多樁復合地基中樁土應力分配關系的試驗研究

陳 坤 張淑真

(1.湖南省勘查設計研究院，湖南 長沙 410117； 2.湖南岳常高速公路開發有限公司，湖南 岳陽 414000)

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多樁復合地基中樁土應力分配關系的試驗研究

陳 坤1張淑真2

(1.湖南省勘查設計研究院，湖南 長沙 410117； 2.湖南岳常高速公路開發有限公司，湖南 岳陽 414000)

通過多樁復合地基室內模型載荷試驗，觀測了多樁復合地基中樁土的應力分配關系，并分析了多樁復合地基中的樁及樁間土的受力特性，為多樁復合地基的進一步研究與工程實踐提供了依據。

多樁復合地基，模型試驗，荷載分擔比，樁土應力比

0 引言

復合地基能夠較好地利用增強體和天然地基的強度，使兩者共同承擔上部建筑物的荷載，因此具有經濟適用和技術可行的特點，適合我國的國情，目前，它已成為一種常見的地基處理形式，在工程實際中得到了廣泛的應用。隨著復合地基的應用和研究的不斷發展，出現了一種新的復合地基形式——多樁復合地基。多樁復合地基[1，2]指在形成復合地基過程中依樁體材料、樁徑或樁長等因素的不同而分為不同的樁型，不同類型的樁在地基處理過程中呈現不同工作性能，具有了多樁的特點，從而形成的一種新的復合地基形式，其簡要示意圖見圖1。

對于多樁復合地基的研究目前主要局限于其特例——長短樁復合地基[3-7]，它依長短樁復合地基的各樁的樁長及其作用，分為長樁和短樁。一般而言，短樁主要改善復合地基的承載性能，長樁主要改善復合地基的沉降性能，對復合地基的終沉降量具有較為重要的控制作用。對于三類樁及三類樁以上的多樁復合地基的承載性能和沉降性能的相關研究較少，各類型樁在復合地基中所起的作用不甚清楚，在其他方面的機理均尚未探明，這就限制多樁復合地基的理論研究及實際應用。為了進一步的研究多樁復合地基中各類型樁及樁間土的相互作用性能，促進多樁復合地基在理論的進一步發展，本文進行了室內模型試驗研究，將樁依其長度分別稱之為短樁、中樁和長樁。

1 室內模型試驗的概況

室內模型試驗的概況如下：土層為兩層，下層為40 cm深的砂層，上部為60 cm深的紅粘土；墊層采用5 cm厚的過篩細砂；樁長分別為30 cm，60 cm和90 cm，樁材為石灰樁、砂漿樁及混凝土樁三種，模型樁長及布樁形式分別見圖2，圖3。實驗按規范進行。

2 試驗的成果及分析

2.1 各樁及土頂應力隨荷載的變化

在試驗過程中，在樁頂及土頂埋設了多個土壓力盒，其所測得的數據經過整理，得到各長度樁及土體頂面的壓力變化曲線如圖4，圖5所示。

由圖4可知：樁頂及樁間土頂應力均隨荷載的增大而增大，單就壓力隨荷載增大而增大的速度及其在某一級荷載作用下所承擔的荷載而言，持力層較好的60 cm樁>90 cm樁>土體>30 cm樁；90 cm與30 cm樁的應力值較為相近，增長速度也依此規律。這也說明，在多樁復合地基中，樁所承擔的荷載與樁底所處的持力層狀況有關；樁長對于其承載性能的影響并不起決定作用。

而由圖5可以看出，在多樁復合地基中，在荷載作用下，雖為同長度的樁，但由于樁的材料不同，其所分得的應力會有較大的差異，該差異與其樁身模量有相當大的關系。石灰樁由于模量小于砂漿樁，故而在受荷過程中，其樁頂的應力小于砂漿樁，一直處于較低位置。該現象可推得，在不同材料的多樁復合地基中，高強度樁在改善地基承載力方面的作用要大于低強度樁。這在另一方面也與多樁復合地基的定義中將不同材料的樁劃分為不同類型的樁的原則相一致。

