墻柱結(jié)合地基處理模型試驗研究

李 偉，郭 嫚，單新宇，賈智博

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)

我國地域遼闊，地基條件復(fù)雜，軟弱地基類別多，分布廣泛，如何在保證工程質(zhì)量的前提下節(jié)省工程投資是十分重要的。由于復(fù)合地基能夠充分利用天然地基和增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載的潛能，因此在土木工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益［1－5］。隨著對復(fù)合地基理論和地基處理理論認(rèn)識的提高以及實(shí)踐經(jīng)驗的積累，近年來在國內(nèi)外，有關(guān)新型復(fù)合地基與地基處理的技術(shù)日新月異，先后出現(xiàn)了長短樁復(fù)合地基［6－10］，筏板基礎(chǔ)與地基改良相結(jié)合，筏板基礎(chǔ)與摩擦樁相結(jié)合，深層地基改良等復(fù)合地基形式，薄墊層下凹式地基處理等新的地基處理方法。對于這方面的研究，許多學(xué)者已經(jīng)做出了貢獻(xiàn)，如:日本的竹內(nèi)治謹(jǐn)、山本春行提出一種下凹式淺層地基改良與筏板基礎(chǔ)并用的復(fù)合地基形式，并從理論及實(shí)際工程上對其有效性進(jìn)行了分析與論證［11－13］。李偉和李峰等通過數(shù)值模擬對長短樁在均質(zhì)軟土中的沉降和超靜水壓力的分布進(jìn)行了定性分析，從中得出可通過改變樁體的作用長短，對基礎(chǔ)的固結(jié)沉降差和超靜水壓力分布進(jìn)行了有效的控制［14－15］。本文在筏板基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)與下凹形地基改良相結(jié)合的新基礎(chǔ)工法之上，結(jié)合樁—筏基礎(chǔ)的特性，針對多層建筑物，重點(diǎn)研究一種新的復(fù)合地基形式——墻柱結(jié)合復(fù)合地基，如圖1所示。墻柱結(jié)合復(fù)合地基，采用了在深度方向成梯形分布狀態(tài)的圓柱形地基改良與筏板或條形基礎(chǔ)相結(jié)合，并在筏板或條形基礎(chǔ)下部加入淺層地基改良的復(fù)合地基，使得地基改良后的沉降分布趨勢平緩，有效的控制沉降差和沉降總量，并且在地基邊緣處采用墻式外圍加深地基改良形式，從而提高了地基的水平抵抗能力。本文主要通過室內(nèi)模型試驗介紹了不同的樁體配置在外圍墻式加固體的作用下對基礎(chǔ)沉降分布的影響。介紹5種樁體的配置方式，進(jìn)行了5組試驗，得出了不同的樁體配置對地基沉降的影響以及通過改變樁體的高度解決地基的不均勻沉降，并找到了最佳的配置方案。

圖1 墻柱結(jié)合復(fù)合地基

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備

試驗所用的儀器主要有:砂土、有機(jī)玻璃板、位移計、模型槽、傳力架、油壓千斤頂、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了研究不同的墻柱結(jié)合模型對地基沉降的影響，試驗在砂土中控制沉降特性。本次試驗的柔性筏板采用有機(jī)玻璃板，在有機(jī)玻璃板上方安裝位移計，以測得其沉降值。試驗所采用的位移計為300 mm和200 mm，系數(shù)分別為0.02和0.01。模型槽是一個長3 m，寬1.5 m，高1.2 m由角鋼和鋼板連接而成的方形槽。試驗所用的傳力架是自行設(shè)計的如圖2所示，圖3為傳力架實(shí)物圖。傳力架的材料采用45#鋼，由數(shù)控機(jī)床精密加工而成，如圖2、圖3所示，傳力架通過3級逐步分載，將最頂端的集中荷載最終分為八個等間距的相等線荷載，以近似分析均布荷載作用下地基的沉降分布特性。實(shí)驗過程中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集最頂端的集中荷載和模擬筏板上設(shè)置的各點(diǎn)沉降量。

1.2 試驗材料特性

1.2.1 砂土

為了有效模擬軟土地基的環(huán)境，試驗選用粒徑在0.01 mm～1 mm之間的細(xì)砂來代替軟土。砂土的最大干密度為1.80 g/cm3，最小干密度為1.57 g/cm，在人為控制裝砂速度的情況下，砂土的密度為1.67 g/cm3，相對密實(shí)度 Dr約為 0.47。由直剪試驗得，砂土摩擦角約為31°［16］。利用篩析法得到砂土的粒徑情況，如表1所示。

