復合地基樁體向墊層刺入量模型試驗研究

亓 樂，王青松，曲 寧

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 210013）

復合地基樁體向墊層刺入量模型試驗研究

亓 樂，王青松，曲 寧

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 210013）

樁體刺入墊層量的分析研究是復合地基沉降和荷載傳遞規(guī)律的一個重要組成部分，它將進一步完善復合地基沉降理論。然而目前對于樁體刺入量的研究不多。為了解具有墊層復合地基的作用機理、掌握樁土的荷載分擔及樁體刺入墊層的規(guī)律，進行了不同工況的復合地基模型試驗，得到了一系列有益的結論。試驗結果對復合地基沉降研究提供了理論依據和數據支持，對其設計起到一定的指導作用。

復合地基；墊層；模型試驗；刺入量；樁體

1 研究背景

近年來，復合地基技術在工程建設中得到了廣泛應用［1］。在荷載作用下，增強體與地基土體共同承擔上部結構的荷載是復合地基的本質。增強體和地基土體通過變形協(xié)調共同承擔荷載作用是形成復合地基的基本條件。所以復合地基與樁基的主要區(qū)別在于樁基是由樁來承擔和傳遞上部荷載，而復合地基是由樁和樁間土共同承擔［2］。

當上部荷載施加于復合地基初期，大部分荷載通過墊層傳向剛度大的樁，較少部分傳向樁間土，隨著荷載的增加以及樁間土的壓縮，傳到樁上的荷載逐漸增大，而傳到土中的荷載減少。如墊層和下臥層剛度較大，則荷載將更多地由樁來承擔，接近于形成樁基；如墊層和下臥層剛度不太大，或樁的承擔荷載較大，當樁間土壓縮下沉時，隨著樁承擔的荷載分量的增大，勢必在樁頂或樁端產生刺入變形，這時樁間土所受的壓力又會有所增大，迫使樁間土進一步壓縮。樁的刺入變形與樁間土的壓縮變形就這樣經歷著一個反復循環(huán)、協(xié)調的過程，這個協(xié)調過程最終會達到平衡［3］。

通過以上分析可知，樁體分擔荷載的能力并不是簡單地與樁體材料本身的模量相關，也不是僅考慮置換率即可，而是與樁對墊層的刺入量有很大的關系。復合地基為保證樁間土的受力，需保證有一定的刺入變形，刺入量對樁土的荷載分擔比例具有協(xié)調作用。樁的刺入變形的大小顯然與樁、土、墊層的模量有關，也與樁徑以及置換率等有關。此外，刺入量還與樁土間的摩擦力大小有關。在復合地基中要真正調動和發(fā)揮土的承載能力，必須使樁具備刺入墊層的條件，否則將難以形成真正的復合地基。

樁體刺入變形量的分析與研究是復合地基沉降和荷載傳遞規(guī)律的一個重要組成部分，它將進一步完善復合地基沉降理論，并對復合地基的設計工作起到重要的作用［4－6］。因此，樁體刺入墊層的變形量應該得到較多的重視，但目前對于樁體刺入變形量的研究并不多見，實測的資料也較少。

基于以上考慮，為了探討復合地基在荷載作用下的樁體刺入墊層量，以及樁土應力比的變化規(guī)律，進行了室內模型試驗。并對不同的樁徑、墊層厚度和下臥層厚度等工況下的試驗結果進行了對比分析。

2 試驗研究

2．1 試驗模型概況

試驗儀器采用了河海大學自主研制的一套室內沉降模型試驗設備［7］，試驗儀器主要由試驗模型桶、加載系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)以及荷載量測系統(tǒng)組成，試驗裝置如圖1所示。

儀器主體為一透明有機玻璃桶，桶壁厚2．0 cm，桶內徑50 cm。桶體凈高110 cm，其中桶體上下都采用鋼箍加固，可保證試驗過程中安全性及密封性。模型試驗采用有機玻璃桶作為模型試驗槽，這相當于取一個樁土單元進行試驗。荷載板的直徑等于桶體內徑，由于桶壁的限制作用，因此加載情況可以模擬群樁的加載。荷載通過位于4個方向的4組靜滑輪與動滑輪結合加荷，荷載在0～400 kPa范圍內變化。試驗桶內沉降觀測分2部分，內部各層沉降觀測通過內部設置的標志物結合試驗桶壁上貼著的標尺進行讀數，而試樣頂部讀數則通過穿過固定于支架上滑輪的細鋼絲拉動游標卡尺垂直上下進行讀數，其中游標卡尺精度達0．01 cm。

