水泥土樁復(fù)合地基褥墊層厚度試驗研究

劉統(tǒng)廣

（中天泰和國際工程勘察設(shè)計（北京）有限公司，山東 濟南250000）

黃熙齡[1]提出在承臺下設(shè)置褥墊層，可以優(yōu)化復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，合理利用樁間土的承載力，能充分發(fā)揮復(fù)合地基的承載特性。自楊軍等[2]將褥墊層應(yīng)用于工程實踐以來，復(fù)合地基技術(shù)在我國得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，并取得了良好的經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)在地基處理中應(yīng)用的樁型有十余種之多，幾乎均以樁體和樁間土通過褥墊層調(diào)節(jié)達到這兩種介質(zhì)共同承載為基本概念。復(fù)合地基的理論和技術(shù)現(xiàn)狀卻是，理論研究仍然遠遠落后于工程實踐。褥墊層是復(fù)合地基處理技術(shù)的核心，但因復(fù)合地基種類較多，作用機理復(fù)雜，環(huán)境條件多變性等原因，導(dǎo)致褥墊層的材料及厚度的理論研究和技術(shù)應(yīng)用仍有很大的空間。

現(xiàn)場載荷試驗和室內(nèi)模型載荷試驗是當(dāng)前研究復(fù)合地基理論的主要手段。文章以室內(nèi)水泥土樁復(fù)合地基載荷試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究褥墊層厚度對復(fù)合地基豎向和水平向承載特性及位移變形的影響，分析了在不同褥墊層厚度下復(fù)合地基豎向和水平向樁土應(yīng)力比及位移的變化特征，探討水泥土樁復(fù)核地基褥墊層厚度合理取值問題。

1 室內(nèi)模型試驗

試驗在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室內(nèi)進行。水泥土樁徑為100mm，樁長為1000mm。鋼板箱體尺寸為2m×2m×1.6m，內(nèi)貼5mm厚泡沫橡膠板，用以降低剛性試驗箱體對土體的約束作用。樁底鋪設(shè)300mm厚細(xì)沙，樁頂褥墊層為粒徑10mm的碎石，裝側(cè)土為粉質(zhì)黏土。預(yù)制水泥土樁體為參量10%的P.042.5級硅酸鹽水泥。水泥土樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗分為豎向載荷試驗和水平載荷試驗兩部分。本試驗由高精度靜態(tài)伺服液壓控制臺控制，使用UCAM-70A.IMP數(shù)采系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)。

1.1 豎向載荷試驗加載過程

使用壓力傳感器監(jiān)測200t滑動千斤頂，每步50kN分級加載。每步加載穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，然后再進行下步加載。終止加載條件為沉降不收斂或得到相關(guān)曲線可以做定性分析。

1.2 水平載荷試驗加載過程

預(yù)先使用50t滑動千斤頂施加額定豎向荷載（100kPa），然后使用200t千斤頂施加水平荷載，每步2.5kN分級加載，加載歷時15min后讀取數(shù)據(jù)。終止加載條件為水平位移不收斂或得到相關(guān)曲線可以做定性分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 褥墊層厚度對地基豎向沉降位移的影響

不同褥墊層厚度時水泥土樁復(fù)合地基荷載-沉降曲線如圖1所示。在載荷前期，3種不同褥墊層厚度下的地基沉降隨豎向荷載的增加而近似直線增加。70mm厚褥墊層沉降曲線曲率增大點為100kPa處，對應(yīng)沉降值為24.2mm；140mm厚褥墊層沉降曲線曲率增大點荷載為125kPa，對應(yīng)沉降值為29.5mm；210mm厚褥墊層沉降曲線曲率增大點荷載為150kPa，對應(yīng)沉降曲線為32.4mm。試驗數(shù)據(jù)顯示相同荷載條件下，隨著褥墊層厚度的增加復(fù)合地基豎向沉降變小。在一定范圍內(nèi)，褥墊層厚度的增加可以使水泥土樁與樁間土更好地協(xié)調(diào)工作，提高復(fù)合地基的承載力和變形能力。

圖1 不同褥墊層厚度下樁頂豎向沉降

2.2 褥墊層厚度對樁頂水平位移的影響

在豎向荷載100kPa的等同條件下，改變?nèi)靿|層厚度。樁頂水平位移變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同褥墊層厚度下樁頂水平位移

從圖2可以得出，在同一水平荷載作用下，墊層越厚，樁頂水平位移越小。在一定范圍內(nèi)，增加褥墊層厚度能夠優(yōu)化樁土之間的應(yīng)力比。當(dāng)水平荷載大于25kPa時，相對140mm褥墊層下的樁頂水平位移，70mm褥墊層厚度下的樁頂水平位移迅速增大。這正是由于褥墊層厚度過小，使得樁身承載水平力增大，樁間土承載能力不能充分發(fā)揮。

