新型CFG樁板結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的模型試驗(yàn)研究

張定邦

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;2.黃石理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

新型CFG樁板結(jié)構(gòu)由下部CFG樁、鋼筋混凝土樁和上部鋼筋混凝土承載板組成，每塊鋼筋混凝土承載板邊緣采用鋼筋混凝土樁支承連接，板下按一定間距呈正方形布置 CFG樁［1］;使用新型 CFG樁板結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮承臺(tái)下地基土的承載能力，很好地改善地基土的工作性狀，使地基土與CFG樁板結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，大大減少基礎(chǔ)沉降［2］。

本文以京滬高速鐵路工程寧滬段軟土地基為背景，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析不同荷載作用下天然軟土地基、新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的變形沉降以及CFG樁板結(jié)構(gòu)對(duì)周圍地基沉降的影響規(guī)律，為工程實(shí)踐中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值分析提供依據(jù)和支持。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

本次模型試驗(yàn)在模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱的凈空尺寸為長(zhǎng)×寬 ×高 =1 300 mm×500 mm×1 000 mm。模型箱由∠40×40×4角鋼焊接成框架，前側(cè)采用厚10 mm透明鋼化玻璃，后側(cè)采用厚10 mm木板并在其表面覆蓋一張光滑的鍍鋅鐵皮，右側(cè)無(wú)支擋結(jié)構(gòu)(便于減小路基受壓過(guò)程中的側(cè)向約束)，左側(cè)為厚10 mm木板，其中前后兩側(cè)涂抹潤(rùn)滑劑—甘油，見(jiàn)圖1。

根據(jù)相似理論，按1∶25的相似比確定模型參數(shù)，模型樁樁徑為2 cm，樁長(zhǎng)為30 cm，承載板尺寸400 mm×28 mm×500 mm。平板荷載試驗(yàn)承壓板采用50 cm×50 cm的方形鋼板，加載設(shè)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(cè)量采用連于千斤頂?shù)膲毫Ρ頊y(cè)定油壓，按率定曲線換算荷載［3］。試驗(yàn)方法采用沉降相對(duì)穩(wěn)定法。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽渫瓿珊?，按照事先在模型擋板上確定的定位參照線，安裝各層地基土表面上的測(cè)試儀器元件，然后進(jìn)行各種測(cè)試儀器的連接和調(diào)試，準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。模型試驗(yàn)中的沉降觀測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 模型箱的設(shè)計(jì)與制作(單位:mm)

圖2 沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置(單位:cm)

在圖3中的測(cè)點(diǎn)位置逐一布設(shè)沉降標(biāo)。沉降標(biāo)由1根直桿(直徑φ1 cm的鋼棒或鋼筋)和2塊30 mm×20 mm×12 mm的沉降鋼板組成，將直桿的二端牢牢焊接在鋼板表面中心處，焊接過(guò)程中保證兩塊鋼板表面與直桿中軸線垂直，直桿長(zhǎng)度由觀測(cè)點(diǎn)埋深控制(一般大于觀測(cè)點(diǎn)埋深2～3 cm)。安放沉降標(biāo)的過(guò)程應(yīng)該與模型填土同步，以保證沉降標(biāo)直桿不會(huì)在埋置過(guò)程中發(fā)生彎曲、傾斜等現(xiàn)象;安放沉降標(biāo)時(shí)，應(yīng)注意沉降標(biāo)底板水平，并在土層上適當(dāng)揉搓，使底板與土層完全接觸，避免局部虛空，再回填土并夯實(shí);待土填至土頂面高程后，應(yīng)先檢查沉降標(biāo)頂板是否水平且穩(wěn)固，然后將校正好的百分表用磁性表座固定于沉降標(biāo)頂板(見(jiàn)圖3)，最后將百分表標(biāo)號(hào)與觀測(cè)點(diǎn)的沉降標(biāo)標(biāo)號(hào)依次對(duì)應(yīng)并記錄下來(lái)，做好標(biāo)記。

圖3 沉降標(biāo)示意

根據(jù)模型彎矩與原型彎矩成一定比例的原則，模型荷載為原型荷載的1/625;荷載由零分級(jí)加至最大荷載，每級(jí)荷載作用下的變形穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載，如圖4所示。試驗(yàn)量測(cè)的主要對(duì)象有樁、板、土在各級(jí)荷載作用下的累積下沉量［7］。

圖4 加載示意

2 試驗(yàn)成果與分析

根據(jù)1∶25相似常數(shù)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，針對(duì)天然土地基、CFG樁地基、混凝土樁地基以及 CFG樁板結(jié)構(gòu)地基，分別進(jìn)行了五類靜載荷試驗(yàn)。

