長短樁復(fù)合地基荷載分擔(dān)比的試驗(yàn)研究

葛忻聲，鹿宏偉，李 斌，饒江勇，楊 勇

（1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024；2.濰坊工商職業(yè)學(xué)院，諸城 262234；3.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院，北京 100038；4.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，武漢 430051)

長短樁復(fù)合地基作為一種較新的地基處理方式，在滿足地基承載力及沉降要求的同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性［1］。近年來許多學(xué)者對這種新型復(fù)合地基進(jìn)行了初步研究［2-11］，但對其理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對長短樁復(fù)合地基荷載分擔(dān)比隨幾種因素的變化規(guī)律進(jìn)行了初步的探討分析，總結(jié)其變化規(guī)律，分析結(jié)果能夠?yàn)殚L短樁復(fù)合地基的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)的模型箱尺寸是100cm×100cm×90 cm，由鋼板和有機(jī)玻璃接成方箱，選用太原市汾河沿岸砂土為模型填料（物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示)，承壓板采用鋼板，尺寸為560mm×560mm×20mm，采用白色石英砂模擬實(shí)際工程中的碎石墊層。

表1 裝箱砂土物理指標(biāo)

對照試驗(yàn)采用25樁方案，其中剛性樁9根（長60cm)、柔性樁16根（長30cm)，平面布置如圖1所示。模型樁為空心鋁管（彈性模量為70000 MPa，直徑30mm，管壁厚2mm)和PPR管（彈性模量為800MPa，直徑30mm，管壁厚3.5mm)，樁間距4倍樁徑。

圖1 模型試驗(yàn)長9短16布樁方式

為測定模型試驗(yàn)中樁身的軸力，本次試驗(yàn)在模型樁上安裝應(yīng)變測量儀器，再根據(jù)虎克定律（P＝EAε)將測得的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值。樁身上的應(yīng)變片數(shù)據(jù)由日本產(chǎn)Super DATA LOGGER 7V08采集儀獲得。應(yīng)變片均為對稱布置，剛性樁在樁長五等分點(diǎn)布置8片，柔性樁在樁長四等分點(diǎn)布置6片。不同荷載下的長短樁復(fù)合地基沉降量測采用對稱布置的3個(gè)量程為5cm的百分表，精度為0.01 mm。豎向荷載由液壓千斤頂加載，10到60kN。

筆者研究了不同樁間距、墊層厚度、長樁長度、短樁長度、長樁模量和短樁模量等情況下長短樁復(fù)地基逐級加載下荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律。模型試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果整理及規(guī)律研究

樁土荷載分擔(dān)比是反映樁土共同工作特性的最直觀指標(biāo)，隨豎向荷載變化，樁承擔(dān)荷載和樁間土承擔(dān)荷載發(fā)生消長變化。本文中長、短樁的荷載分擔(dān)比分別取樁頂軸力和值與上部施加荷載之比。由于褥墊層的存在，樁間土在加載初期就發(fā)揮作用，樁的承載力及其在復(fù)合地基中的作用需要荷載達(dá)到一定級別后才逐漸發(fā)揮出來。

2.1 樁間距的影響

圖2是三種樁間距情況下荷載分擔(dān)比隨豎向荷載的變化曲線。在加載初期，墊層協(xié)調(diào)樁間土發(fā)揮作用，樁間土的荷載分擔(dān)比隨荷載增大而增大，此時(shí)長樁的作用略有下降，長樁的荷載分擔(dān)比隨荷載增大而減小。繼續(xù)加載后，樁比土具有更大的沉降趨勢，長樁的作用逐漸發(fā)揮，長樁的荷載分擔(dān)比隨荷載增大而增大，樁間土的荷載分擔(dān)比隨荷載增大而減小。三組試驗(yàn)中短樁的荷載分擔(dān)比曲線較平緩。

樁間距4d（d為樁徑)時(shí)，至加載終止荷載分擔(dān)比變化為：長樁增加了13.87%，樁間土減小了12.2%，短樁減小了1.67%；樁間距2d時(shí)，至加載終止荷載分擔(dān)比變化為：長樁增加了1.8%，樁間土增加了0.09%，短樁減小了1.89%，變化均較小。

