邊載作用下復(fù)合地基沉降及差異沉降研究

李秋彬，喬京生

(1.唐山市政府投資工程建設(shè)管理中心，河北 唐山 063000;2.唐山學(xué)院 土木工程系，河北 唐山 063000)

近年來CFG樁復(fù)合地基已在全國23個(gè)省、市廣泛推廣使用，與樁基相比，由于CFG樁樁體可以摻入工業(yè)廢料粉煤灰、不配筋以及充分發(fā)揮樁間土的承載能力，工程造價(jià)一般為樁基的1/3～1/2，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著。

目前隨著試驗(yàn)研究的不斷深入、新的施工設(shè)備和施工工藝的出現(xiàn)，荷載很大的高層和超高層建筑地基處理工程不斷增多。和多層建筑相比，高層和超高層建筑基礎(chǔ)埋深大，一般不低于5 m，有的甚至達(dá)到20 m?；A(chǔ)埋深大、邊載大，邊載對復(fù)合地基承載性狀有什么樣的影響，實(shí)際工程中應(yīng)如何考慮邊載效應(yīng)，是需要解決的一個(gè)重要問題。

本文通過模型試驗(yàn)，研究了四種邊載情況下CFG樁復(fù)合地基沉降和差異沉降特性。并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸得到邊載效應(yīng)下復(fù)合地基沉降計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，為復(fù)合地基設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 準(zhǔn)則方程及參數(shù)

由于影響復(fù)合地基應(yīng)力、變形的因素很多，采用矩陣法推導(dǎo)準(zhǔn)則方程為

式中，σP為樁體應(yīng)力;σS為土體應(yīng)力;μ為沉降;Pb為邊載;P為荷載;L為樁長;D為樁徑;Sa為樁間距;EP為樁的彈性模量;ES為土體壓縮模量;ES1為加固區(qū)土體的壓縮模量;ES2為下臥層土體的壓縮模量;ESC為褥墊層彈性模量;γ為土體的密度;φ為土體的內(nèi)摩擦角;C為土體的黏聚力;υ為土體的泊松比;e為土體的孔隙比;H為褥墊層厚度;A為樁橫截面面積。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

模型試驗(yàn)利用城市地下工程相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)完成，共進(jìn)行了8組模型試驗(yàn)，量測不同等級豎向荷載、邊載作用下復(fù)合地基中樁、邊樁、角樁的沉降及總體沉降，以及中樁、邊樁、角樁的樁頂應(yīng)力和樁端應(yīng)力。試驗(yàn)內(nèi)容及主要參數(shù)列于表1。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 模型材料

1)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(shí)例可知［3-4］:采用粉質(zhì)黏土作為模型土。壓縮模量:加固區(qū)為4.2 MPa;下臥層為11.5 MPa。

2)模型樁。本文以CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復(fù)合地基為研究對象，按實(shí)際工程配比制作模型樁，同時(shí)制作試塊養(yǎng)護(hù)28 d后經(jīng)過試驗(yàn)，測得立方體抗壓強(qiáng)度為14.5 MPa，彈性模量為11 200 MPa。

3)褥墊層。褥墊層采用粒徑不大于1.5 mm的細(xì)砂。

1.3.2 測試設(shè)備元件(見表2)

表2 測試設(shè)備及元件

2 邊載作用下CFG樁復(fù)合地基沉降研究

有無邊載的條件下，CFG樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)的P—s曲線見圖1。邊載作用使得 CFG樁復(fù)合地基承載力有較大提高，同一荷載作用下，有邊載條件下的沉降量低于無邊載條件下的沉降量，且邊載越大這種趨勢越明顯。以9根樁復(fù)合地基為例:在豎向荷載P=400 kPa時(shí)，邊載 Pb=100 kPa，150 kPa，200 kPa 時(shí)復(fù)合地基總沉降分別是無邊載時(shí)的89%，79%和71%。如以s/b=0.01(s為沉降量，b為加載板寬度)對應(yīng)的荷載為地基承載力，則邊載 Pb=0，100 kPa，150 kPa，200 kPa時(shí)的地基承載力分別為405 kPa，440 kPa(提高 9%)，455 kPa(提高 12%)和 478 kPa(提高 18%)。

