CM樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比及墊層效應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究

張旭群，楊光華，陳 銳，溫 勇，張玉成

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518000；2. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510000）

1 引 言

近年來，CM 樁復(fù)合地基的使用越來越廣泛，廣東省標(biāo)準(zhǔn)[1]將C樁定義為彈性模量大于104MPa的剛性樁，如素混凝土灌注樁、預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁等。將M樁定義為彈性模量為102～104MPa的亞剛性樁，如水泥土攪拌樁、水泥砂漿樁等。

在工程設(shè)計時，C樁長度較長，M樁長度較短，形成剛?cè)嵝越M合長短樁復(fù)合地基，更好地適應(yīng)地基附加應(yīng)力場，通過C樁將應(yīng)力傳遞至深層良好持力土層，減少地基沉降，通過M樁更好地協(xié)調(diào)樁、土相互作用，提高樁間土參與工作系數(shù)。

學(xué)者們對復(fù)合地基樁土應(yīng)力比這一課題做了較多研究。理論分析方面，雷金波等[2]、鄭俊杰等[3]、趙明華等[4]給出了樁土應(yīng)力比解析解，但其影響因素仍難以量化，計算較為繁瑣，突出經(jīng)驗(yàn)性，有待進(jìn)一步完善。試驗(yàn)研究方面，馬時冬[5]對水泥攪拌樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比進(jìn)行現(xiàn)場測試，指出樁土應(yīng)力比隨荷載的增加基本呈線性增大，荷載一定時基本不隨時間變化。郭院成等[6]通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究，分析了剛、柔性基礎(chǔ)下剛性長短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比變化規(guī)律，其結(jié)論仍需更多試驗(yàn)結(jié)果來支持驗(yàn)證。

褥墊層是 CM 樁復(fù)合地基的一個重要組成部分。周龍翔等[7]提出了確定褥墊層最小厚度的方法，但忽略了墊層厚度對應(yīng)力分布的調(diào)節(jié)作用。亓樂等[8]以墊層等效單元為研究對象，分析了樁頂對墊層的刺入量并提出計算方法，其計算精度與墊層材料本構(gòu)關(guān)系選取有關(guān)。張良等[9]基于現(xiàn)場試驗(yàn)，對樁網(wǎng)復(fù)合地基的墊層效應(yīng)進(jìn)行分析，指出設(shè)置樁帽可減小加筋墊層筋帶拉力，同時減小樁土差異沉降。

總體而言，CM 樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比和墊層效應(yīng)的研究分析往往做了大量的前提假定，結(jié)論需要更多試驗(yàn)結(jié)果的支撐。本文通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，測定CM樁樁頂、樁間土體應(yīng)力，計算樁土荷載分擔(dān)比，分析CM樁復(fù)合地基墊層的破壞模式及墊層效應(yīng)，可為工程設(shè)計提供有益的參考。

2 試驗(yàn)原理和設(shè)備

本次共進(jìn)行4組大壓板CM樁（2C樁+2M樁）復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，加載裝置如圖1所示。

圖1 靜載試驗(yàn)示意圖Fig.1 Sketch of static loading tests

試驗(yàn)原理和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)規(guī)范[10]，采用壓重反力裝置作為荷載反力，由油壓千斤頂分級加載，測定 4樁復(fù)合地基沉降量隨荷載的變化規(guī)律，數(shù)顯百分表量程為50 mm，精度為0.01 mm，承壓板采用1 m厚預(yù)制混凝土大壓板模擬實(shí)際基礎(chǔ)，尺寸為2.18 m×2.18 m×1 m。試驗(yàn)時采用2個起重量為500 t的千斤頂同時工作。

3 試驗(yàn)方案

3.1 工程概況及試驗(yàn)點(diǎn)

