)力較小。

[1] 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2] 閻明禮，張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[3] 尚新生.多元復(fù)合地基工作機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2004.

[4] 周德泉，劉宏利，張可能.三元和四元復(fù)合地基工程特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,25(5):124-130.

[5] 周德泉，張可能，劉宏利.組合樁型復(fù)合地基樁、土受力特性的試驗(yàn)對(duì)比與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(5)：872-879.

[6] 周德泉，張可能，劉宏利.組合樁型復(fù)合地基計(jì)算與應(yīng)用分析[J].巖土力學(xué)，2004，25(9)：1432-1436.

[7] 周德泉，趙明華，陳 坤，等.埋深組合群樁復(fù)合地基的沉降模式與模型試驗(yàn)驗(yàn)證[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43(5)：1926-1931.

Experimental study on pile-soil stress ratio of multi-type-pile composite subgrade

Chen Kun1Zhang Shuzhen2

(1.HunanExplorationDesignResearchInstitute,Changsha410117,China; 2.HunanYue-ChangHighwayDevelopmentCo.,Ltd,Yueyang414000,China)

Based on the loading test data on multi-type-pile composite subgrade, stress of pile tips and stress of soil among piles are measured. The behavior of piles and soil in the multi-type-pile composite subgrade with load has also been analyzed. The results may give some help to the devlopment of design and practice of its new type composite subgrade.

multi-type-pile composite subgrade, model test, load sharing ratio, pile-soil stress ratio

1009-6825(2016)11-0071-02

2016-01-29

陳 坤(1982- )，男，碩士，工程師； 張淑真(1983- )，女，工程師

TU472

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