剛性組合樁復(fù)合地基沉降特性的試驗(yàn)研究

張麗華,蔡景珞,葉澤川,張昌進(jìn),劉海波

(華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,河北 三河 101601)

剛性組合樁復(fù)合地基沉降特性的試驗(yàn)研究

張麗華,蔡景珞,葉澤川,張昌進(jìn),劉海波

(華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,河北 三河 101601)

為了進(jìn)一步探索剛性組合樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律，設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行了十二組剛性組合樁復(fù)合地基試驗(yàn)研究，分別在長(zhǎng)短樁共同加區(qū)、短樁與下臥層交接面、僅有長(zhǎng)樁加固區(qū)、長(zhǎng)樁與下臥層交接面埋設(shè)了沉降標(biāo)，測(cè)得了長(zhǎng)短樁組合的復(fù)合地基在不同深度處隨樁長(zhǎng)、樁徑、樁距變化的沉降規(guī)律，分析了長(zhǎng)短樁共同加固區(qū)、僅有長(zhǎng)樁的加固區(qū)、長(zhǎng)短樁與下臥層交接處、同一深度處不同影響因素沉降特征及同一影響因素不同深度處的沉降特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)主控效果顯著，長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)、樁徑、樁距對(duì)沉降影響在長(zhǎng)短樁共同加回區(qū)表現(xiàn)更為突出，在僅有長(zhǎng)樁加固區(qū)各影響因素對(duì)沉降影響差異不大。

復(fù)合地基；剛性組合樁；試驗(yàn)研究；沉降規(guī)律

高層及超高層建筑發(fā)展，使得在復(fù)合地基處理設(shè)計(jì)中，地基變形控制這一設(shè)計(jì)目標(biāo)越來(lái)越重要。在復(fù)合地基中組合樁復(fù)合地基處理技術(shù)的工程應(yīng)用，地基處理的沉降計(jì)算及相關(guān)問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決[1-2]，尤其是長(zhǎng)短組合樁復(fù)合地基沉降計(jì)算及理論研究，還滯后于工程實(shí)際的應(yīng)用。組合樁處理的復(fù)合地基工程實(shí)測(cè)沉降值與現(xiàn)行理論計(jì)算值之間還存在較大差異[3-4]。為此，本文對(duì)長(zhǎng)短組合的剛性樁復(fù)合地基沿深度方向沉降變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，力求更進(jìn)一步探索總沉降規(guī)律、長(zhǎng)短樁加固區(qū)、長(zhǎng)樁單獨(dú)加固區(qū)的沉降性狀，為組合樁復(fù)合地基沉降理論及計(jì)算研究提供一些借鑒。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)土工試驗(yàn)箱及加載系統(tǒng)，巖土試驗(yàn)箱尺寸設(shè)計(jì)長(zhǎng)×寬×高：3000mm×1600mm×2000mm，框架采用L80×8的角鋼焊接成，正面采用鋼化玻璃，一側(cè)面采用三塊厚度8mm可拆卸的鋼板，底板采用厚度16mm的鋼板，在加載過(guò)程中試驗(yàn)箱自身最大變形量不大于1mm。針對(duì)不同樁徑、樁距、樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)了多組試驗(yàn)，分別對(duì)組合樁復(fù)合地基沉降規(guī)律、樁間土應(yīng)力規(guī)律、樁身應(yīng)力規(guī)律，以及樁土相互作用規(guī)律進(jìn)行了研究。

加載裝置采用手動(dòng)液壓千斤頂作為動(dòng)力單元。滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用活塞桿全封閉處理，壓樁速度連續(xù)可調(diào)，并可進(jìn)行靜壓，最大靜荷載50kN，工作行程1000mm。加載點(diǎn)可在加載框架平面內(nèi)任意移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在任意位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)配有調(diào)平裝置、導(dǎo)向裝置，保證樁體在實(shí)驗(yàn)過(guò)程不發(fā)生傾斜，從而獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果。加載裝置具有位移控制、速度控制等多種控制模式，可根據(jù)需要進(jìn)行多種形式的實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，在加載過(guò)程中，自動(dòng)實(shí)時(shí)采集應(yīng)變片和應(yīng)力盒的數(shù)據(jù)，每秒采集30次。