結(jié)合三組結(jié)果可見，樁間距由4d減小到2d，長樁和短樁的荷載分擔(dān)比均增大，樁間土的荷載分擔(dān)比減?。粯堕g距減小后，長樁、短樁、樁間土的荷載分擔(dān)比曲線較平緩，長樁在加載初期就承擔(dān)了較大的荷載，樁間土承擔(dān)荷載明顯下降，因此過小的樁間距不利于樁土的協(xié)調(diào)作用。

圖2 不同樁間距的荷載分擔(dān)比

2.2 墊層厚度的影響

圖3 不同墊層厚度的荷載分擔(dān)比

圖3是無墊層、2cm墊層、5cm墊層情況下荷載分擔(dān)比隨豎向荷載的變化曲線。無墊層加載初期長樁和樁間土荷載分擔(dān)比接近，豎向荷載20kN之后長樁和樁間土荷載分擔(dān)比差距逐漸增大，長樁在整個(gè)荷載分擔(dān)比中起主導(dǎo)作用，加載至40kN后荷載分擔(dān)比曲線變化較緩；2cm墊層時(shí)其荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律同無墊層時(shí)較為相似，但與無墊層時(shí)相比，長樁的作用有所下降，樁間土的作用有所上升，短樁荷載分擔(dān)比稍有增加；5cm墊層加載初期，由于褥墊層的存在外荷載主要由樁間土承擔(dān)，隨后長樁受力增大，樁間土的作用下降，長樁荷載分擔(dān)比增加，當(dāng)加載至40kN時(shí)，兩者的曲線變得緩和，并逐漸穩(wěn)定。短樁荷載分擔(dān)比較2cm墊層時(shí)有所減小。

無墊層時(shí)，至加載終止荷載分擔(dān)比變化為：長樁增加了32.61%，樁間土減小了32.24%，短樁減小了0.37%；2cm墊層時(shí)，至加載終止荷載分擔(dān)比變化為：長樁增加了16.16%，樁間土減小了10.63%，短樁減小了5.53%；5cm墊層時(shí)，至加載終止荷載分擔(dān)比變化為：長樁增加了13.87%，樁間土減小了12.2%，短樁減小了1.67%。

結(jié)合三組結(jié)果可見，無墊層時(shí)長樁和樁間土荷載分擔(dān)比差距較大，鋪設(shè)墊層后荷載分擔(dān)比曲線相對平緩；長樁的荷載分擔(dān)比隨墊層厚度的增加而減小，樁間土的荷載分擔(dān)比隨墊層厚度的增加而增大，短樁的荷載分擔(dān)比較無墊層時(shí)大，但隨墊層厚度增加而減小，其整體波動(dòng)幅度較小，受影響最小。

2.3 長樁長度的影響

圖4是不同長樁樁長情況下荷載分擔(dān)比隨豎向荷載的變化曲線。加載初期，樁間土承擔(dān)的荷載大于長樁承擔(dān)的荷載。隨荷載增加，樁間土的荷載分擔(dān)比逐漸減小，長樁的荷載分擔(dān)比逐漸增大。整個(gè)加載過程中，三組試驗(yàn)短樁的荷載分擔(dān)比曲線較平緩。

圖4 不同長樁長度的荷載分擔(dān)比

20cm長樁時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由34.08%增大到49.73%，樁間土由58.84%減小到43.07%，短樁維持在6.34%～7.56%之間；60cm長樁時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由44.24%增大到58.11%，樁間土由48%減小到35.8%，短樁維持在6.03%～7.25%之間。

結(jié)合三組結(jié)果可見，長樁長度由20cm增加到60cm，長樁的荷載分擔(dān)比增大，樁間土的荷載分擔(dān)比減小，短樁的荷載分擔(dān)比略有減小，但變化不大；20cm長樁時(shí)長樁和土荷載分擔(dān)比曲線相交于第六級荷載，30cm長樁時(shí)長樁和土荷載分擔(dān)比曲線相交于第五級荷載，60cm長樁時(shí)長樁和土荷載分擔(dān)比曲線相交于第三級荷載，這說明增加長樁長度使得長樁能較早地發(fā)揮承載力。

