夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基工作性狀試驗(yàn)研究

何杰 ，張可能，劉杰，吳有平，李冰

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007)

楔形樁是一種既節(jié)省材料、施工簡(jiǎn)單，又能提高樁單位承載力的優(yōu)良樁型。它巧妙地利用了樁的楔形側(cè)壁，充分發(fā)揮了樁與土體間的相互作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)楔形樁開展了一系列研究，如：Nordlund[1]對(duì)無(wú)黏性土中的楔形樁承載特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圓柱形樁的豎向承載力要比平均直徑相等的楔形樁承載力低很多；Zil′berberg等[2]對(duì)位于砂土中的圓柱形樁和平均直徑相同的楔形樁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)楔形樁的承載力是圓柱形樁承載力的2.0～2.5倍；Ei等[3-6]對(duì)楔形樁進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究；Ladanyi等[7]對(duì)位于永久性凍土中的楔形樁和圓柱形樁的承載特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，認(rèn)為楔形樁是最安全的，且楔形樁的承載力隨樁的沉降增大而增大；蔣建平等[8]對(duì)楔形樁與圓柱形樁的承載特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)楔形樁與同體積等直徑樁相比，承載力增加而沉降減少；秦美前[9]用碎石樁與楔形樁組合形成的復(fù)合地基來(lái)加固軟土路基，取得了較好的效果。夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基作為軟土處理的一種手段，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。近年來(lái)，一些研究者對(duì)夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地基進(jìn)行了系統(tǒng)研究[10-15]，如分析了夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比、樁體應(yīng)力集中系數(shù)、樁間土應(yīng)力減小系數(shù)的變化規(guī)律，并給出承載力特征值時(shí)以上三者的取值范圍及其影響因素[10-11]；研究了復(fù)合地基破壞模式，探討了樁長(zhǎng)、面積置換率對(duì)復(fù)合地基承載力的影響[12]；分析了夯實(shí)水泥土樁荷載傳遞規(guī)律及側(cè)摩阻力的分布特征，探討了樁體、墊層、地基土的相互作用特性[13]；對(duì)地基土反力分布特征、樁土荷載分擔(dān)比、樁土應(yīng)力比、單樁及復(fù)合地基中樁側(cè)摩阻力分布特征等進(jìn)行了研究[14]；分析了墊層剛度對(duì)復(fù)合地基中樁頂及樁間土表面應(yīng)力發(fā)揮進(jìn)程的影響[15]。劉杰等[16]提出采用夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基加固軟土地基，并以剪切位移法為基礎(chǔ)，通過引入 Mylonakis &Gazetas樁-土相互作用及Winkler地基模型，同時(shí)考慮墊層的影響，提出一種綜合考慮樁-土-墊層共同作用的復(fù)合地基分析方法，得到了夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基中樁的合理楔角范圍。盡管前人在楔形樁及夯實(shí)水泥土復(fù)合地基的性狀等方面進(jìn)行了許多研究，但對(duì)夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的性狀及在夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基中樁的工作狀態(tài)問題研究較少。為此，本文作者基于夯實(shí)水泥土楔形樁與圓柱形樁復(fù)合地基載荷對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)復(fù)合地基中樁的工作性狀進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

為了探討夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的工作性狀，研究夯實(shí)水泥土楔形樁與圓柱形夯實(shí)水泥土樁所分擔(dān)荷載方面的差異，共進(jìn)行了4組不同截面的9樁夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基對(duì)比試驗(yàn)，如圖1所示。

模型試驗(yàn)在長(zhǎng)×寬×高為 3.0 m×6.0 m×3.0 m的基坑中進(jìn)行，基坑內(nèi)分層填筑含水量為35%黏性土。對(duì)比試驗(yàn)分別在基坑中的4個(gè)劃定區(qū)域進(jìn)行。

填土完成基坑后，靜置1周，將木制模型樁壓入黏性軟土中成孔，然后拔出模型樁，再向孔內(nèi)分層夯填水泥與黏土的混合料，形成夯實(shí)水泥土樁。夯實(shí)水泥土樁樁長(zhǎng)為1.2 m，樁間距為3d (其中，d為平均樁徑)，樁體材料為水泥與黏土混合料，水泥標(biāo)號(hào)為325，水泥摻量為10%，壓實(shí)度為90%。

樁體施工結(jié)束28 d，通過載荷、壓縮、剪切等常規(guī)試驗(yàn)測(cè)得土的主要物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

