不同褥墊層厚度CFG樁復合地基室內模型試驗研究

段曉沛，曹新文，李芳芳

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;2.西南交通大學 希望學院，四川 南充 637900)

CFG樁復合地基的核心是設置墊層。如果墊層太“軟”，雖有樁刺入，但荷載轉移的效果不明顯，樁間土發(fā)揮作用不好;如果墊層太“硬”，使樁體無法刺入，則也不能轉移荷載，這個“刺入”與墊層的“軟”與“硬”的限制就是墊層設計的條件［1］。

本文以廈門市環(huán)東海域火炬工業(yè)園工程場地為背景，通過建立室內模型試驗，分析研究褥墊層厚度對樁土應力比和變形沉降的影響。探討褥墊層厚度的合理設計要求，為工程實踐中進行現(xiàn)場試驗、模型試驗以及數(shù)值分析提供依據(jù)和支持。

1 室內模型試驗

1.1 試驗裝置與試驗方法

試驗在鋼質模型箱內進行，試驗箱尺寸:3.0 m×3.0 m×2.4 m(長×寬×高)。本次試驗采用兩樁復合地基，樁距30 cm，樁長1.2 m，樁徑10 cm。平板載荷試驗承壓板采用50 cm×50 cm的方形鋼板，加載設備采用油壓千斤頂，千斤頂合力中心與荷載板中心重合。荷載測量采用聯(lián)于千斤頂?shù)膲毫Ρ頊y定油壓，按率定曲線換算荷載［2］。試驗方法采用沉降相對穩(wěn)定法。

1.2 試驗步驟

砂土分 5 層填筑，標記為 S1、S2、S3、S4、S5，其中S5填筑高度為40 cm，其余層為30 cm。砂的密實度按孔隙比0.6控制，填筑前先計算出孔隙比0.6的砂土的密度，得出每層所需砂土的重量，按計算重量進行填筑。每層填筑完畢后，用機械振動夯實，將砂層分界線壓實到事先在試驗箱四周標示好的位置。在樁底、樁頂以及每層兩樁連線中心處布設土壓力盒。

2 試驗成果與分析

2.1 樁土應力比

由圖1可知，樁土應力比隨荷載的增大而增大。在加載初期，樁土應力比隨荷載的變化速率較大，在加載后期，樁土應力比隨荷載的變化逐漸減緩，樁土應力比趨向于一穩(wěn)定值。當褥墊層厚度h在一定范圍內，同荷載水平下，樁土應力比隨褥墊層厚度的減小而增大。褥墊層厚度減小為20 cm，在加載初期樁土應力比很小，當荷載板下應力大于60 kPa左右時，樁土應力比隨荷載的變化速率顯著增加。褥墊層厚度減小到10cm后，樁土應力比隨荷載的變化速率在加載始終都比較小，且在加載后期，同荷載水平下，相對于褥墊層厚度較大的情況，樁土應力比顯著減小。

圖1 樁土應力比隨荷載的變化曲線

2.2 樁頂反力與樁底土壓力

圖2、圖3分別給出了不同褥墊層厚度下樁頂反力、樁底土壓力隨荷載的變化曲線。由圖2可知，在加載初期，不同褥墊層厚度樁頂反力隨荷載的變化曲線大致相同。隨著荷載的增大，在同荷載水平下，褥墊層厚度越小，樁頂反力越大，褥墊層厚度減小為20 cm時，樁頂反力隨荷載的變化速率顯著增大。褥墊層厚度減小為10 cm時，樁頂反力隨荷載的變化曲線反而與褥墊層厚度為30 cm時大致相同。由圖3可見，隨著荷載的增加，樁底土應力隨著荷載的變化速率逐漸增大。同荷載水平下，褥墊層厚度為20 cm時樁底土壓力最小。

圖2 樁頂反力隨荷載的變化曲線

圖3 樁底土應力隨荷載的變化曲線

2.3 樁間土的豎向應力分布特征

圖4給出了不同褥墊層厚度在兩級不同荷載下樁間土豎向應力分布，圖例中h表示褥墊層厚度，后面數(shù)值表示荷載級別的大小。由圖4可見，總體上，樁間土豎向應力在樁頂平面處最大，隨著深度的增加，逐漸遞減。在小荷載作用下，0.3 m深度以下，樁間土豎向應力很小，且沿深度的遞減速率幾乎為0。隨著荷載的增加，在0.3 m深度以上，樁間土豎向應力隨著褥墊層厚度的減小而增大，而在0.9 m深度左右，褥墊層厚度較大的情況下，樁間土豎向應力沿深度的增加而出現(xiàn)遞增現(xiàn)象。

圖4 樁間土豎向應力分布

2.4 褥墊層作用機理討論

根據(jù)試驗所得結果，結合CFG樁復合地基在荷載作用下的變形特性，分析褥墊層厚度的設計對樁、土相互作用以及沉降的影響。

在試驗加載初期，由于樁頂以上褥墊層更易被壓縮，樁頂上刺入量大于樁端的下刺入量。根據(jù)試驗實測結果得知，在加載初期，加固區(qū)的壓縮以樁頂上刺入量為主，所以本試驗加固區(qū)壓縮主要考慮樁頂?shù)纳洗倘肓浚?］。褥墊層厚度的不同直接影響樁頂?shù)姆聪虼倘脒^程［4］。在加載初期，隨著荷載的增加，樁頂以上的褥墊層首先出現(xiàn)塑性區(qū)，繼而樁與樁間土產生較大的位移，樁頂刺入褥墊層。由于本試驗中褥墊層鋪設過程中沒有進行人工壓實，比較松散，在加載初期，不同厚度的褥墊層樁頂?shù)姆聪虼倘肓肯嗤D2不同褥墊層厚度在加載初期樁頂反力隨荷載的變化曲線重合，與理論分析正好吻合。