2.4 短樁長度的影響

圖5是不同短樁樁長情況下荷載分擔(dān)比隨豎向荷載的變化曲線，兩組結(jié)果曲線的形態(tài)很接近。加載初期，墊層的存在使得樁間土首先發(fā)揮承載力。隨荷載增加，長樁的承載力逐漸發(fā)揮并不斷上升，樁間土分擔(dān)的荷載逐漸減小。整個(gè)加載過程中，三組試驗(yàn)短樁的荷載分擔(dān)比曲線較平緩。

圖5 不同短樁長度的荷載分擔(dān)比

20cm短樁時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由45.24%增大到59.8%，樁間土由47.06%減小到34.57%，短樁維持在5.48%～6.9%之間；60cm短樁時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由40.47%增大到56.79%，樁間土由51.6%減小到36.5%，短樁維持在7.47%～8.4%之間。

結(jié)合三組結(jié)果可見，短樁長度由20cm增加到60cm，短樁荷載分擔(dān)比有所增加，長樁荷載分擔(dān)比有所減小，樁間土荷載分擔(dān)比有所增加，但變化均較小，短樁長度對荷載分擔(dān)比的影響較小；20cm短樁時(shí)長樁和樁間土荷載分擔(dān)比曲線交叉點(diǎn)較60cm短樁出現(xiàn)的早，說明較短的短樁長度情況下長樁承載力發(fā)揮更早。

2.5 長樁模量的影響

圖6是不同長樁模量情況下荷載分擔(dān)比隨豎向荷載的變化曲線，三組結(jié)果曲線的形態(tài)相差較大。長樁模量800MPa和3000MPa時(shí)，隨著荷載增加長樁荷載分擔(dān)比逐漸增大，樁間土荷載分擔(dān)比逐漸減小，兩者曲線未相交；長樁模量70000MPa時(shí)，加載初期，樁間土承擔(dān)的荷載大于長樁承擔(dān)的荷載。隨荷載增加，樁間土的荷載分擔(dān)比逐漸減小，長樁的荷載分擔(dān)比逐漸增大，兩者相交于第三級荷載。整個(gè)加載過程中，兩組試驗(yàn)短樁的荷載分擔(dān)比曲線較平緩。

圖6 不同長樁模量的荷載分擔(dān)比

長樁模量800MPa時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由10.4%增大到25.8%，樁間土由83.39%減 小 到 68.36%，短 樁 維 持 在 5.84% ～7.19%；長樁模量3000MPa時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由22.43%增大到39.97%，樁間土由71.26%減小到54.09%，短樁維持在5.94%～7.33%；長樁模量70000MPa時(shí)，隨荷載增加荷載分擔(dān)比變化為：長樁由44.24%增大到58.11%，樁間土由48%減小到35.8%，短樁維持在6.03%～7.25%之間。

結(jié)合三組結(jié)果可見，長樁模量由800MPa增大到70000MPa，長樁的荷載分擔(dān)比明顯增大，樁間土的荷載分擔(dān)比明顯減小，短樁的荷載分擔(dān)比變化很小。長樁模量變化對復(fù)合地基荷載分擔(dān)比的影響較大。

2.6 短樁模量的影響

圖7是不同短樁模量情況下荷載分擔(dān)比隨豎向荷載的變化的曲線，三組結(jié)果曲線的形態(tài)較為相似。加載初期，樁間土承擔(dān)的荷載大于長樁承擔(dān)的荷載。隨荷載增加，樁間土的荷載分擔(dān)比逐漸減小，長樁的荷載分擔(dān)比逐漸增大。整個(gè)加載過程中，三組試驗(yàn)短樁的荷載分擔(dān)比曲線較平緩。

圖7 不同短樁模量的荷載分擔(dān)比

短樁模量800MPa時(shí)，至加載終止荷載分擔(dān)比變化為：長樁增加了13.87%，樁間土減小了12.2%，短樁維持在6.03%～7.25%之間；短樁模量3000MPa時(shí)，長樁增加了11.19%，樁間土減小了9.97%，短樁維持在7.47%～8.98%之間；短樁模量70000MPa時(shí)，長樁增加了6.13%，樁間土減小了4.41%，短樁維持在9.17%～11.77%之間。

