剛性樁復(fù)合地基與復(fù)合樁基工作性狀對(duì)比試驗(yàn)研究

李俊華

【摘 要】在當(dāng)前的建筑領(lǐng)域，剛性樁復(fù)合地基與復(fù)合樁基的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但是在施工中如何科學(xué)合理地選擇這2種方式就需要對(duì)其工作性狀進(jìn)行充分的研究，從而更有效地將其應(yīng)用在日常施工中。文章基于樁基工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合樁基和剛性樁復(fù)合地基進(jìn)行比較和試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究在一定的工作荷載下，復(fù)合樁基和復(fù)合地基的筏板外側(cè)地面沉降、筏板沉降、筏板下樁土反力、樁端平面以下深層地基沉降的問(wèn)題，以此得出了兩者在工作性狀上的不同之處，希望對(duì)相關(guān)工程施工有一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】剛性樁復(fù)合地基；復(fù)合樁基；工作性狀；對(duì)比

【中圖分類號(hào)】TU470 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）10-0058-04

現(xiàn)階段，復(fù)合地基和復(fù)合樁基已經(jīng)在我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且也為社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了巨大的社會(huì)財(cái)富。然而，目前學(xué)術(shù)界對(duì)什么是復(fù)合地基和復(fù)合樁基及它們的分類尚存爭(zhēng)議，但這并未影響其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。在工程的施工過(guò)程中，如何結(jié)合施工實(shí)際，選擇更符合施工要求的技術(shù)是我們必須處理的問(wèn)題，這就需要對(duì)復(fù)合樁基和復(fù)合地基的性質(zhì)進(jìn)行有效研究和分析，從而促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用中的選擇，提高施工質(zhì)量，幫助施工企業(yè)實(shí)現(xiàn)最大效益。

1 剛性樁復(fù)合地基

復(fù)合地基可以分為3類：第一類是在對(duì)天然地基進(jìn)行地基處理的過(guò)程中對(duì)部分土體進(jìn)行了增強(qiáng)。第二類是在對(duì)天然地基進(jìn)行地基處理的過(guò)程中對(duì)部分土體進(jìn)行了置換。第三類是在對(duì)天然地基進(jìn)行地基處理的過(guò)程中在部分土體中設(shè)置加筋材料，通常情況下，人工地基處理構(gòu)建形成加固區(qū)，而人工地基主要?jiǎng)t由增強(qiáng)體和基體這兩個(gè)部分所組成，而荷載壓力主要是由基體承擔(dān)，同時(shí)加強(qiáng)體也共同承擔(dān)了一定的荷載。事實(shí)上，復(fù)合地基是現(xiàn)實(shí)中較為常用和理想的一種地基處理方法，它通過(guò)利用天然地基的承載力來(lái)達(dá)到減少造價(jià)的目的，特別是對(duì)于剛性樁復(fù)合地基，比如CFG樁復(fù)合地基、混凝土樁復(fù)合地基、CM樁復(fù)合地基等。我們知道，因?yàn)閯傂詷妒┕べ|(zhì)量較高，其沉降是可控的，所以其運(yùn)用前景被廣泛看好。但是在我們的工程實(shí)踐中，較好的復(fù)合地基設(shè)置思想是“缺多少補(bǔ)多少”[2]，也就是說(shuō)要充分利用天然地基的承載力，當(dāng)它不夠時(shí)，超出部分須采用樁基來(lái)承擔(dān)，這是一種相對(duì)理想的地基優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)μ烊坏鼗某休d力進(jìn)行充分地利用，以非常節(jié)省的造價(jià)滿足上部結(jié)構(gòu)的需求，可以說(shuō)是地基處理設(shè)計(jì)的一種最高境界。

2 復(fù)合樁基

所謂復(fù)合樁基，它是較承臺(tái)體與端承作用較小的端承摩擦樁或大樁距（一般在5～6倍樁徑以上）稀疏布置的摩擦群樁共同承載的樁基礎(chǔ)，也被叫做附加摩擦樁的補(bǔ)償基礎(chǔ)。復(fù)合樁基主要被應(yīng)用在大城市的高樓建設(shè)中，比如我國(guó)的上海、天津等城市。由于這種樁基投資較大，因此在對(duì)其進(jìn)行選擇時(shí)必須慎重，主要有以下2種情形：一是當(dāng)天然地基的沉降和承載力無(wú)法滿足施工需要的時(shí)候，就需要進(jìn)行適量的補(bǔ)樁，從而彌補(bǔ)承載力的缺乏，并且需要將沉降降至限定值的范圍之內(nèi)，這種方法也被稱為協(xié)力疏樁基礎(chǔ)。二是當(dāng)天然地基能夠滿足承載力需要的時(shí)候，此時(shí)沉降就會(huì)過(guò)大，因此需要減少樁，以少量樁的方法避免沉降過(guò)大，這種方法也被稱為減沉樁。綜上所述，選擇疏樁的主要原因是由于其樁的設(shè)計(jì)往往高于每個(gè)單樁的承載力，而且樁的中心距超過(guò)樁徑的6倍，同時(shí)偶爾還有可能達(dá)到單樁的極限值，這樣樁的沉降就出現(xiàn)了明顯的變化，進(jìn)入理論上的非線性階段。在此情況下，把復(fù)合樁基看做實(shí)體基礎(chǔ)顯然是不行的，因此我們不能采用現(xiàn)有的規(guī)范樁基沉降計(jì)算方法。

