段 旭，董 琪，門玉明，葉萬軍，李秉書

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安710054；2.陜西科技控股集團有限責任公司，陜西 西安710003；3.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安710054；4.武警黃金部隊第五支隊，陜西 西安710100)

隨著西部山區(qū)建設用地需求越來越大，土地資源日益緊張，黃土地區(qū)擴展城市空間的填方造地項目不斷涌現.延安新區(qū)項目作為黃土地區(qū)規(guī)模最大的填方造地項目，最大填筑厚度100 m以上，目前已通過填方1.63億m3，人工造地10.5 km2，有效擴展了延安城市的發(fā)展空間.黃土高填方工程填筑高度高，原始地形復雜，不均勻沉降問題備受關注，國內外學者的研究表明高填方的工后沉降發(fā)展受填土物理力學性質、初始飽和度、水環(huán)境變化等因素的綜合影響[1-6].根據筆者在延安新區(qū)高填方場地工后沉降的持續(xù)監(jiān)測表明，填方場地地表與填筑體內部深層土體壓縮變形量大，挖填結合部位地表表現出較為明顯的不均勻沉降[7].

延安新區(qū)一期巖土工程部分已基本竣工，目前主要在挖方區(qū)中進行工程建設，一方面在等待高填方的沉降穩(wěn)定，另一方面國內已出現多起由于對填土等軟弱地基處理不當導致基礎及上部結構變形破壞的案例[8-10]，關于在大厚度填方區(qū)以及挖填結合區(qū)中能否進行建構筑物建設以及應采取何種措施控制變形等問題一直備受爭論.

目前，國內對高填方場地中建筑物基礎變形破壞機理方面的研究不多，徐欣[11]在對黃土梁峁地區(qū)常用基礎形式及持力層分析的基礎上，根據巖土體工程地質特征對適合作基礎持力層的土層作了分析.華遵孟[12]根據實際工程經驗，對溝谷地形中黃土高填方場地上的地基處理方法與基礎形式的選擇問題進行了討論，提出在挖填改造區(qū)場地采用淺基礎時的注意事項.吳旭君[13]針對大面積填方的復雜工程地質條件，對天然地基、復合地基等地基基礎方案的經濟、技術、工期等綜合分析和比較，最終采用CFG樁復合地基方案對該區(qū)獨立基礎和條形基礎進行計算并設計布樁.樁筏基礎方面，國內張武[12]先后進行了一系列非密實砂土、軟土中的群樁載荷試驗.王幼青等[13]對樁-土-承臺的相互作用規(guī)律進行了研究.宰金珉[14-15]提出了各具特色的復合樁基設計理論.

綜上所述，國內對不均勻地基中樁筏基礎的受力及變形狀態(tài)有一定的研究成果，但針對黃土溝壑地區(qū)高填方工程中形成的挖填結合場地，還沒有關于樁筏基礎的變形受力狀態(tài)研究.本文通過模型試驗針對黃土挖填結合場地建立巖土介質模型，模擬局部伸入挖填結合場地的樁筏基礎的變形及受力狀態(tài)，在此基礎上提出變形控制措施，為實際工程提供參考.

1 試驗設計

1.1 相似關系與模型結構

為了使模型試驗反映工程實際情況，在模型試驗的設計中要盡量體現試驗原型的應力—應變關系及其變形破壞規(guī)律、特征.目前，模型試驗設計相關的相似理論的運用已相對較成熟，本文試驗模型中各參數均依據相似三定理[17]設計.

根據相似理論，計算得出模型樁筏基礎與筏板基礎的配筋：樁筏基礎中筏板橫向配筋為φ6@250(雙層配筋)，縱向配筋為φ10@200(雙層配筋)，灌注樁縱筋為6根φ6、箍筋為φ3@100；筏板基礎配筋設計與樁筏基礎的筏板一致，樁筏基礎配筋和筏板基礎配筋如圖2所示.