通過對(duì)采用相同施工方法、同期制作的夯實(shí)水泥土試塊進(jìn)行側(cè)無(wú)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得水泥土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.95 MPa。葉書麟[17]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)垂直壓力達(dá)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的50%時(shí)，水泥土的應(yīng)力與應(yīng)變的比值為水泥土的變形模量，由此得測(cè)得Ep=81.3 MPa(Ep為水泥土的變形模量)。通過常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得樁的主要物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

對(duì)于樁土頂面設(shè)置厚度為100 mm的碎石墊層，墊層壓縮模量Ecs=45 MPa。

模型靜荷載試驗(yàn)在成樁完成后靜置40 d進(jìn)行，均布荷載作用面到基坑底的距離 b=2.8 m，荷載作用范圍為B×B(B為載荷板的邊長(zhǎng)，1～4號(hào)模型的B分別為0.650，0.505，0.650和0.715 m，如圖1所示)。為模擬均布荷載，在均布荷載作用范圍的四邊用竹木板制成長(zhǎng)×寬×高為1.5 m×1.5 m×1.0 m的荷載箱，第1級(jí)荷載采用在荷載箱內(nèi)充填厚為1.0 m的標(biāo)準(zhǔn)砂，以后各級(jí)荷載采用在標(biāo)準(zhǔn)砂表面設(shè)置橡膠板。在橡膠板上放置鋼板，由千斤頂施加各級(jí)荷載(如圖 1所示)。靜載試驗(yàn)嚴(yán)格按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2002)進(jìn)行。為減少加載箱側(cè)壁與標(biāo)準(zhǔn)砂之間的摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前，在荷載箱內(nèi)側(cè)涂潤(rùn)滑油。

在荷載范圍內(nèi)的地基沉降采用沉降標(biāo)，用千分表量測(cè)；樁頂與樁周土頂?shù)膽?yīng)力均采用TXR-2030型應(yīng)變式微型土壓力計(jì)量測(cè)(如圖1所示)。由于需保證填砂(第 1級(jí)荷載)的一致性，需要人工進(jìn)入荷載箱進(jìn)行操作，對(duì)千分表的干擾較大，故千分表的讀數(shù)自填砂完成后開始。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Installation of experimental equipments

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical index of soil

表2 樁的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical-mechanical indexes of piles

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樁-土平均沉降差

圖2 樁-土平均沉降差曲線Fig.2 Curves of average settlement difference between pile and earth

對(duì)千分表的讀數(shù)進(jìn)行整理，得到4組復(fù)合地基中樁-土平均沉降差隨總荷載增加的變化規(guī)律，如圖 2所示。從圖2可以看出：(1) 當(dāng)荷載較小時(shí)，4種樁型復(fù)合地基中的樁-土平均沉降差區(qū)別不很明顯；(2) 隨著荷載的增大，夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地基和夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的樁-土平均沉降差不斷增大；夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地基的樁-土平均沉降差增長(zhǎng)速率要大于夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的增長(zhǎng)速率，且楔角越大的夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的樁-土平均沉降差的增長(zhǎng)速率越小。可見：夯實(shí)水泥土楔形樁的傾斜側(cè)壁能有效地增強(qiáng)樁-土相互作用，且這種作用隨楔形樁楔角的增加而不斷增強(qiáng)；夯實(shí)水泥土楔形樁能有效地調(diào)節(jié)樁-土減小沉降差。

2.2 樁體應(yīng)力

對(duì)微型土壓力計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行整理，得到了4組復(fù)合地基中角樁、邊中樁、中樁的應(yīng)力隨荷載增加的變化規(guī)律，如圖3～5所示。從圖3～5可以看出：復(fù)合地基中各樁樁頂?shù)膽?yīng)力隨荷載的增加而增加；在荷載作用初期，4個(gè)復(fù)合地基中角樁、邊中樁、中樁的應(yīng)力差別不大；當(dāng)荷載較小時(shí)，圓柱形樁的應(yīng)力隨荷載的增加而緩慢增加，楔形樁的應(yīng)力則隨荷載的增加而迅速增加，且楔角越大，楔形樁應(yīng)力增加的幅度越大；當(dāng)荷載較大時(shí)，圓柱形樁的應(yīng)力開始迅速增加，且增加的幅度隨荷載的增加而不斷增大；楔形樁的應(yīng)力的增長(zhǎng)速率隨荷載的增加而不斷減緩，并有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且楔角越小，使楔形樁的應(yīng)力趨于穩(wěn)定的荷載越小。