當荷載增大到一定值后，由于樁頂?shù)姆聪虼倘耄瑯杜c樁間土發(fā)生相互作用，不同褥墊層厚度出現(xiàn)不同的變形特性。當褥墊層厚度較大時，墊層模量很小，在荷載作用下壓縮空間比較大。樁頂?shù)姆聪虼倘耄車鷫|層不能提供很強的約束作用，樁頂墊層發(fā)生塑性流動，使褥墊層在樁頂反力作用下產生過大的壓縮變形，樁頂“不收斂”地刺入褥墊層［5］。樁通過墊層傳給樁間土的荷載較小，從而引起樁間土對樁側約束力較小，圖4樁間土的豎向應力分布中，與褥墊層厚度較小的情況相比，褥墊層厚度為40 cm、30 cm時反映了此現(xiàn)象。樁間土的約束作用較小，樁承擔的荷載傳遞到樁端的部分相對較大，圖3不同褥墊層厚度樁底土應力隨荷載的變化規(guī)律與理論分析結果相似［6］。樁端力較大，在持力層相同的情況下，褥墊層厚度較大的樁端的下刺入量較大，樁端位置附近處，樁與樁間土發(fā)生較大的相對位移。在樁端位置附近，樁間土的壓縮量較大，樁間土的應力較大。于是出現(xiàn)了圖4中0.9 m深度左右，褥墊層厚度較大的情況下，樁間土豎向應力沿深度的增加而出現(xiàn)遞增的現(xiàn)象。當褥墊層厚度為20 cm時，在加載初期，能夠保證樁頂“適度”地刺入，樁周褥墊層能夠有效地限制樁頂墊層的塑性流動，墊層能夠很好地發(fā)揮協(xié)調作用。樁間土承擔較大的荷載，樁間土對樁側約束作用較大，樁承擔的荷載大部分由樁側阻力承擔，樁端阻力很小，樁端刺入量很小。隨著荷載的增加，樁發(fā)生向上刺入，同時墊層壓縮量逐漸減小，模量逐漸變大，樁頂?shù)拇倘肓吭絹碓叫。瑯俄敺戳︼@著增大。圖2～圖4從側面反映了樁的變形特性以及樁與樁間土的相互作用關系。當褥墊層厚度為10 cm時，樁頂刺入量很小，墊層起不到應有的樁土協(xié)調作用［7］。圖1當褥墊層厚度為10 cm時，在加載始終樁土應力比隨荷載的變化很小反映了此現(xiàn)象。

圖5給出了不同褥墊層厚度在荷載作用下的沉降曲線，當褥墊層厚度為20 cm時，荷載板的沉降最小，當荷載減小到10 cm后，承載板的沉降反而增大，這與以上分析的受力變形剛好一致。

圖5 荷載板的沉降曲線

3 結語

本文通過室內模型試驗，以廈門地區(qū)吹填土作為研究對象，通過設計不同的褥墊層厚度，對王年云、鄭剛等提出的“適度”褥墊層厚度理論進行分析論證，得出合理的褥墊層厚度設計對樁、土受力的相互協(xié)調作用以及控制變形沉降的重要性。本文通過試驗結果分析得出以下結論:

1)合理的褥墊層厚度設計應該保證樁頂反向刺入過程中，對樁周土以上墊層有一定的擠壓。在豎向荷載作用下墊層擠壓樁間土，樁間土受力對樁體產生側向約束，樁間土的側向約束反過來能夠有效地限制樁的向下刺入。隨著荷載的增加，樁頂反向刺入增大，樁頂進一步擠壓墊層，樁間土通過墊層作用承擔荷載增大，這樣樁、土通過墊層的協(xié)調作用可以有效地發(fā)揮二者的承載力，進而提高復合地基的承載力。

2)通過合理的褥墊層厚度設計可以有效地提高樁側摩阻力，減小樁端阻力，進而減小樁端的下刺入量。這樣，可以通過設計合理的褥墊層厚度來彌補樁端持力層性質差的缺陷。

3)合理的褥墊層厚度設計可以有效地控制剛性基礎的沉降。

［1］王年云.剛性樁復合地基設計的探討［J］.武漢城市建設學院學報，1996，16(2):45-47.

［2］閆宏業(yè)，葉陽升，蔡德鉤，等.CFG樁復合地基持力層模型試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(7):44-48.

［3］池躍君.剛性樁復合地基承載及變形特性試驗研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2002，31(3):238-240.

［4］楊素春.CFG樁樁土應力比及褥墊層厚度研究［J］.工業(yè)建筑，2004，34(6):44-46.

［5］鄭剛.不同褥墊層厚度剛性樁復合地基工作特性研究［J］.巖土力學，2006，27(8):1358-1360.

［6］池躍君.剛性樁復合地基應力場分布的試驗研究［J］.巖土力學，2003，24(3):340-342.

［7］韓云山.墊層對 CFG樁復合地基承載力評價的影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(20):3499-3502.