CFG樁復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比的試驗研究

康洪震,孟慶娟,喬京生

(唐山學(xué)院土木工程系,河北唐山 063000)

CFG樁復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比的試驗研究

康洪震,孟慶娟,喬京生

(唐山學(xué)院土木工程系,河北唐山 063000)

樁土荷載分擔(dān)比是反映復(fù)合地基力學(xué)性狀的重要參數(shù)。本文利用國內(nèi)大型三維大型模型試驗臺——中國礦業(yè)大學(xué)(北京)城市地下工程相似模擬試驗系統(tǒng)進行了8組模型試驗。試驗分析了荷載、樁長、褥墊層厚度、加固區(qū)土體模量對樁土荷載分擔(dān)比的影響,并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸得到樁荷載分擔(dān)比的經(jīng)驗公式。該公式與實際工程檢測數(shù)據(jù)相比較達到較高的精度,可以直接應(yīng)用于工程設(shè)計。

復(fù)合地基;樁土荷載分擔(dān)比;模型試驗;褥墊層

樁體復(fù)合地基中樁體和樁間土共同承擔(dān)上部荷載。通常將樁、土承擔(dān)的荷載與總荷載之比稱為樁、土荷載分擔(dān)比(分別為δP,δS),是反映復(fù)合地基工作狀態(tài)的重要參數(shù)[1],也是復(fù)合地基承載力和沉降計算的重要指標。影響樁、土荷載分擔(dān)比的因素很多,本文通過模型試驗分析了荷載、樁長、褥墊層厚度、加固區(qū)土體模量等四個比較重要的影響因素對樁土比的影響。并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸得到樁荷載分擔(dān)比的經(jīng)驗公式,為復(fù)合地基設(shè)計提供了技術(shù)支持。

1 模型試驗簡介

本文所進行的模型試驗是利用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院的城市地下工程相似模擬試驗系統(tǒng)完成的,該試驗系統(tǒng)是國家“211工程”的重點建設(shè)項目,是國內(nèi)最大的三維模型試驗臺,在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位[2]。

進行8組試驗:改變樁長三組、改變?nèi)靿|層厚度三組、改變加固區(qū)土體模量二組。幾何相似比1∶20。

試驗方案:模型土體根據(jù)規(guī)范并結(jié)合北京、天津、唐山等地大量采用復(fù)合地基處理的工程實例[3],我們采用粉質(zhì)粘土作為模型土。采用通過調(diào)整粘土含水率的方法區(qū)分加固區(qū)土層和下臥土層。下臥土層直接采用粉質(zhì)粘土,加固土層將粉質(zhì)粘土加適量水使其含水量控制在25%。填土過程中按每層虛鋪15 cm,夯實充分固結(jié)后進行試驗。對于加固區(qū)采取不同的夯實力度,形成不同的土體模量,經(jīng)土工試驗測定土體壓縮模量分別為4.2 MPa,6.8 MPa,14 M Pa。模型樁以CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復(fù)合地基為研究對象,根據(jù)工程實例及資料可知用于高層的CFG樁強度等級:C15～C25 MPa[4]。經(jīng)過多次試驗并考慮模型的幾何相似比確定模型樁。水泥含量:12%;粉煤灰含量:10%;碎石(由于碎石粒徑為3～5 cm,幾何相似比為1∶20,故以粒徑小于5 mm的中砂代替)63%;水:15%。制作模型樁的同時制作試塊,養(yǎng)護28 d后經(jīng)過試驗,測得立方體抗壓強度14.5 MPa,彈性模量為11 200 M Pa。褥墊層采用1.25 mm標準篩篩分后的細砂。

表1 試驗內(nèi)容及參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同樁長的復(fù)合地基

圖1給出了不同樁長的單樁復(fù)合地基的樁土荷載分擔(dān)比。復(fù)合地基承受荷載時,樁和樁間土都要發(fā)生沉降變形,由于樁的模量遠大于土的模量,因此樁的變形比土的變形小。由于基礎(chǔ)下設(shè)置了一定厚度的褥墊層,樁可以向上刺入,伴隨這一過程,墊層材料不斷調(diào)整補充到樁間土上,以保證基礎(chǔ)始終把一部分荷載傳遞到樁間土上,也就能保證在任意荷載作用下樁和樁間土始終參與工作。加荷初期,樁周土承擔(dān)較大荷載,樁承擔(dān)的荷載相對較小,樁還有較大的發(fā)揮余地,樁土位移的調(diào)節(jié)沒有穩(wěn)定,因此樁土荷載分擔(dān)比也不會穩(wěn)定。隨著荷載增加,樁體承擔(dān)的荷載比例逐漸加大而土承擔(dān)的荷載比例減小,樁土荷載分擔(dān)比隨荷載增加逐漸提高,樁的作用得到較為完全的發(fā)揮,進入樁土共同承擔(dān)荷載的階段。當荷載很大時,樁的支撐作用已非常明顯,此時荷載的分擔(dān)開始轉(zhuǎn)向主要由樁來承擔(dān),樁土位移與應(yīng)力比之間的調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定并使應(yīng)力比達到峰值,且逐漸穩(wěn)定。