表1 模型試驗相似關系Tab.1 Model test similarity relation

圖1 模型設計圖Fig.1 Profile of model test design

圖2 模型配筋圖(單位：mm)Fig.2 Design of model reinforcement/mm

3)模型土體材料

延安新區(qū)中挖填結合部位通過開挖接坡臺階的工藝進行填筑，在原始坡體中開挖接坡臺階，逐層虛鋪0.3～0.8 m后灑水，通過振動碾逐層壓實至壓實度標準，挖填結合部位采用強夯方法加強填土與原始土體的連結.試驗中按照實際工程中的施工工藝，在挖方坡體開挖接坡臺階，每級臺階高50 cm、寬50 cm.采用西安北郊均質黃土人工分層夯實制作，為保證挖方區(qū)和填方區(qū)地基土的壓縮性差異滿足要求，對挖方區(qū)土體夯擊3遍，并靜置至其自身沉降穩(wěn)定(小于0.01 mm/d)，填方區(qū)土體夯擊2遍；通過室內土工試驗，獲得的試驗場地地層參數見表2.

表2 土體相似材料物理力學參數Tab.2 Similar material physical and mechanical parameters of surrounding soil

1.2 測試內容

(1)位移、沉降

為了量測填土頂面和模型基礎的沉降，分別在基礎周圍的地表和基礎的四角布設了沉降觀測點，樁筏基礎模型試驗及筏板基礎模型試驗各設兩條測線，位移計布設如圖3所示，地面沉降觀測點與基礎沉降觀測點相對應.

圖3 位移計布設圖(單位：mm)Fig.3 displacement meter layout(Unit:mm)

(2)應變

(a)鉆孔灌注樁主筋應變.試驗主要用于結構應力應變研究，因此主要獲取其結構的應力應變變化曲線.試驗中采用應變片測試主筋應變，如圖4所示. 每根樁由距離樁頂0.15 m處開始，每隔0.4 m設置一個測試斷面，共設置6個測試斷面；每根樁從樁頂到樁底各測試斷面的應變片編號為1-6號，用W、S、E、N分別表示樁的西、南、東、北四個方向的縱向鋼筋，其中S為挖方區(qū)方向，N為填方區(qū)方向.

(b)樁筏基礎筏板鋼筋應變.等間距選取樁筏基礎的筏板縱向鋼筋9根布設9條測線，測線編號為測線1至測線9(由東向西)；每條測線等間距布設16個應變片，應變片編號1至16(由南向北)，通過對縱筋應變數據的采集、處理、分析，結合位移數據、筏板表面應變數據、筏板表面裂縫情況，研究樁筏基礎筏板在挖填地基中的受力及變形破壞特征.

圖4 應變片布設圖(單位：mm)Fig.4 layout of strain gauge(Unit:mm)

(3)土壓力

土壓力量測：土壓力盒從下到上共布設四層，基礎范圍內布設橫向壓力盒，在基礎前側填方區(qū)布設豎向壓力盒，壓力盒布置如圖5所示.

圖5 土壓力盒布設圖(單位：mm)Fig.5 layout of earth pressure box(Unit:mm)

(4)加載設計

試驗中為了施工方便及加載穩(wěn)定，全部采用沙袋均勻堆載的方式加載.?；A配重采取沙袋，即把沙袋均勻的堆放到基礎上.本次基礎加載為面荷載，根據相似關系，樁筏基礎最大荷載達到19.6kPa，試驗中模型的制作與加載過程見圖6.

圖6 模型制作與加載過程照片Fig.6 photos of model making and loading process

2 試驗結果及分析

2.1 位移數據分析

圖7、圖8分別為樁筏基礎挖方一側與填方一側位移數據，可以看出，各級加載過程中，填方區(qū)沉降量均大于挖方區(qū)，這是由于填方區(qū)土體壓縮系數大于挖方區(qū)土體，相同荷載作用下填方區(qū)土體更易發(fā)生變形；最終荷載量19.6 kPa時，樁筏基礎在挖方區(qū)、填方區(qū)沉降差0.62 mm，基礎角部豎向位移明顯大于周圍土體.