2.1 天然地基P—S曲線分析

天然地基土荷載試驗(yàn)的荷載(P)—沉降(S)關(guān)系曲線如圖5所示。由于其P—S曲線呈現(xiàn)出緩變型，無(wú)明顯比例界限荷載和極限荷載，在這里按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于天然地基土荷載試驗(yàn)要求，得出天然地基承載力基本值。對(duì)于中高壓縮土(不包括砂土)，可以取沉降S=0.02b(b為壓板寬度或直徑)在P—S曲線上對(duì)應(yīng)的荷載值作為承載力基本值。

圖5 天然地基荷載試驗(yàn)承載力P—沉降S曲線

模型試驗(yàn)中通過(guò)百分表記錄承載板及土體在每級(jí)荷載作用下的沉降值，然后繪出模型地基的 P—S曲線，如圖5所示。從圖5中的荷載與沉降關(guān)系曲線可以看出，對(duì)于天然地基的P—S曲線，當(dāng)試驗(yàn)荷載P在0～100 kPa之間時(shí)，曲線呈線性變化，此階段地基土處于彈性變形階段，當(dāng)試驗(yàn)荷載超過(guò)75 kPa后，天然地基土的沉降量隨著外荷載的增加而呈非線性增加，天然地基土中部分土體己由原來(lái)的彈性變形狀態(tài)逐步進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，但是曲線上沉降增長(zhǎng)率△P/△S較小，說(shuō)明該地基土塑性變形較大，大部分土體還是以塑性變形為主。從圖5可以看出，各組試驗(yàn)所得承載力結(jié)果的極差10.9% ＜30.0%(平均值)，說(shuō)明這三組試驗(yàn)的結(jié)果在誤差允許范圍以內(nèi)，承載力基本值均有效，可以取平均值作為天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，取其標(biāo)準(zhǔn)值為110 kPa。

2.2 CFG及鋼筋混凝土單樁P—S曲線分析

12組單樁靜載試驗(yàn)采用堆重加載方式，由工字鋼和跳板構(gòu)成堆載平臺(tái)，以砝碼作為堆載重物均勻堆放在平臺(tái)上，由此構(gòu)成加載反力系統(tǒng)。試點(diǎn)的沉降變形，通過(guò)對(duì)稱布置于樁頭的量程百分表測(cè)量，所有百分表均用磁性表座固定于基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)點(diǎn)與試樁均保持一定的距離。CFG單樁及鋼筋混凝土單樁靜載荷試驗(yàn)P—S曲線分別如圖6和圖7所示。12組單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，CFG樁與鋼筋混凝土樁的單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值均＞350 kPa。

圖6 CFG單樁P—S曲線

圖7 鋼筋混凝土單樁P—S曲線

從圖6和圖7可以看出，卸載后樁頂?shù)幕貜椔瘦^低，說(shuō)明樁體剛度大且樁體變形很小，樁身仍處于彈性變形階段，樁頂?shù)某两抵饕怯捎诔至拥膲嚎s塑性變形引起的，CFG樁及鋼筋混凝土樁的承載力還可以進(jìn)一步的發(fā)揮。從樁底持力層來(lái)看，由于樁底落在硬塑性黏土層上，可以很好地發(fā)揮樁端阻力，提高CFG樁及鋼筋混凝土樁的承載力。在12組單樁靜載試驗(yàn)中，試驗(yàn)所得的 P—S曲線至最大加載量時(shí)仍呈線性發(fā)展，且位移值很小，表明無(wú)論是CFG樁還是鋼筋混凝土樁均未達(dá)到承載力的極限。

2.3 承臺(tái)板的變形研究

給結(jié)構(gòu)施加靜載時(shí)承臺(tái)板的變形規(guī)律如圖8所示。

圖8 加載值與變形值關(guān)系曲線

由圖8可以看出，隨著加載值的線性增加，板中和板底處的變形值也基本上呈線性增加，板邊變形變化較小;同一加載值，加載處在板底處變形最大，板中處其次，板邊處最小，說(shuō)明隨著離加載位置距離的增加，變形值受影響程度減小。

2.4 CFG樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基P—S曲線分析

共進(jìn)行了5組復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，采用了0.5 m×0.4 m壓板。由于復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)曲線無(wú)明顯陡降，故按相對(duì)變形值確定復(fù)合地基承載力基本值，沉降比參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中水泥粉煤灰碎石樁法(CFG樁法)的取值標(biāo)準(zhǔn)，即S/b=0.01。對(duì)CFG樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基進(jìn)行平板荷載試驗(yàn)，測(cè)得的P—S曲線見(jiàn)圖9。