試驗(yàn)研究共4類(lèi)12組，如表1所示，第一類(lèi)對(duì)人工重塑的“天然地基”進(jìn)行承載力及沉降試驗(yàn)，以便對(duì)比。試驗(yàn)用土取自華北科技學(xué)院教學(xué)樓基礎(chǔ)施工開(kāi)挖土，采用上下均勻一致的土層，干密度為1.52g/cm3,含水率6.8%，液限為17.97%,塑限15.58%。墊層采用3cm厚的粒徑過(guò)5mm篩碎砂石。第二類(lèi)選擇3.5cm 直徑的素混凝土樁組成群樁(5長(zhǎng)4短)，通過(guò)改變樁身長(zhǎng)度(樁的長(zhǎng)細(xì)比)，短樁長(zhǎng)度不變，長(zhǎng)樁變換長(zhǎng)度，分別為60cm、55cm、50cm，開(kāi)展三組試驗(yàn)。第三類(lèi)通過(guò)改變樁的直徑，選擇4.5cm(5.5cm)直徑的素混凝土樁組成群樁(5長(zhǎng)4短)，短樁長(zhǎng)度不變，變換長(zhǎng)樁長(zhǎng)度，分別為60cm、55cm、50cm，開(kāi)展三組試驗(yàn)。第四類(lèi)通過(guò)改變樁距，樁距由3D增加至4D，選擇3.5cm直徑的素混凝土樁組成群樁(5長(zhǎng)4短)開(kāi)展試驗(yàn)。

1.2 沉降標(biāo)設(shè)置及沉降觀測(cè)

為了研究地基不同深度變形大小，制作了若干沉降標(biāo)埋置于相應(yīng)土層。樁的布置及沉降標(biāo)埋設(shè)見(jiàn)圖1，實(shí)驗(yàn)時(shí)，除安放百分表觀測(cè)沉降數(shù)據(jù)外，還在沉降標(biāo)和加載板四角貼上標(biāo)尺，在試驗(yàn)箱3m外布置兩臺(tái)S1級(jí)水準(zhǔn)儀，同時(shí)測(cè)量加載板的沉降。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1 沉降標(biāo)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 樁長(zhǎng)變化對(duì)沉降的影響

在組合樁復(fù)合地基中，長(zhǎng)樁為主控樁，它能夠?qū)⒑奢d傳遞到地基深處承載力良好的持力層，從而減小土層壓縮變形，達(dá)到提高地基承載力、減小沉降量的目的。短樁雖然也有相同的作用，但在軟弱地基沉降變形的控制上，長(zhǎng)樁顯然起到更大的作用。并且在地基設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)樁長(zhǎng)度的選擇也直接影響著地基的安全和成本。所以試驗(yàn)研究長(zhǎng)樁長(zhǎng)度變化對(duì)于地基沉降變形的影響。

本文選取了五組試驗(yàn)，長(zhǎng)樁長(zhǎng)度從450mm到650mm，短樁長(zhǎng)度均為300mm不變，樁徑、樁距、樁身模量、荷載等其他條件一致。重點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)短樁共同加固區(qū)，加密短樁樁底的沉降標(biāo)的布置。

從圖2～8可以看出，沿地基深度方向，隨著樁長(zhǎng)增大，復(fù)合地基沉降量減小，說(shuō)明增加長(zhǎng)樁長(zhǎng)度對(duì)于控制復(fù)合地基沉降變形有顯著的效果。尤其是長(zhǎng)短樁共同加固區(qū)，長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)變化對(duì)沉降影響顯著。僅有長(zhǎng)樁的加固區(qū)，隨深度增大隨樁長(zhǎng)變化沉沉量減少幅度相差不大。

2.2 樁徑變化對(duì)沉降影響

樁徑的選擇同樣是地基設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，不僅要考慮成本和沉降變形控制，還要考慮施工條件地質(zhì)條件等因素。

本文進(jìn)行35mm、45mm、 55mm三組試驗(yàn)研究， 55mm這一組數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)值模擬而得。其中三組試驗(yàn)除樁徑變化外，樁長(zhǎng)、樁距、樁身模量、墊層等條件均保持一致。從圖9～13各個(gè)深度處的三組沉降數(shù)據(jù)對(duì)比分析我們可以看出隨樁徑增大沉降量減小。35mm這組試驗(yàn)的沉降量從樁頂?shù)?5cm深度每一處的沉降量均大于45mm這組試驗(yàn)，從圖11可以看出,復(fù)合地基不同深度處沉降量隨樁徑增大而收斂。沉降量在加固區(qū)范圍內(nèi)隨深度增加而減小，但是其衰減量的差異性不大。