圖7 挖方一側基礎沉降過程曲線Fig.7 Settlement curve of foundation on excavation side

圖8 填方一側基礎沉降過程曲線Fig.8 Settlement curve of foundation on filling side

2.2 應變數據分析

(1)筏板縱筋應變分析

在樁筏基礎筏板縱向鋼筋外表面粘貼應變片，測線1-9對稱分布，選取一側的測線1、2、3、4、5進行處理.由圖9(a)—(f)可以看出，筏板上正彎曲應變主要集中在挖填結合區(qū)及挖方區(qū)，負彎曲應變主要集中在填方區(qū)，即筏板在挖方區(qū)上側受拉，填方區(qū)下側受拉，在挖填結合區(qū)挖方區(qū)側上側受拉、填方區(qū)側下側受拉；筏板的彎曲應變的最大值主要集中在樁間的區(qū)域，最大正向彎曲應變主要集中在填挖結合區(qū)內樁B和樁C之間，最大負向彎曲應變主要集中在純填方區(qū)樁A和樁B之間的范圍.產生這種現象的原因主要是由于純填方區(qū)土體在上部荷載作用下沉降量明顯大于結合區(qū)和挖方區(qū)，全段位于純填方區(qū)中的樁A得不到足夠的樁周摩阻力，隨樁周土體同步發(fā)生較大的沉降變形，帶動樁間筏板產生負向彎曲應變.且樁C和樁B底部伸入穩(wěn)定的原始土層，承載能力明顯強于樁A，導致樁間筏板產生正向彎曲應變.

樁筏基礎筏板的彎曲狀態(tài)與筏板基礎的主要區(qū)別在于，樁筏基礎中筏板的彎曲變形以樁為間隔，并不連續(xù)，挖填結合區(qū)以及純填方區(qū)內樁間筏板的彎曲變形最為劇烈.筏板基礎的彎曲變形主要取決于基礎淺部地基的沉降情況，由于填土厚度的梯度變化，挖填結合區(qū)內地基土發(fā)生不均勻沉降，是筏板基礎產生彎曲變形的主要位置.

圖9 筏板縱筋應變曲線Fig.9 longitudinal strain curve of raft

(2)樁身應變分析

為負則樁身南側(挖方區(qū)方向一側)受拉，為正則樁身北側(填方區(qū)一側)受拉，各樁應變曲線圖如圖10所示.

從樁身彎曲應變曲線可以看出，各樁身彎曲應變規(guī)律基本一致，樁頂部位有較大的負彎曲應變，樁體端部南側受拉，樁身0.4～1.2 m范圍彎曲應變?yōu)檎?，樁身南側受? 樁身1.2～2.4 m范圍彎曲應變較小且為負值，樁身南側受拉. 各樁彎曲應變樁A(填方區(qū))>樁B(挖填結合區(qū)，填土厚度1.5 m)≈樁D(挖方區(qū))>樁C(挖填結合區(qū)，填土厚度0.5 m).基礎和地基土在填方區(qū)的沉降量比挖方區(qū)大，基礎存在水平位移，樁體與筏板基礎為剛性連接，因此各樁樁頂產生較大負彎矩；樁C處于挖填結合區(qū)，樁體填土厚度小，樁體受地基不均勻沉降影響小，樁B和樁D可對樁C分擔彎矩，因此樁C彎矩較小.