圖2 傳力架設(shè)計圖

圖3 傳力架實(shí)物圖

表1 顆粒分析試驗記錄

1.2.2 墻式加固體與柱狀加固體的制作

柱狀加固體的制作:柱狀加固體是由細(xì)砂與水泥按3∶1配比制作而成，直徑為30 mm。將外徑32 mm，內(nèi)徑30 mm的給水管(PVC－U)按樁的尺寸大小截好并將其從中間劈開，然后將劈開的給水管用螺栓扎實(shí)擰死，將事先拌好的水泥細(xì)砂混合料裝入給水管里，用鐵棒分層夯實(shí)，并需防止夯實(shí)過程中出現(xiàn)的材料分層斷層問題。最后，將做好的模型樁放在封閉的塑料袋里養(yǎng)護(hù)一周，拆模，完成柱狀加固體的制作。

墻式加固體的制作:墻式加固體也是由細(xì)砂與水泥按3∶1的配比制作而成，寬為30 mm，高為167 mm。首先，根據(jù)墻的尺寸，用木板拼接墻式加固體的模板，然后將攪拌均勻的細(xì)砂與水泥裝入木制模板內(nèi)，用工具夯實(shí)，抹平上部，最后對墻體養(yǎng)護(hù)一周，達(dá)到試驗強(qiáng)度后，拆模，完成墻式加固體的制作。

1.2.3 模擬筏板

為了有效模擬墊層的作用，在沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院拉壓試驗室對有機(jī)玻璃板材料進(jìn)行三點(diǎn)壓彎試驗，有機(jī)玻璃板材料的彈性模量約為2 318 MPa，根據(jù)模型試驗的相似準(zhǔn)則，最終確定尺寸為長700 mm、寬400 mm、厚10 mm的有機(jī)玻璃板作為試驗用模擬筏板［16］。

1.3 試驗實(shí)施

由于試驗所用的傳力裝置的最大荷載為200 kN，模型槽的高度有限，所以最大的沉降量會受到一定的限制，從而不能進(jìn)行完全加載。我們結(jié)合試驗條件提出了五組試驗方案，每組方案樁體布置方式不一樣，樁的長度根據(jù)模型試驗的數(shù)據(jù)按1∶30的比例縮放，樁長總和大概為1 200 mm，這就保證了樁體總長度的一致性，每組試驗的樁長以及布置方式如圖4所示。

圖4 樁的布置方案示意圖

首先，根據(jù)圖4所示各方案，將養(yǎng)護(hù)好的墻式加 固體和柱狀加固體設(shè)置到細(xì)砂模擬軟土地基所設(shè)位置，并固定，如圖5所示。設(shè)置過程中，要求保證墻體和柱狀加固體的頂面在同一個平面上，最后填埋砂土，整個過程中保證墻體一直處于垂直狀態(tài)。然后，在墻式加固體和柱狀加固體上放置有機(jī)玻璃筏板，要求有機(jī)玻璃筏板的中心位置和千斤頂中心重合。最后如圖3，設(shè)置傳力架，并將5個位移計如圖6所示，在機(jī)玻璃筏板的長邊方向，按照175 mm等間距設(shè)置。模型試驗采用液壓式萬能試驗機(jī)進(jìn)行分級加載，連續(xù)測定位移計讀數(shù)，若試件沉降量小于0.01 mm，則進(jìn)行下一級加載。當(dāng)荷載加到一定數(shù)值，樁急劇下沉，以致無法讀數(shù)或基礎(chǔ)沉降值為前一級荷載的5倍或基礎(chǔ)沉降為前一級荷載的2倍，且最后5 min的沉降超過1 mm，則終止試驗。加載過程如圖6所示。

圖5 模型的埋置

圖6 試驗加載過程

2 結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象分析

隨著豎向荷載的增加，地基沉降也在增加，試驗現(xiàn)象較為明顯，由于砂土地基承載力不高，在加載過程中模擬筏板周圍砂土有鼓起現(xiàn)象，并有少許砂土流落到筏板上面，加載板也隨之產(chǎn)生變形，位移計讀數(shù)顯示了中間沉降大，邊緣沉降小的特性。