3 復(fù)合地基和復(fù)合樁基試驗(yàn)方案

本文采用的試驗(yàn)場(chǎng)地地勢(shì)平坦。該試驗(yàn)場(chǎng)的空間分布非常均勻，屬于典型的第四系沖洪積地層。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)層的地基力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，得出表1中的各項(xiàng)指標(biāo)。為了便于對(duì)比數(shù)據(jù)，保證科學(xué)性，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，2組實(shí)驗(yàn)采用的條件、模型及加載方式和測(cè)試元件等都是選擇了相同的類型和數(shù)據(jù)指標(biāo)，但需要說(shuō)明的是，為了方便測(cè)量數(shù)據(jù)能夠有效對(duì)比，在該復(fù)合地基的基礎(chǔ)和樁頂之間設(shè)置了褥墊層，厚度大約在100 mm[3]。

3.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)以原型工程為基礎(chǔ)，該原型工程屬于高層建筑，一共為23層（含地下1層），屬于框剪結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，筏板平面尺寸為43 m×43 m，筏板基礎(chǔ)厚度為1.5 m，自重為66 560 kN，基礎(chǔ)埋深為5 m，其上部結(jié)構(gòu)中心跨為核心筒剪力墻，框架柱網(wǎng)縱向?yàn)? m，橫向也為8 m，每邊各5跨。上部結(jié)構(gòu)的總荷載約325 000 kN。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，本文將筏板分為核心筒區(qū)及核心核心筒區(qū)以外的兩個(gè)區(qū)域（如圖1所示）。

此次模型試驗(yàn)采用的比例是10∶1，使用螺銼連接模型的筏板和平面框架柱，從而達(dá)到固定模型支座的目的；同時(shí)，該模型的上部結(jié)構(gòu)主要使用鋼筋混凝土平面框架代替，從而保證剛度能夠與上部的結(jié)構(gòu)達(dá)到同等數(shù)值。復(fù)合地基褥墊層厚度為100 mm，并將礫砂作為墊層材料。

3.2 加荷方法

該模型采用的是慢速維持的荷載方法，這種方法的加載裝置選用的是鋼梁反力架，利用36臺(tái)千斤頂進(jìn)行加載，同時(shí)利用錨樁提供反力，從而保證千斤頂加載值能夠按照每個(gè)頂所處的位置的上部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行荷載施加。試驗(yàn)中筏板不同區(qū)域的加載值見表2。

3.3 測(cè)試內(nèi)容

3.3.1 沉降測(cè)試

本文介紹地基沉降測(cè)試的主要方法，即使用電子位移計(jì)對(duì)沉降進(jìn)行有效的測(cè)量。

3.3.2 樁間土反力及樁身軸力測(cè)試

一般情況下，樁間土反力使用的是鋼弦式壓力盒進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)量的過(guò)程中，主要是埋設(shè)于筏板下素混凝土墊層底面。樁身軸力則是使用應(yīng)力計(jì)算器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量方法是埋設(shè)于樁身內(nèi)鋼筋進(jìn)行測(cè)量[4]。

4 試驗(yàn)分析與結(jié)果

4.1 筏板的沉降分布

如圖2所示，結(jié)合復(fù)合樁基和復(fù)合地基呈現(xiàn)的不同的筏板剖面位置沉降分布曲線圖可以了解，在試驗(yàn)中不難發(fā)現(xiàn)，此次試驗(yàn)使用筏板沉降都是隨著荷載力度的不斷增加而逐漸遞增的。并且，從圖2中可以看出核心筒區(qū)筏板的沉降相對(duì)也是很大的，其外區(qū)域的筏板則相對(duì)沉降不均勻，圖2中顯示邊樁位置的沉降比角樁位置的沉降更大[5]。