從樁身軸應變曲線可以看出，各樁軸應變沿樁身從樁頂至樁底呈現先增大后減小趨勢，樁底基本為零；荷載量的增加，各位置軸應變增大；各樁軸應變量樁B最大，樁A最小，這是因為填方區(qū)土體密實度小，樁A端承力小，地基土可提供側摩阻力小，而與樁A臨近的挖填結合區(qū)樁B樁底為挖方區(qū)土層，土體密實度較好，能夠較好低為其承擔上部荷載，因此樁B軸應變較大；對比樁軸應變曲線可以看出，均勻土體中樁軸應變集中在距樁頂0～1.4 m范圍內較大，且沿樁身軸應變減小速率大，而挖填結合區(qū)樁B、樁C軸應變集中在距樁頂0～1.8 m范圍內較大，沿樁身軸應變較小速率小.

圖10 樁體縱筋應變曲線Fig.10 curve of longitudinal reinforcement

2.3 土壓力數據分析

壓力盒位置如圖5所示，其中1-8號均為橫向壓力盒，布設于相鄰兩樁中間位置，用于監(jiān)測樁間土的豎向壓力；9-12為豎向壓力盒，布設于樁筏基礎填方區(qū)前緣，用于堆載過程中的坡體水平推力.

(1)豎向土壓力分析

圖11為橫向壓力盒土壓力變化曲線，未加載前地基土壓力設為零值，由圖可知，樁筏基礎下地基土壓力隨基礎上部荷載量的增加而增大，說明樁筏基礎筏板上部荷載由樁間土和樁體共同承擔；最終荷載量19.6 kPa時，挖方區(qū)和挖填結合區(qū)樁底土壓力(第一層)比上層土壓力大，在填方區(qū)樁底土壓力比上層小，其中樁B樁底土壓力最大，樁A樁底土壓力最小，這與樁B軸應變最大、樁A軸應變最小相印證.

(2)水平土壓力分析

圖12為豎向壓力盒土壓力變化曲線，由圖12(a)—(b)豎向壓力盒10、12土壓力變化曲線可以看出，基礎前端土壓力在頂層和底層增加量較大，中間兩層增加量小，最終荷載19.6 kPa時坡頂所受水平推力最大，這是受樁筏基礎加載后產生水平位移的影響；對于基礎前端基礎范圍外，整體土壓力增加量較小，距基礎表面1.0 m處土體所受水平推力最大.

圖11 豎向土壓力曲線Fig.11 curve of vertical earth pressure

圖12 水平土壓力曲線Fig.12 curve of horizontal earth pressure

2.4 土體變形裂縫分析

在試驗結束后開挖剖面對土體和結構物的裂縫破壞形態(tài)進行描繪，如圖13所示，土體破壞主要集中在樁筏基礎邊界位置，樁體周圍和挖填結合面附近；挖方區(qū)筏板基礎邊界裂縫F1和F2豎向長度約為60～105 cm，受基礎邊界效應的影響，發(fā)生剪切破壞，基礎邊界附近與樁體表面夾角約30°，下部基本呈豎直方向；挖填結合面附近土體裂縫較多，裂縫F5- F7和裂縫F9、F10均為挖填結合面附近裂縫，主要集中在結合面二三級臺階拐角處，土體受到剪切和張拉破壞，裂縫長度20～60 cm，豎直方向；填方區(qū)土體裂縫集中在筏板基礎邊界處，與挖方區(qū)位置基本對應，裂縫F13、F14長約40 cm，與土體垂直；樁間土體裂縫F8摩擦，降低基樁的承載力，加劇基礎的不均勻沉降.基礎端部土體由地表開始發(fā)育數條垂直向裂縫，伸入地基深處，成為地表水分的垂直入滲的路徑，而延安新區(qū)中填土與原始黃土地基均具有一定的濕陷特性，地表水分的大量入滲將導致地基土體的濕化變形，影響挖填方場地的整體穩(wěn)定.接坡臺階部位原始土體中出現6條垂直方向剪切裂縫，明挖填結合面處，原始土體承受著較大的壓、剪應力，當剪應力超過土體的抗剪強度，接坡臺階處的原始土體將發(fā)生破壞，直接影響挖填方場地的穩(wěn)定.