在試驗加載完成后，卸載傳力架和位移計等試驗器材，以方案5的破壞形式為例，如圖7所示，仔細(xì)觀察，墻體傾斜，并且有的地方斷裂了，樁體也只能看到樁頂。小心除去砂土，此時的墻式加固體和柱狀加固體如圖8、圖9所示，墻式加固體沿長邊方向在中間部位斷裂，并在四角處也有不同程度的斷裂，這是因為墻體內(nèi)砂土發(fā)生擠土效應(yīng)，對墻體的擠壓應(yīng)力主要在沿長邊方向的中間部位和長邊方向的四角處。對于圖9樁的破壞，最長的樁在離樁頂大概1/3處斷裂，中間長的樁的破壞較小，就有一個樁在樁頂處發(fā)生破壞，短樁幾乎沒有破壞。在布置樁體時，長樁都是布置在地基中間，這說明長樁承載較大荷載，中間長的樁也有破壞，說明其也承擔(dān)了一部分承載力，短樁比較短，而且布置在外圍，約束力小。這說明樁的長度對地基承載力有一定的影響，并且長樁承擔(dān)主要荷載。

圖7 方案5試驗后破壞狀況

圖8 方案5墻式加固體的破壞

2.2 P－S曲線

首先，對700 mm×400 mm×10 mm的模擬筏板在均勻荷載作用下中心處的沉降值(Sc)與邊緣處的沉降值(Se)進(jìn)行研究分析，如圖10所示，可以看出:兩條曲線的形狀相似，變化趨勢也一致，整體曲線為緩變曲線，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);隨著豎向荷載的增加，地基沉降量也隨之增大;在同一荷載下，中心處的沉降大于邊緣處的沉降。為了更直觀的觀察筏板中心點(diǎn)和邊緣點(diǎn)沉降形狀，我們畫出了地基在10 kN作用下沿著軸向方向沉降圖，如圖11，可以看出，曲線呈拋物線狀，根據(jù)圖上數(shù)據(jù)，中心沉降約為8.5 mm，邊緣沉降約為5.8 mm，說明中心處的沉降量大于邊緣處的沉降量。

圖9 方案5柱狀加固體的破壞

圖10 筏板的P－S曲線

圖11 10kN作用下筏板沉降曲線

2.3 墻柱加固體的P－S曲線

為了對比和分析不同樁體布置方式對地基沉降量的影響，觀察和比較這五組試驗的中心沉降和邊緣沉降曲線，并分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。由圖12中心處沉降曲線可知:沉降量隨著荷載的增加而變大;方案1沉降量最小，方案2、方案3、方案5曲線比較接近，方案5沉降一直比較均勻，沉降量也不是很大，方案4沉降量始終是最大的。對于方案1，當(dāng)豎向荷載較小時，樁的長度對增加地基剛度和提高地基承載力作用顯著，但當(dāng)荷載過大，樁體會瞬間破壞，地基的沉降量迅速增大，最終地基失穩(wěn)破壞。方案2與方案3相比，兩條曲線比較接近，但是，在同一荷載作用下，方案2的沉降量大于方案3，這是由于方案3采用的是長短樁布置方式，長短樁復(fù)合地基承載力高于短樁復(fù)合地基的承載力，且在沉降方面也很大的優(yōu)勢;方案3與方案5對比，方案5沉降均勻且沉降量小，這是因為方案5在兩肋處增加4根樁，樁與砂土之間的擠土效應(yīng)使地基的剛度重新分布，不僅增加了地基的剛度還使整個地基的剛度分配比較均勻。對于方案4，在兩肋處增加了兩個樁，墻體內(nèi)樁與砂土之間的擠土效應(yīng)，使兩肋處承擔(dān)了較大的荷載，中間處承載力下降，地基的沉降量也增加了。從中心處沉降考慮，方案5的柱狀加固體布設(shè)方案是在五種方案中是效果最好的。