圖3 中樁應(yīng)力曲線Fig.3 Curves of central pile stress

圖4 邊中樁應(yīng)力曲線Fig.4 Curves of center pile at edge stress

圖5 角樁應(yīng)力曲線Fig.5 Curves of corner pile stress

對(duì)比圖3～5可以得出在同一個(gè)復(fù)合地基中各樁的應(yīng)力變化規(guī)律：角樁的應(yīng)力最大，邊中樁的應(yīng)力次之，中樁的應(yīng)力最?。浑S著荷載的增加，角樁應(yīng)力的增加速率最大，中樁應(yīng)力的增加速率最小，邊中樁應(yīng)力的增加速率介于兩者之間?？梢姡汉粚?shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基中樁體分擔(dān)荷載的規(guī)律與夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地中樁體分擔(dān)荷載的規(guī)律是一致的；增大楔形樁的楔角能使樁體較早地發(fā)揮其承載性能，但隨著荷載的增加，樁體所分擔(dān)的荷載是有限的，在工程實(shí)際中，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的楔角。

2.3 平均樁-土應(yīng)力比

對(duì)微型土壓力計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步整理，得到 4組復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力比隨荷載增加的變化規(guī)律，如圖6所示。從圖6可以看出：夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力比隨荷載增加而遞增，且荷載越大，其增加的速率不斷提高；在加載初期，4種樁型復(fù)合地基中的平均樁-土應(yīng)力比較接近；隨著荷載的增加，夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力比迅速增加，且增加的速率隨楔角增大而增大，其增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于圓柱形樁平均樁-土應(yīng)力比的增長(zhǎng)速率；隨著荷載的進(jìn)一步增大，楔角較小楔形樁復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力比開始下降，楔角較大楔形樁復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力比則有下降或穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖6 平均樁-土應(yīng)力比曲線Fig.6 Relationship between pile and soil stress ratio

可見：在一定荷載范圍內(nèi)，楔形樁能有效地發(fā)揮樁體的承載性能，其性能要比圓柱形樁的性能優(yōu)；隨著荷載的不斷增大，楔形樁-土相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，樁周土的承載能力得到有效發(fā)揮，楔形樁的傾斜側(cè)壁能有效地緩解樁體應(yīng)力集中；夯實(shí)水泥土楔形樁能有效地調(diào)節(jié)平均樁-土應(yīng)力，但并不是楔角越大的楔形樁其調(diào)節(jié)功能越強(qiáng)，這就存在1個(gè)最佳的楔角使樁、土在復(fù)合地基中均能發(fā)揮其最大的承載性能，從而提高地基承載力。最佳的楔角范圍有待進(jìn)一步研究。

2.4 荷載-沉降曲線

根據(jù)千分表所測(cè)得的樁、土沉降讀數(shù)進(jìn)行了加權(quán)平均處理，得到4組復(fù)合地基的荷載-平均沉降關(guān)系，如圖7所示。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Relationship between load and settlement

從由圖7可以看出：夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線；在相同荷載作用下，夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的平均沉降比夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地基的平均沉降小，且楔角越大，夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的平均沉降越小?？梢姡涸谙嗤刭|(zhì)條件下，楔形樁能較有效地減小地基沉降，提高復(fù)合地基的承載力。

3 結(jié)論

(1) 夯實(shí)水泥土楔形樁的傾斜側(cè)壁能增強(qiáng)樁-土相互作用，能有效地調(diào)節(jié)樁-土沉降差和地基沉降，提高地基承載力。

(2) 夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基中樁體分擔(dān)荷載的規(guī)律與夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地中樁體分擔(dān)荷載的規(guī)律一致；增大楔形樁的楔角能使樁體較早地發(fā)揮其承載性能，但隨著荷載的增加，樁體所分擔(dān)的荷載是有限的，在工程實(shí)際中，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的楔角。

(3) 在一定荷載范圍內(nèi)，夯實(shí)水泥土楔形樁復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力較夯實(shí)水泥土圓柱形樁復(fù)合地基的平均樁-土應(yīng)力比大，楔形樁樁體的承載性能得到較早發(fā)揮，其性能要比圓柱形樁的性能優(yōu)；隨著荷載增大，楔形樁-土相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，樁周土的承載能力得到有效發(fā)揮，楔形樁的傾斜側(cè)壁能有效地緩解樁體應(yīng)力集中現(xiàn)象；夯實(shí)水泥土楔形樁能有效地調(diào)節(jié)平均樁-土應(yīng)力，但最佳的楔角范圍有待進(jìn)一步研究。

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