結(jié)合三組結(jié)果可見，短樁模量由800MPa增大到70000MPa，長樁的荷載分擔(dān)比減小，樁間土和短樁荷載的分擔(dān)比均增大。短樁模量對復(fù)合地基荷載分擔(dān)比的影響不大。

2.7 各參數(shù)對荷載分擔(dān)比影響的對比分析

上文分析了各參數(shù)在荷載增加過程中，樁、土的荷載分擔(dān)比變化情況。

表3列出了最后一級荷載作用下，在對照組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改變各個(gè)參數(shù)分別對應(yīng)的荷載分擔(dān)比。

表3 最后一級荷載下荷載分擔(dān)比

由表可知，短樁做為一種地基處理和提高加固區(qū)淺層承載力的措施，其荷載分擔(dān)比基本在6%～9%范圍內(nèi)，變化不大。改變各參數(shù)的大小，主要是長樁和樁間土的荷載分擔(dān)比發(fā)生消長變化。樁間距由2d增加到4d，長樁荷載分擔(dān)比減小5.9%；墊層厚度由0cm增加到5cm，長樁荷載分擔(dān)比減小23.7%；長樁長度由20cm增加到60cm，長樁荷載分擔(dān)比增加8.4%；短樁長度由20cm增加到60 cm，長樁荷載分擔(dān)比減小3%；長樁模量由800MPa增加到70000MPa，長樁荷載分擔(dān)比增加32.1%；短樁模量由800MPa增加到70000MPa，長樁荷載分擔(dān)比減小8.9%。

分析可知，在本試驗(yàn)條件下，通過減小樁間距來提高長樁荷載分擔(dān)比是不經(jīng)濟(jì)的，墊層的設(shè)置能明顯改善樁、土荷載分擔(dān)的分配，增加長樁長度能一定程度提高長樁荷載分擔(dān)比，增加短樁長度對荷載分擔(dān)比影響不大，增加長樁模量能顯著提高長樁荷載分擔(dān)比，增加短樁模量對荷載分擔(dān)比分配有一定影響。

3 結(jié)論

1)隨樁間距的減小，長樁和短樁的荷載分擔(dān)比均增大，樁間土的荷載分擔(dān)比減小，過小的樁間距不利于樁土的協(xié)調(diào)作用。

2)無墊層時(shí)長樁承擔(dān)了絕大部分荷載。鋪設(shè)墊層后，長樁的荷載分擔(dān)比明顯減小，樁間土的荷載分擔(dān)比明顯增大，短樁的荷載分擔(dān)比略有增大。隨墊層厚度進(jìn)一步增大，長樁的荷載分擔(dān)比減小，樁間土的荷載分擔(dān)比增大，短樁的荷載分擔(dān)比變化較小。

3)隨長樁長度的增加，長樁的荷載分擔(dān)比增大，樁間土的荷載分擔(dān)比減小，短樁的荷載分擔(dān)比略有減小，但變化不大。增加長樁長度使得長樁能較早的發(fā)揮承載力。

4)隨短樁長度的增加，短樁的荷載分擔(dān)比有所增加，長樁的荷載分擔(dān)比有所減小，樁間土的荷載分擔(dān)比有所增加，但變化均較小，短樁長度對荷載分擔(dān)比的影響較小。較短的短樁長度情況下長樁承載力發(fā)揮更早。

5)隨長樁模量的增大，長樁的荷載分擔(dān)比明顯增大，樁間土的荷載分擔(dān)比明顯減小，短樁的荷載分擔(dān)比變化很小。

6)隨短樁模量的增大，長樁的荷載分擔(dān)比減小，樁間土和短樁的荷載分擔(dān)比均增大。

7)通過減小樁間距來提高長樁荷載分擔(dān)比是不經(jīng)濟(jì)的，墊層的設(shè)置能明顯改善樁、土荷載分擔(dān)的分配，增加長樁長度能一定程度提高長樁荷載分擔(dān)比，增加短樁長度對荷載分擔(dān)比影響不大，增加長樁模量能顯著提高長樁荷載分擔(dān)比，增加短樁模量對荷載分擔(dān)比分配有一定影響。

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