圖13 土體裂縫素描圖Fig.13 Sketch map of soil crack

3 力學模型探討

在文克爾地基梁模型的基礎上，考慮挖填結合區(qū)填方土體與原始土體各自的基床系數，將樁體簡化為彈簧體系，構建適用于挖填結合區(qū)地基條件的力學模型.

對于樁筏基礎在挖填結合區(qū)的受力狀態(tài)如圖14所示.可將樁與樁間土體視為彼此獨立的豎向基床：樁間土的基床系數為ksi；樁的彈簧系數為kPi，其作用力可通過F=kx獲得.在荷載作用下，區(qū)域內產生與壓力成正比的沉降，區(qū)域外位移為零，位移x為協調條件.

圖14 挖填結合部位樁筏基礎力學模型Fig.14 mechanics model of pile raft foundation

將筏板下的地基在平面上劃分為m個矩形網格，矩形網格尺寸的大小與樁徑相近.取出每個網格柱進行力學分析，每個網格柱的高度與樁長相等，將網格柱視為拉壓構件，進而確定其壓縮系數.

得出填土部分的基床系數為

ksi1=Es1A/L1

(5)

原始土體部分的基床系數：

ksi2=Es2A/(L-L1)

(6)

挖填結合區(qū)土基床系數ks：

(7)

式中：Es1為填方土體壓縮模量，Es2為原始土體的壓縮模量，L1為填方土體平均厚度.

在網格劃分時，出現網格中既有填方區(qū)又有挖方區(qū)的情況時網格的基床系數可視為并聯關系，網格內土體的基床系數為

km=ksi1+ksi2

(8)

其中：ksi1、ksi2分別為網格內填土與原始土體的基床系數.

得出樁、填土、原始土、挖填結合區(qū)土體的基床系數矩陣后，可以求解出地基土中m個網格的基床系數為ks1、ks2…ksm，可以得出樁與地基聯合系數矩陣：

(9)

根據文克爾地基模型的統一表達式{R}=[KSP]{S}，可得

(10)

文克爾地基模型中基礎與地基保持位移協調的關系，核心問題是建立樁-土-地基和筏板的系數矩陣，上文已得出樁與地基的聯合系數矩陣，結合筏板的系數矩陣，可以得出共同作用基本方程表達式，即挖填結合地基上樁-土-筏共同作用的計算式：

{[Kr]+[KSP]}[U]=[f]

(11)

其中：[Kr]為筏板自身系數矩陣；[KSP]為樁土地基系數矩陣；[U]為筏板節(jié)點位移矩陣；[f]為筏板上部結構荷載節(jié)點力矩陣.

4 結論

通過開展模型試驗，對黃土挖填結合部位樁筏基礎在加載過程中的變形-破壞的過程進行模擬，綜合分析應變、位移、土壓力數據，得出以下主要結論：

(1)在文克爾地基梁模型的基礎上，考慮挖填結合區(qū)填方土體與原始土體各自的基床系數，將樁體與樁間土簡化為不同k的彈簧體系，構建了適用于挖填結合區(qū)地基條件的筏板基礎和樁筏基礎的力學模型.

(2)基礎設計時應避免樁體全段位于填方地基中，基樁底部應深入穩(wěn)定原始土體，并通過對填方地基的預處理提高樁周土體的摩擦力，同時應考慮各樁軸向應變數值以及峰值位置的差異，有針對性地考慮樁體的承載能力.

(3)根據模型試驗結果，不建議在挖填結合區(qū)內布設建筑物，但是當無法避開挖填結合區(qū)時，對跨越黃土挖填方場地的筏板基礎和樁筏基礎的設計、施工提出以下建議：①樁筏基礎跨越挖填結合區(qū)時，應對基礎范圍內的填土進行預處理，防止負摩阻力的產生；②純填方區(qū)內的樁體應增大樁徑或減少樁間距，局部可增加配筋，提高抗彎剛度；③挖填結合區(qū)中的樁體在設計中應充分考慮水平承載力，試樁后應進行水平承載力試驗.