試驗用樁采用硬質PP－R管，試驗時將兩端用木塞塞緊。由于使用方便，易于購買，且強度滿足試驗要求，已有大量學者采用它作為試驗用樁。樁體的側面貼2組應變片（10片），可以量測得到樁體的壓縮量。對于試驗用土，原則上以黏性土為好，但考慮到黏土具有黏聚力，試驗時難以保證其均質性，會使試驗結果產生較大誤差。而砂土沒有黏聚力，能很好地保證試驗填土的均勻性，因此結合國內外室內試驗的經驗，本試驗采用砂土。

2．2 試驗方法

豎向荷載通過放置砝碼而施加到荷載板上，試驗共進行10級加載，試驗每級荷載加載量均為9．65 kPa（砝碼重量188．8 kg）。據樁徑、墊層厚度和下臥層厚度的不同，試驗共分8組，分組情況見表1。

圖1 試驗裝置Fig．1 The test apparatus

表1 模型試驗分組情況Table 1 Cases of themodel test mm

3 試驗結果分析

3．1 樁土應力比分析

圖2和圖3為不同樁徑情況下的樁土應力比和樁體荷載承擔比。樁徑的變化對樁土應力比略有影響，樁徑越大，應力比越小，應力比相差1左右。但是樁徑的增大，對于樁體的荷載承擔比影響不大。樁徑增加了57．5%，相應的樁體荷載承擔比只增加了2%左右。因此，增加樁徑（置換率）來提高樁體的承載力發(fā)揮度是不經濟的。圖4所示是不同墊層厚度對應力比的影響對比?？梢钥闯?，墊層厚度越大，樁土應力比越小。這表明了墊層的流動調節(jié)作用，墊層的存在使樁體向墊層刺入，更多的荷載由樁周土承擔，減小了樁土應力比。當不設墊層時，荷載施加的初期，樁體承擔荷載較大，樁土應力比較大；隨著荷載的增加，樁體逐漸向下臥層產生刺入，荷載也更多的由樁周土承擔，樁土應力比逐漸趨于穩(wěn)定，這體現出了下臥層的荷載調節(jié)作用。而復合地基設置墊層時，樁土應力比變化不大，基本保持穩(wěn)定，墊層厚度越大這種現象越明顯。這充分說明了墊層的流動調節(jié)作用，在荷載施加的初期，就開始調節(jié)荷載分布，使樁周土承擔更多的荷載。圖5中可以看出，下臥層厚度越小，樁端應力比越大。產生這種現象的原因是軟弱下臥層厚度越小，對樁體向下刺入的限制作用越大，樁體就承擔更多的荷載，應力比則越大。當下臥層厚度為0時，樁體不向下產生刺入，樁體承擔荷載會達到最大，應力比也會達到最大值。設計工作中，當下臥層厚度不大時，應盡量使樁體達到持力層深度以發(fā)揮樁體承載力。

圖2 不同樁徑（置換率）對應力比的影響Fig．2 Effects of pile diameter（replacement ratio）on pile-soil stress ratio

3．2 樁體刺入墊層量分析

當下臥層厚度為0時，樁端和樁端處樁周土是等沉降的。通過應變片的測量，我們可以得到樁體的壓縮量；通過樁周土沉降的觀測，我們可以得到樁周土體的壓縮量，而兩者壓縮量之差就是樁體刺入墊層量。

圖3 不同樁徑（置換率）對樁體荷載承擔比的影響Fig．3 Effects of pile diameter（rep lacement ratio）on pile’s bearing ratio

圖4 不同墊層厚度對應力比的影響Fig．4 Effects of cushion thickness on pile-soil stress ratio

圖5 不同下臥層厚度對應力比的影響Fig．5 Effects of substratum thickness on pile-soil stress ratio

圖6 所示是墊層厚度（40 mm）一定的情況下，不同樁徑對樁頂刺入量的影響對比。圖中可以看出，隨著荷載的增大，樁頂刺入量也逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定；樁徑較大的復合地基，樁頂刺入量較小。這與前面圖2樁頂處應力比的分析一致，樁徑越大，樁頂處應力比越小，刺入量越小。當荷載增加到第4級以后，樁端刺入量和荷載基本上呈線性的關系。對應前面樁端應力比的分析，在施加第4級荷載以后，樁端應力比基本上趨于一定值，此時的刺入量隨荷載的增大而增大。圖7所示是樁徑（63 mm）一定的情況下，不同墊層厚度對樁頂刺入量的影響對比。圖中可以看出，墊層厚度越大，樁頂刺入量越大。

圖6 不同樁徑（置換率）對刺入量的影響Fig．6 Effects of pile diameter（replacement ratio）on penetration

圖7 不同墊層厚度對刺入量的影響Fig．7 Effects of cushion thickness on penetration

圖2 至圖7中可看出參數的改變可以使得荷載的分擔有較大的不同，說明了在設計工作中，為了使樁土的承載能力得到充分且合理的發(fā)揮，一定要考慮樁體刺入墊層量的影響。