褥墊層是影響水泥土樁復(fù)合地基特性的重要因素。對于柔性樁復(fù)合地基，褥墊層厚度過小，樁對基礎(chǔ)將產(chǎn)生很顯著的應(yīng)力集中，需考慮樁對基礎(chǔ)沖切，這勢必導(dǎo)致基礎(chǔ)加厚?；A(chǔ)在水平荷載作用下，可能造成復(fù)合地基中樁斷裂。由于褥墊厚度過小，樁間土承載能力不能充分發(fā)揮，要達到設(shè)計要求的承載力，必然要增加樁的數(shù)量或長度，從而造成經(jīng)濟上的浪費。唯一帶來的好處是建筑物的沉降量小[3]。褥墊層厚度大，樁對基礎(chǔ)產(chǎn)生的應(yīng)力集中很小，可不考慮樁對基礎(chǔ)的沖擊作用，基礎(chǔ)受水平荷載的作用，不會發(fā)生樁的折斷，并能充分發(fā)揮樁間土的承載能力。若褥墊層厚度過大，會導(dǎo)致樁、土應(yīng)力比等于或接近1。此時樁承擔(dān)的荷載太小，實際上復(fù)合地基中樁的設(shè)置已失去了意義。這樣設(shè)計的復(fù)合地基承載力，不會比天然地基有較大的提高，而且建筑物的變形也大。

綜合以上分析，建議實際工程中水泥土樁復(fù)合地基褥墊層厚度為樁徑的1～2倍，且不小于100mm。

3 褥墊層厚度設(shè)計

褥墊層厚度決定了復(fù)合地基的合理性。通過合理控制復(fù)合地基的褥墊層厚度，能夠得到預(yù)期的樁土應(yīng)力比和地基沉降值，從而達到復(fù)合地基處理的安全性和經(jīng)濟性。在實際工程設(shè)計之初，已知上部結(jié)構(gòu)所需的地基承載力和處理前原有地基的承載力，按現(xiàn)行《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《地處規(guī)》）根據(jù)樁土應(yīng)力比經(jīng)驗值即可求得增強體的置換率[4]。復(fù)合地基承載力計算過程中，散體材料增強體復(fù)合地基樁土應(yīng)力比或有黏結(jié)強度增強體復(fù)合地基樁土承載力發(fā)揮系數(shù)為經(jīng)驗值，而對此起主要影響作用的褥墊層厚度也為范圍取值，導(dǎo)致計算結(jié)果的偏差較大。

300mm樁徑水泥土樁復(fù)合地基褥墊層（中粗砂和碎石石屑）最佳厚度為200～300mm，在此范圍內(nèi)，褥墊層厚度與樁土應(yīng)力比成負(fù)相關(guān)關(guān)系[5]。肖耀廷[6]提出褥墊層厚度等于樁頂應(yīng)力擴散角厚度與樁頂刺入量之和。假設(shè)條件：（1）墊層為理想彈性體，材料符合摩爾庫倫準(zhǔn)則；（2）不考慮樁的側(cè)向變形，樁土只發(fā)生一維壓縮；（3）計算時不考慮墊層圖的重量和粘聚力；（4）樁體向墊層的破壞形式為刺入破壞。

從墊層的受力和變形的角度推導(dǎo)出褥墊層厚度計算公式：

式中：n為樁土應(yīng)力比；h0為樁頂應(yīng)力擴散厚度；Kp為被動土壓力系數(shù)；Es為墊層壓縮模量；φ為墊層內(nèi)摩擦角；ψ為直線擴散角；σ為基底壓力；D為水泥土樁直徑。

本文通過現(xiàn)場靜載荷試驗分析得出，100mm樁徑水泥土樁復(fù)合地基褥墊層厚度小于200mm時，樁土應(yīng)力比隨墊層厚度的減小而降低。從上述計算式可知，褥墊層的厚度與樁徑成正相關(guān)關(guān)系，與基底壓力成正相關(guān)關(guān)系，并和褥墊層的材料相關(guān)。

4 結(jié)束語

（1）相同荷載條件下，隨著褥墊層厚度的增加水泥土樁復(fù)合地基豎向沉降變小。在一定范圍內(nèi)，褥墊層厚度的增加可以使水泥土樁與樁間土更好地協(xié)調(diào)工作，以提高水泥土樁復(fù)合地基的承載力和變形能力。

（2）在水平加載初期，豎向荷載能夠減小樁身水平位移。豎向荷載使得樁頂在水平方向上受到一定程度的約束，從而限制了樁頂?shù)乃轿灰啤＝ㄗh水泥土樁復(fù)合地基水平荷載承載力設(shè)計值不小于豎向最大荷載的1/10。

（3）適度增加褥墊層厚度能夠優(yōu)化樁土之間的應(yīng)力比。建議實際工程中水泥土樁復(fù)合地基褥墊層厚度為樁徑的1～2倍，且不小于10cm。

（4）水泥土樁復(fù)合地基褥墊層厚度取值影響因素頗多，其理論計算公式的確定仍需進一步工程試驗和理論分析。