復(fù)合地基與復(fù)合樁基比較而言，復(fù)合地基的筏板角樁位置、核心筒內(nèi)部及邊樁的沉降全部比復(fù)合樁基同樣位置的沉降大，這是區(qū)別之一。第二個(gè)區(qū)別則是復(fù)合地基筏板荷載在小于6級(jí)的時(shí)候，筏板之間的沉降差比相鄰柱距的0.002倍要小，但復(fù)合樁基則大。如果要滿足上述要求，則需要荷載等級(jí)不超過(guò)4級(jí)。綜上所述，由以上數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明復(fù)合樁基在承載力穩(wěn)定性方面，要差于復(fù)合地基，但這是在設(shè)置褥墊層減少筏板差異沉降的基礎(chǔ)之上。

4.2 樁端平面以下地基土沉降及筏板外側(cè)地面沉降

圖3是兩基在筏板核心筒區(qū)樁端平面下地基土沉降、筏板外側(cè)地面沉降及筏板外側(cè)地面下2 m深度處地基土沉降分布曲線。從圖3中我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著筏板上作用荷載的不斷增加，復(fù)合地基和復(fù)合樁基在橫縱方向的沉降影響范圍越來(lái)越廣。在同一荷載水平的情況下，距樁端平面或筏板板邊越近，其沉降就越大。而對(duì)于深層地基土沉降來(lái)說(shuō)，在相同的荷載級(jí)別情況下，復(fù)合地基在樁端平面下不同深度的沉降量小于復(fù)合樁基對(duì)應(yīng)位置的沉降量，復(fù)合地基在樁端平面深度筏板外沉降均大于復(fù)合樁基對(duì)應(yīng)位置的沉降[6]。

4.3 筏板板底樁間土反力分布

圖4為兩基在筏板不同剖面位置樁間土反力分布曲線。從圖4中我們不難發(fā)現(xiàn)，二者的樁間土反力都是隨著筏板上荷載的增加而不斷增加的。與復(fù)合樁基比較起來(lái)，筏板不同位置復(fù)合地基的樁間土反力均大于復(fù)合樁基對(duì)應(yīng)位置的樁間土反力。在工作荷載為第4級(jí)時(shí)，復(fù)合地基樁間土反力值超過(guò)復(fù)合樁基，可以看出，筏板下樁間土反力發(fā)揮值的大小與筏板上對(duì)應(yīng)位置的荷載大小密切相關(guān)，與筏板下有無(wú)褥墊層也有很大關(guān)系。

4.4 樁頂反力分布

圖5為兩基筏板不同剖面位置樁頂反力分布曲線。從圖5中我們不難發(fā)現(xiàn)，樁頂反力是隨著筏板上作用荷載的增加而不斷增加的。與復(fù)合樁基比較而言，工作荷載達(dá)到第4級(jí)時(shí)，復(fù)合地基的樁頂反力在核心筒區(qū)超過(guò)復(fù)合樁基對(duì)應(yīng)位置的樁頂反力，在筏板的邊樁和角樁位置小于復(fù)合樁基對(duì)應(yīng)位置的樁頂反力。與樁間土反力發(fā)揮規(guī)律是相同的，樁頂反力值的發(fā)揮與筏板上作用的荷載關(guān)系密切，與筏板下有無(wú)褥墊層也有關(guān)系。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)帶上部結(jié)構(gòu)框架的兩基載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究和分析，得出如下結(jié)論。

（1）在筏板的中心位置，兩基的總沉降量大致相同，復(fù)合地基的沉降稍大一些；在筏板的邊樁及角樁位置，復(fù)合地基的沉降明顯比復(fù)合樁基大很多；綜合來(lái)看，復(fù)合地基的筏板沉降相對(duì)較為均勻，差異沉降較小。

（2）復(fù)合地基在筏板外側(cè)地面的沉降的影響范圍大于復(fù)合樁基，則樁端平面以下沉降則剛好相反。

（3）復(fù)合地基的樁頂反力在筏板的邊樁和角樁位置小于復(fù)合樁，在筏板核心筒區(qū)大于復(fù)合樁基。

（4）復(fù)合地基樁頂?shù)南旅娌糠挚赡苡胸?fù)摩阻，而在全樁段內(nèi)則都是正摩阻；復(fù)合地基樁傳遞給樁周土的荷載明顯比復(fù)合樁基大。

（5）復(fù)合樁基間土分擔(dān)筏板荷載的比例隨筏板上荷載的下降而下降，樁分擔(dān)筏板荷載的比例隨筏板上荷載的下降而增加；復(fù)合地基樁恰好相反[7]。

（6）復(fù)合樁基樁長(zhǎng)范圍內(nèi)壓縮量小于復(fù)合地基對(duì)應(yīng)壓縮量。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]