2.3 樁距對(duì)地基沉降影響的分析

探討樁間距對(duì)組合樁復(fù)合地基沉降變形的影響。通常，實(shí)際工程中若考慮到沉降控制，樁間距一般為4D～6D，當(dāng)樁間距大于6D時(shí)則可以不考慮群樁效應(yīng)[5]。樁間距的大小，不僅影響到工程的成本，也影響施工的難易程度，更加影響到復(fù)合地基沉降變形的大小。主要選取兩組試驗(yàn)(樁凈距分別為3D和4D)，來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。從圖14～19可以看出，復(fù)合地基沉降量隨著樁間距增大而增大。其主要原因在于樁間距增大，從而導(dǎo)致單樁需要加固的范圍增大。從沉降計(jì)算上來(lái)考慮，由于地基置換率降低，其加固區(qū)的復(fù)合模量降低，從而導(dǎo)致沉降變形增大。

圖2 荷載板沉降曲線

圖3 樁頂下15cm處沉降曲線

圖4 樁頂下30cm處沉降曲線

圖5 樁頂下45cm處沉降曲線

圖6 樁頂下60cm處沉降曲線

圖7 樁頂下不同位置處沉降隨樁長(zhǎng)變化曲線

圖8 不同樁長(zhǎng)沉降沿深度變化曲線

圖9 荷載板沉降曲線圖

圖10 樁頂下15cm處沉降曲線

圖11 樁頂下45cm處沉降曲線

圖12 樁頂下不同深度處沉降隨樁徑變化曲線

圖13 不同樁徑沉降量沿深度變化曲線

圖14 荷載板沉降曲線

圖15 樁頂下15cm處沉降曲線

圖16 樁頂下30cm處沉降曲線

圖17 樁頂下45cm處沉降曲線

圖18 樁頂下60cm處沉降曲線

圖19 不同樁距沉降沿深度變化曲線

3 結(jié)論

1)樁長(zhǎng)對(duì)沉降的影響，增加長(zhǎng)樁長(zhǎng)度，對(duì)組合樁復(fù)合地基沉降有顯著的控制效果，沿地基深度方向，隨著樁長(zhǎng)增大，復(fù)合地基沉降量減小，尤其是長(zhǎng)短樁共同加固區(qū)，長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)變化對(duì)沉降影響更為突出。僅有長(zhǎng)樁的加固區(qū)，隨深度增大因樁長(zhǎng)變化沉降量減少幅度相差不大。

2)組合樁復(fù)合地基不同深度處沉降量隨樁徑增大而減少，衰減量差異不大。在長(zhǎng)短樁共同加固區(qū)范圍內(nèi)，沉降沿深度方向，沉降量衰減較快；在短樁樁端與地基交接平面處，地基沉降隨樁徑變化，沉降量變化梯度較小。

3)復(fù)合地基沉降隨樁間距增大而增大, 沉降量沿深度方向逐漸衰減，在長(zhǎng)短樁共同加固區(qū)衰減較快，在僅有長(zhǎng)樁的加固區(qū)沉降衰減差異不大。

[1] 池躍軍，宋二祥，陳肇元.剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法的探討及應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào),2003，36(11)：19-23.

[2] 楊光華，范澤，姜燕，等.剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算的簡(jiǎn)化方法[J].巖土力學(xué),2015，36(S1)：76-84.

[3] 張欽喜，潘旭亮，陳鵬，等.CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012，38(6)：835-839.

[4] 王叫瑾，謝新宇，方鵬飛，等.剛性長(zhǎng)短樁組合樁的非線性沉降計(jì)算分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2014,38(3):463-470.

[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-2012)[S].2012.

Experimental study on settlement characteristics of rigid pile composite foundation

ZHANG Lihua, CAI Jingluo, YE Zechuan, ZHANG Changjin, LIU Haibo

(School of Civil Engineering，North China Institute of Science and Technology， Sanhe 065201，China)

In order to further explore the settlement regularity of rigid composite pile composite foundation. Experiment on 12 groups of rigid combined-pile composite foundations are studied based on the designed model test loading system and experimental box. Settlement standard are embedded in the long-short piles combined reinforced area, the interface between short pile and subsoil, long pile reinforced area and the interface between pong pile and substratum. The settlement law of long-short pile combined composite foundation with different pile-length, pile-diameter and pile-spacing of is measured at different depths. In addition, the settlement characteristics of different influencing factors at the same depth and different depths for the same factors are analyzed in the long-short piles combined reinforced area, the interface between short pile and subsoil, long pile reinforced area and the interface between pong pile and substratum. It can be concluded that, the main control effect of the square pile length is remarkable. Effect of pile length, pile diameter and pile spacing on the settlement is more obvious in the long-short piles combined reinforced area. However, there are no significant differences in the influence of parameters above mentioned on the settlement of long pile reinforced area.

composite foundation; rigid composite pile; experimental study; settlement regularity

2016-06-20

TU433

A

1004-4051(2016)12-0128-04