由圖13邊緣處沉降可知:開始時，五種方案的沉降量比較接近，隨著荷載的增加，對于方案1，沉降量很小，當(dāng)荷載達(dá)到80 kN時，沉降量瞬間增大，最終沉降量和荷載都達(dá)到最大值，承載力有限，不能很好的控制地基的沉降差。其余方案，在同一荷載作用下，方案4沉降量最大，這是因為擠土效應(yīng)使地基的剛度重新分布，邊緣處樁又較短，所以，兩肋承擔(dān)了主要荷載，造成了邊緣的沉降量較大;方案2、方案3曲線比較接近，但是方案3的沉降量小于方案2，這是因為采用長短樁布置方案，對提高邊緣的承載力有一定的作用，能有效的控制地基的沉降差。方案5一直比較平緩，沉降量也不是很大，樁土之間的擠土效應(yīng)增大了地基邊緣處剛度，提高了地基的整體承載力。

圖12 中心處沉降曲線

圖13 邊緣處沉降曲線

2.4 沉降分布特性分析

沿基礎(chǔ)長邊方向布設(shè)測量點(diǎn)，用位移計測得的沉降數(shù)據(jù)如圖14～圖16。

圖14 30kN的沉降量

圖15 60kN時的沉降量

圖16 80kN沉降量分布

由圖14～圖16可知:方案4沉降量一直偏大，曲線轉(zhuǎn)折較明顯，并且中心沉降量和邊緣沉降量都大于兩肋處沉降，也說明了樁土之間的擠土效應(yīng)使地基剛度重新分布，兩肋承擔(dān)主要荷載，減輕了中間和兩邊樁的荷載分擔(dān)比，使其產(chǎn)生較大的沉降。在荷載為30 kN、60 kN 時，方案1、方案2、方案3、方案5沉降量相當(dāng)，并且比較均勻，當(dāng)荷載為80 kN時，四種方案的沉降量出現(xiàn)明顯差別，方案5沉降量最小，很均勻，剩下三種方案，曲線有起伏，并且沉降量較大。所以方案5是這五種方案中最好的方案。

3 結(jié)論

(1)在無加固體配置的情況下，隨著上部荷載的增加，地基沉降量也隨著增大，并且中心處的沉降量大于邊緣處的沉降量。

(2)在復(fù)合地基中，樁體位置配置和深度對地基承載力和地基沉降量及其分布影響顯著;在等地基處理量條件下，長短樁復(fù)合地基承載力高于等長樁復(fù)合地基的承載力，且在沉降方面很大的優(yōu)勢;樁與砂土之間存在擠土效應(yīng)，擠土應(yīng)力會使墻體和樁體的應(yīng)力重新分布，對地基承載力和沉降量影響較大。

［1］龔曉楠.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］龔曉楠.地基處理手冊(第二版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］龔曉楠.廣義復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2007，29(1):1-13.

［4］邢皓楓.復(fù)合地基固結(jié)性狀研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［5］王寧偉.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用研究［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所，2006.

［6］趙明華，張 玲，李立新，等.長短樁復(fù)合地基沉降計算方法研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，21(4):310-314.

［7］鄧 超.長短樁復(fù)合地基承載力與沉降計算［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［8］陸 華，高全臣，吳 浩，等.長短組合樁復(fù)合地基沉降預(yù)測研究［J］.施工技術(shù)，2013，42(19):30-33，36.

［9］李鋒利.長短樁組合樁基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗分析研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

［10］翟曉力，葛忻聲.高層建筑長短樁復(fù)合地基計算方法探討［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2012，10(1):100-104.

［11］Li W，Takeuchi K，Yamamoto H.Numerical study on effect of shallow soil improvement to control differential settlement of raft foundation［C］//Proceedings of AIJ Tyugoku Chapter Architectural Research Meeting，2005:133-136.

［12］Takeuchi K，Yamamoto H.Effect of raft foundation with shallow soil improvement on controlling differential settlement［C］//軟土地區(qū)巖土工程新進(jìn)展—中日巖土工程學(xué)術(shù)會議論文集，2005:350-357.

［13］Li Wei，Li Feng，Takeuchi K.Numerical analysis on a new foundation system with columniform soil improvement［C］//New Frontiers in Chinese and Japanese Geotechniques，2007:344-352.

［14］Tomono M，Kakurai M，Yamashita K.Analysis of settlement behavior of piled raft foundations［C］//Takenaka Technical Research，1987:115-124.

［15］李 峰，尚 凱，孫云飚，等.長短樁復(fù)合地基在軟土中的固結(jié)沉降解析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，(9):93.

［16］高 飛.樁體配置對基礎(chǔ)沉降分布的影響試驗研究［D］.沈陽:沈陽建筑大學(xué)，2001.