圖1 3根樁、9根樁復(fù)合地基P—s曲線

3 邊載作用下CFG樁復(fù)合地基差異沉降研究

圖2 3根樁復(fù)合地基不同邊載下中邊樁差異沉降曲線

圖3 9根樁復(fù)合地基不同邊載下中邊樁、中角樁差異沉降曲線

從圖2和圖3可以看出，無論3根樁復(fù)合地基還是9根樁復(fù)合地基，在豎向荷載作用下都存在差異沉降，差異沉降隨豎向荷載的增加有增大趨勢。群樁中的樁間土由于受到樁的遮攔作用，在豎向荷載作用下，將產(chǎn)生較大的法向應(yīng)力，但這種法向應(yīng)力，對于中樁、邊樁和角樁的樁周土來說，由于樁的約束作用不同也是不一樣的。對于角樁來說，樁周土的約束最小，所以其法向應(yīng)力最小。邊樁樁周土次之，中樁樁周土在荷載作用下的法向應(yīng)力最大。這種法向應(yīng)力的不同導(dǎo)致了樁周土對中樁、邊樁、角樁側(cè)摩阻力的不同。如前所述，這種法向應(yīng)力隨土體深度的增加而很快減弱，所以只對負(fù)摩阻力產(chǎn)生較大影響，樁身最大應(yīng)力者仍為中樁，邊樁次之，角樁最小。對于深部土體來講，中樁、邊樁、角樁受其它樁的應(yīng)力疊加的程度也是不同的。中樁受其它樁的應(yīng)力傳遞影響最大，邊樁次之，角樁最大。所以，中樁的樁側(cè)正摩阻力最小，邊樁次之，角樁最大，但相差不大，最終導(dǎo)致樁端應(yīng)力和沉降的大小排序?yàn)橹袠丁⑦厴?、角樁?/p>

而隨著邊載的增加，差異沉降也隨之增大，這主要是由于邊載的約束作用對邊、角樁發(fā)揮較大，使邊樁、角樁沉降減小，中樁距邊載作用點(diǎn)相對較遠(yuǎn)，約束作用不明顯，故中樁的沉降仍較大，這一點(diǎn)可以通過3根樁復(fù)合地基與9根樁復(fù)合地基沉降差的比較可以看出，3根樁復(fù)合地基中邊樁沉降差明顯小于9根樁復(fù)合地基，這是由于3根樁復(fù)合地基受邊載影響較大，而9根樁復(fù)合地基的中樁相對距離邊載作用點(diǎn)較遠(yuǎn)，而實(shí)際工程中，中間區(qū)域的樁距離邊載更遠(yuǎn)，這種現(xiàn)象將更加明顯，在實(shí)際工程中應(yīng)給予高度重視。

4 邊載作用下CFG樁復(fù)合地基深層變形特性

由深層變形標(biāo)測量的復(fù)合地基在不同荷載作用下不同深度處的變形，繪制的CFG樁復(fù)合地基中各深度的變形曲線如圖4所示?？梢钥闯?，在荷載板下部，有邊載條件下的變形量小于無邊載條件下的變形量;而荷載板以外的變形量則大于無邊載條件下的變形量。由于邊載的作用抑制了基礎(chǔ)外側(cè)土體向上隆起，導(dǎo)致同一深度處的變形趨于均勻化。

圖4 有無邊載(邊載為200 kPa)時(shí)CFG樁復(fù)合地基不同深度的變形曲線(單位:mm)

5 邊載作用下CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算研究

目前復(fù)合地基沉降計(jì)算公式較多，但很少考慮邊載影響，本文結(jié)合模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)復(fù)合地基沉降計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出考慮邊載效應(yīng)的復(fù)合地基計(jì)算公式為(適用于樁數(shù)不多于10根的情況)

式中，spb為邊載作用下復(fù)合地基沉降;pb為邊載;s0為無邊載作用下復(fù)合地基沉降。

6 結(jié)論

本文利用城市地下工程相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了8組模型試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同等級邊載條件下群樁復(fù)合地基沉降及差異沉降特性。得到如下結(jié)論:

1)在邊載效應(yīng)作用下，復(fù)合地基沉降比無邊載時(shí)有所降低，承載力提高;邊載作用為100，150和200 kPa時(shí)，承載力較無邊載時(shí)分別提高9%，12%和18%。

2)有邊載作用和無邊載作用的復(fù)合地基都存在差異沉降，且隨著樁數(shù)增加，有邊載作用的復(fù)合地基差異沉降有增大趨勢。

3)提出基于邊載效應(yīng)的復(fù)合地基沉降計(jì)算公式，可結(jié)合無邊載的復(fù)合地基沉降計(jì)算，得到邊載效應(yīng)下復(fù)合地基的沉降。

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