圖9 樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基P—S曲線

對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的P—S曲線，當(dāng)試驗(yàn)荷載在0～200 kPa之間，樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基沉降呈線性增加，在此階段樁土應(yīng)力分擔(dān)較為均衡，此時(shí)樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基處于彈性變形階段:隨著荷載的增加，樁頂逐漸向上刺入，樁端逐漸向地基土刺入，樁的作用逐漸顯示出來(lái)，荷載在樁體上集中，樁體分擔(dān)的應(yīng)力相對(duì)較大，樁和樁間土均處于彈性壓縮狀態(tài)，此階段由于基礎(chǔ)底面與地基土接觸較好，基底可能不再保持平面，使得樁土應(yīng)力分配變化比較劇烈，整個(gè)階段變形較小。當(dāng)試驗(yàn)荷載超過(guò)200 kPa后，沉降呈非線性增加，此階段荷載的繼續(xù)增大逐漸使樁體應(yīng)力集中更為顯著，樁體的上下刺入量趨于穩(wěn)定，樁分擔(dān)的荷載增量比樁間土分擔(dān)的荷載增量大，樁間土的變形慢慢趨于穩(wěn)定，部分土體由彈性變形向彈塑性變形過(guò)渡，樁間土的承載力達(dá)到極限。樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基由彈性工作狀態(tài)向彈塑性工作狀態(tài)過(guò)渡的臨界外荷載為200 kPa左右，是天然地基臨界荷載2倍左右，由此說(shuō)明，天然地基經(jīng)樁體加固后其承載力有很大程度的提高。

在整個(gè)加載過(guò)程中，樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的沉降隨外荷載的增加而不斷增加，在加載初期，即外荷載較小時(shí)，復(fù)合地基和未經(jīng)加固的天然地基沉降量相差較大(土體較大)，這說(shuō)明在加載初期復(fù)合地基中樁體對(duì)地基上的加筋作用不是很明顯，上部荷載主要由樁間土承擔(dān)，樁體承擔(dān)的荷載所占比例較小。隨著荷載的逐漸增加，樁間土在外荷載作用下不斷擠密，樁土間的相互作用也逐步加強(qiáng)，復(fù)合地基中樁體的加筋作用逐步發(fā)揮，上部荷載在地基上中所產(chǎn)主的附加應(yīng)力逐漸向樁體集中，樁和樁間土形成一個(gè)復(fù)合地基整體來(lái)承受外荷載，這樣將進(jìn)一步減小地基上的沉降。在同一荷載作用下，復(fù)合地基沉降量明顯小于天然地基沉降量，且這種減少沉降的效果隨著荷載的增加越來(lái)越明顯;當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到300 kPa時(shí)，土體最大沉降量為0.94 mm，由相似定律可知，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，樁板結(jié)構(gòu)的總沉降為2.35 cm，小于容許下沉量 3.00 cm［6］，由此可以看出，軟土地基采用樁板結(jié)構(gòu)可以使地基土的沉降量滿足工后沉降要求。

2.5 CFG樁板結(jié)構(gòu)對(duì)周圍地基的沉降影響

各級(jí)靜荷載作用下，CFG樁板結(jié)構(gòu)周圍地基不同位置和深度處的沉降試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知:當(dāng)復(fù)合地基上作用的靜荷載大小相等的情況下，承臺(tái)板外同一深度處(＜75 cm)的土體沉降隨著與靜荷載作用點(diǎn)水平距離的增大而減小，即靜荷載作用點(diǎn)下的土體沉降最大;這說(shuō)明在一定水平距離和深度范圍內(nèi)，CFG樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基對(duì)周圍地基的影響較為明顯。在深度＞75 cm的任一水平面上，土體的沉降量幾乎相等，且不隨與靜荷載作用點(diǎn)水平距離的變化而改變。

圖10 不同位置和深度處地基的沉降(P=300 kPa)

3 結(jié)論

本文通過(guò)新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復(fù)合地基室內(nèi)靜態(tài)模型試驗(yàn)，研究了該結(jié)構(gòu)的沉降特性及其對(duì)周圍地基的沉降影響。由試驗(yàn)結(jié)果分析得到以下結(jié)論:

1)當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到300 kPa時(shí)，未經(jīng)處理的軟土地基沉降量為3.92 mm;采用新型CFG樁板結(jié)構(gòu)處理后的軟土地基沉降量?jī)H為0.94 mm，因此，新型 CFG樁板結(jié)構(gòu)可以使軟土地基沉降明顯減小。

2)新型CFG樁板結(jié)構(gòu)在正常使用階段，承載板及樁體變形均處于彈性階段(線性變化)，卸載后變形可恢復(fù)，因此新型CFG樁板結(jié)構(gòu)對(duì)上部荷載變化明顯的軟土地基尤為適用。

3)新型CFG樁板結(jié)構(gòu)對(duì)一定距離和深度范圍內(nèi)的地基沉降產(chǎn)生較為明顯的影響，且這一影響隨著地基土深度和范圍的增大而減弱。

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