2.2 樁土荷載分擔比和樁土應力比的變化

樁土荷載分擔比是反映樁土共同作用特性的最直觀指標。其隨上部荷載增加而改變，反映了在加荷過程的各個階段樁承擔的荷載與樁間土承擔荷載的消長情況。試驗過程中60 cm樁在荷載分擔方面始終占主導作用，但隨著上部荷載的增大，分擔的比例相對變小，土體則有著較為明顯的增大，而90 cm和30 cm樁變化不明顯，但是也可看出有增長和減小的互增過程，反映了在復合地基受力過程中，應力是在各類型的樁及土之間不斷的調整不斷變化的，這也符合復合地基的典型特征，如圖6所示。

在試驗的過程中各樁型的樁土應力比均為不斷變小的，其最終的穩定點相近。這是由于在受荷過程中，樁與土承擔的荷載雖然均是不斷增大的，但是其相對比值已逐漸變小，土的承載潛力不斷發揮，應力逐漸在樁土之間相互傳遞，最終達到一定的平衡態，其試驗結果曲線如圖7所示。

2.3 承壓板下土反力分布情況

在試驗的過程中，通過在復合地基承壓板下離樁體遠近兩處所埋設的兩個土壓力盒，測知板下土壓力的分布。在開始荷載較低時，樁周與樁遠處的土壓力基本相當，即土壓力分布基本均勻。隨著上部荷載的增加，中部和邊處的差異逐漸增大，呈遠處大于近處的現象。分析其原因為：一方面，樁體的存在改變了復合地基中的應力狀態，在墊層的調節作用下，樁體產生上刺入，使靠近樁體的土反力小于遠離樁體處的土反力；另一方面，中部變形相對于邊處的土體變形要大一些，土反力與變形量成一定的正比關系，具體的土壓力變化曲線見圖8。

3 結語

本文在前人的研究基礎上，通過多樁復合地基的模型試驗所測數據，分析了多樁復合地基的各類樁及土在荷載作用下的承載特性及其變化規律，得出了如下結論：

1)多樁復合地基的荷載分擔規律仍遵守廣義復合地基理論。在承載受荷過程中，多樁復合地基的樁及土之間的應力是不斷的調整、協調，并最終達到平衡的過程。

2)多樁復合地基中，具有良好持力層的中樁在承載過程中占據主導地位，其荷載分擔比達50%以上，長樁和短樁則起加強多樁復合地基承載力的作用。

3)多樁復合地基中樁體模量對其承載性能有較大的影響，同長而模量不同的樁其承擔的荷載具有較大的差異。

4)多樁復合地基承壓板下的土體應力分布并不是均勻的，由于樁體的存在及其上刺入的發生，承壓板下土體的應力分布大致依其位置距樁體的遠近變化而變化，總體而言是離樁體愈近則土體應力較小。

[1] 龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2] 閻明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3] 尚新生.多元復合地基工作機理及優化設計研究[D].西安：西安理工大學，2004.

[4] 周德泉，劉宏利，張可能.三元和四元復合地基工程特性的對比實驗研究[J].建筑結構學報,2004,25(5):124-130.

[5] 周德泉，張可能，劉宏利.組合樁型復合地基樁、土受力特性的試驗對比與分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24(5)：872-879.

[6] 周德泉，張可能，劉宏利.組合樁型復合地基計算與應用分析[J].巖土力學，2004，25(9)：1432-1436.

[7] 周德泉，趙明華，陳 坤，等.埋深組合群樁復合地基的沉降模式與模型試驗驗證[J].中南大學學報，2012，43(5)：1926-1931.

Experimental study on pile-soil stress ratio of multi-type-pile composite subgrade

Chen Kun1Zhang Shuzhen2

(1.HunanExplorationDesignResearchInstitute,Changsha410117,China; 2.HunanYue-ChangHighwayDevelopmentCo.,Ltd,Yueyang414000,China)

Based on the loading test data on multi-type-pile composite subgrade, stress of pile tips and stress of soil among piles are measured. The behavior of piles and soil in the multi-type-pile composite subgrade with load has also been analyzed. The results may give some help to the devlopment of design and practice of its new type composite subgrade.

multi-type-pile composite subgrade, model test, load sharing ratio, pile-soil stress ratio

1009-6825(2016)11-0071-02

2016-01-29

陳 坤(1982- )，男，碩士，工程師； 張淑真(1983- )，女，工程師

TU472

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