4 結 論

通過室內模型試驗對樁體刺入墊層進行了研究，得到了以下結論和建議：

（1）隨著荷載的增大，應力比逐漸趨于一定值，樁體刺入量也逐漸增大；

（2）增大樁徑，應力比和刺入量會有所減小，樁體的荷載承擔比變化不大，因此，在復合地基的設計中，靠增加樁徑（置換率）來提高樁體的承載力發(fā)揮度是不經濟的；

（3）增大墊層厚度，樁土應力比會有所減小，這說明了墊層的調節(jié)能力，合理的墊層厚度是設計中的重要內容；

（4）墊層厚度的增加，刺入量會逐漸增大；

（5）復合地基設計中的影響因素非常多，本文限于試驗條件，只考慮了較少幾種工況的研究，以后的工作還需考慮更多的影響因素。

［1］ JGJ79－91，建筑地基處理技術規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，1992．（JGJ79－91，Specifications on Foundation Treatment Techniques［S］．Beijing：China Planning Press，1992．（in Chinese））

［2］ 龔曉南．復合地基理論及工程應用［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．（GONG Xiao-nan．Theory of Composite Foundation and Its Engineering Application［M］．Beijing：China Architecture＆Building Press，2002．（in Chinese））

［3］ 毛 前，龔曉南．樁體復合地基柔性墊層的效用研［J］．巖土力學，1998，19（2）：67－73．（MAO Qian，GONG Xiao-nan．Research on the Properties of Cushion of the Composite Ground［J］．Rock and Soil Mechanics，1998，19（2）：67－73．（in Chinese））

［4］ 劉緒普，龔曉南，黎執(zhí)長．用彈性理論法和傳遞函數法聯合求解單樁沉降［C］∥第四屆地基處理學術討論會論文集．杭州：浙江大學出版社，1995．（LIU Xu-pu，GONG Xiao-nan，LI Zhi-chang．Calculation of Single Pile Settlement Using Theory of Elasticity and Transfer Function［C］∥Proceedings of the Fourth Symposium on Foundation Treatment．Hangzhou：Zhejiang University Press，1995．（in Chinese））

［5］ 張忠苗，陳洪，吳慧明．柔性承臺下復合地基應力和沉降計算研究［J］．巖土力學，2004，25（3）：451－454．（ZHANG Zhong-miao，CHEN Hong，WU Hui-ming．Research on Stress and Settlementof Composite Ground with Soft Base Slab［J］．Rock and Soil Mechanics，2004，25（3）：451－454．（in Chinese））

［6］ 王律明，陸華東，吳慧明．柔性基礎復合地基沉降計算［J］．中南公路工程，2005，30（3）：77－80．（WANG Lvming，LU Hua-dong，WU Hui-ming．Settlement of Composite Foundation with Soft Base Slab［J］．Central South Highway Engineering，2005，30（3）：77－80．（in Chinese））

［7］ 亓 樂．復合地基模型試驗及考慮下臥層特性的沉降計算研究［D］．南京：河海大學，2009．（QI Le．Model Tests on Composite Ground and Settlement Calculation Considering Substratum Characteristics［D］．Nanjing：Hohai University，2009．（in Chinese））

（編輯：姜小蘭）

M odel Test on the Depth of Pile Penetration into the Cushion of Composite Foundation

QILe，WANG Qing-song，QU Ning
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Ltd．，Ji’nan 210013，China）

Researches on the depth of pile penetration into the cushion of composite foundation is a part of understanding the foundation settlement and load transfer，which would further complete the theory of composite foundation settlement．We performed model tests on composite foundation under differentworking conditions to obtain the workingmechanism of cushioned composite ground，and to investigate the pile-soil stress ratio and the behavior of pile penetration into the cushion．Itwas found thatwith the increase of load，the pile-soil stress ratio tended to be stable．When pile diameter increased，the pile-soil stress ratio and the penetration reduced，while the load bearing ratio of pile rarely changed．Therefore，it’s uneconomical to add pile diameter（replacement ratio）to improve the bearing capacity of piles．The rise of cushion thickness helped reduce the pile-soil stress ratio，while intensified the penetration．The test results provide data support for the design of composite foundation．

composite foundation；cushion；model test；depth of penetration；pile

TV553；TU472

A

1001－5485（2012）08－0125－042012，29（8）：125－128

10．3969／j．issn．1001－5485．2012．08．023

2011－07－29

亓 樂（1981－），男，山東淄博人，博士，主要從事電力勘察設計和復合地基方面的研究工作，（電話）15053120967（電子信箱）qile81＠163．com。