可以看出,樁土荷載分擔(dān)比隨樁長增加而加大,即樁越長其承擔(dān)荷載越多,且隨著荷載逐漸加大這種趨勢更明顯(300 kPa時,樁長為1-m,9 m的單樁復(fù)合地基樁荷載分擔(dān)比約高于6 m單樁復(fù)合地基樁荷載分擔(dān)比3%和6.2%, 500 kPa時,樁長為1-m,9 m的單樁復(fù)合地基樁荷載分擔(dān)比約高于6 m單樁復(fù)合地基樁荷載分擔(dān)比9.3%和18.6%)。

圖1 單樁復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比

2.2 不同褥墊層厚度的復(fù)合地基

對樁長為6 m的單樁復(fù)合地基采用4種褥墊層厚度: 0 m,0.1 m,0.2 m,0.3 m,分別進行模型試驗。

從圖2可以看出,隨褥墊層厚度的增加樁土荷載分擔(dān)比有較大變化,褥墊層厚度越大,樁分擔(dān)荷載越少,土分擔(dān)荷載越多。故褥墊層厚度對樁土荷載的分配具有良好的調(diào)節(jié)作用。但隨著墊層厚度的增加,它對應(yīng)力調(diào)節(jié)的作用迅速減小,進一步增加厚度,褥墊層的效果將越來越不明顯,在工程上也不經(jīng)濟。同時,在工程實踐中也要避免褥墊層過薄,至少應(yīng)保證場地平整的要求。其最佳厚度應(yīng)控制在 0.1～0.3 m。

圖2 不同褥墊層厚度復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比

2.3 不同加固區(qū)土體模量的復(fù)合地基

從圖3可以看出加固區(qū)土體模量的變化對復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比和荷載分擔(dān)都產(chǎn)生一定影響,加固區(qū)土體模量越大,土體越能承受更多的荷載,使土的分擔(dān)比加大,樁土荷載分擔(dān)比減小(p=300 kPa,加固區(qū)土體模量分別為4.2 M Pa,6.8 MPa,14 MPa時的樁荷載分擔(dān)分別為39%, 33.8%和21%)。

3 樁土荷載分擔(dān)比經(jīng)驗公式推導(dǎo)

根據(jù)模型試驗結(jié)果,樁土荷載分擔(dān)比主要與以下無量綱參數(shù)有關(guān):荷載水平 p/p0,(為方便起見,取 p0=500 kPa),樁長與樁徑之比L/D,褥墊層厚度與樁徑之比 H/D,樁體彈性模量與加固區(qū)土體壓縮模量之比 EP/ES。利用試驗數(shù)據(jù),通過線性回歸可以得到樁荷載分擔(dān)比的無量綱經(jīng)驗公式

圖3 不同加固區(qū)土體模量復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比

表1 樁土荷載分擔(dān)比統(tǒng)計 %

4 精度檢驗

唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)首鋼某工程為確保均勻沉降,采用CFG樁復(fù)合地基,樁長18.5 m,樁徑0.415 m,褥墊層厚度0.15 m,樁體彈性模量1-500 M Pa,加固區(qū)土體平均壓縮模量9.6 M Pa。對122號樁進行了樁土荷載分擔(dān)比的測試,與公式計算結(jié)果相比較(見表1),由表1可見利用公式計算的樁土荷載分擔(dān)比與現(xiàn)場測試值之差控制在10%以內(nèi),達到了較高的精度。

5 結(jié)論

本文利用城市地下工程相似模擬試驗系統(tǒng)進行了8組模型試驗,分析了荷載、樁長、褥墊層厚度、加固區(qū)土體模量對樁土荷載分擔(dān)比的影響,并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸得到樁荷載分擔(dān)比的經(jīng)驗公式,經(jīng)檢驗,達到較高精度,可為復(fù)合地基設(shè)計提供技術(shù)支持。

[1] 龔曉南.復(fù)合地基設(shè)計和施工指南[M].北京:人民交通出版社,2003:27-32.

[2] 喬京生.復(fù)合地基及變剛度復(fù)合地基的力學(xué)性狀研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2005.

[3] 牛志榮,李宏,穆建春,等.復(fù)合地基處理及其工程實例[M].北京:中國建材出版社,2000:363-390.

[4] 徐至鈞.水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:45-69.

(責(zé)任編校:李聰明)

Study of Pile-soil Load Share Ratio of CFG-Pile Composite Foundation with Model Experiment

KANGHong-zhen,MENG Qing-juan,QIAO Jing-sheng
(Tangshan College,Tangshan 063000,China)

Pile-soil load share ratio is an important parameter for mechanics properties of composite foundation.8 model experiments are conducted by similar simulation experiment system of urban under-ground engineering in China University of Mining&Technology,Beijing campus.Effect of Pile-soil stress ratio by loads,pile length,cushion thickness and reinforced field modulus are studied on the basis of model experiment.This paper puts forward experience formula of pile load share ratio by multivariate linear regression on the basis of experiment data.It show s good agreement with engineering cases.So it can be applied to engineering design directly.

composite foundation;Pile-soil load share ratio;model experiment;cushion

TU47-

A

1672-349X(2010)06-0001-02

2010-10-11

河北省建設(shè)科技研究項目(2008-260)

康洪震(1966-),男,博士,副教授,主要從事土木工程研究。