本文對擬建的清遠(yuǎn)市敏捷東城水岸建筑場區(qū)10#塔樓CM樁復(fù)合地基進(jìn)行樁、土應(yīng)力測定分析。該場地主要土層自上往下依次為黏土層（層厚2～3 m）、淤泥層（厚10～12 m）、卵石層（厚1～2 m）和風(fēng)化巖層，天然地基承載力特征值無法滿足高層建筑的荷載要求，采用CM樁復(fù)合地基方案進(jìn)行地基處理。C樁采用C20素混凝土，成樁直徑D = 550 mm，采用合金鉆頭施工，以強(qiáng)風(fēng)化巖面為樁端持力層，施工至巖面后要求磨鉆。M樁采用大直徑攪拌樁，成樁直徑D = 1 200 mm，以樁端進(jìn)入卵石層1.0 m為準(zhǔn)。C、M樁樁間距均為1.5 m×1.5 m，交叉布置(三角形布樁)。處理后地基承載力特征值為500 kPa。試驗(yàn)點(diǎn)編號及其CM樁參數(shù)見表1。

為分析CM樁復(fù)合地基中樁、土受力狀態(tài)，1#、2#試驗(yàn)時在C樁樁頂、M樁樁頂和樁間土體埋設(shè)土壓力盒。為分析不同褥墊層厚度對CM樁復(fù)合地基工作時受力和沉降特性的影響，將4組試驗(yàn)褥墊層厚度依序設(shè)置為30、20、4、8 cm。

3.2 加載及土壓力盒布置方案

（1）試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用逐級等量連續(xù)加載。最大試驗(yàn)荷載值為1 000 kPa，分級荷載為最大試驗(yàn)荷載的1/8。將前面兩級加載合并為一級，共進(jìn)行7次加載。每級加載后按第5、20、35、50、65 min測讀承壓板的沉降量，以后每隔30 min讀一次，當(dāng)承壓板沉降速率達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時，再施加下一級荷載。

（2）土壓力盒埋置

土壓力埋置前，先對試驗(yàn)開挖面鋪設(shè)1～2 cm細(xì)砂進(jìn)行找平，然后埋置土壓力盒，土壓力盒布置如圖 2所示。1#～3#土壓力盒放置在樁間土體上，量程為500 kPa，4#、5#土壓力盒放置在M樁樁頂上，量程為1 MPa，6#、7#土壓力盒放置在C樁樁頂上，量程為5 MPa。放置好土壓力盒后再鋪設(shè)一定厚度的褥墊層。

圖2 土壓力盒布置Fig.2 Arrangement of soil pressure boxes

3.3 承壓板沉降及土壓力盒讀數(shù)觀測

（1）沉降觀測

在承壓板兩側(cè)對稱位置垂直裝設(shè)4個數(shù)顯百分表，按規(guī)定時間對承壓板沉降量進(jìn)行測讀，取其平均沉降值作為壓板沉降值。

（2）沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)試驗(yàn)荷載小于等于特征值對應(yīng)的荷載時每一小時內(nèi)的承壓板沉降量不超過0.1 mm，或者試驗(yàn)荷載大于特征值對應(yīng)的荷載時每一小時內(nèi)的承壓板沉降量不超過0.25 mm，認(rèn)為該級荷載下沉降相對穩(wěn)定，可進(jìn)入下一級加載。

（3）土壓力盒觀測

土壓力盒讀數(shù)的時間間隔同沉降觀測，每級荷載下的樁、土應(yīng)力值取該級土壓力盒讀數(shù)的平均值。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 樁土應(yīng)力比試驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行了4組大壓板靜載試驗(yàn)，由于埋置土壓力盒與吊運(yùn)反力裝置存在時間沖突，故只在1#和2#大壓板試驗(yàn)時埋置土壓力盒測定樁、土應(yīng)力。

試驗(yàn)中在2根C樁樁頂、2根M樁樁頂各布置1個土壓力盒，應(yīng)力分析取其平均值，樁間土布置3個土壓力盒，取其實(shí)測應(yīng)力平均值。應(yīng)力比指樁、土應(yīng)力平均值之比。試驗(yàn)結(jié)果變化范圍統(tǒng)計見表2。

表2 樁土應(yīng)力比變化范圍Table 2 Variation of pile-soil stress ratios

樁土應(yīng)力比隨荷載變化趨勢如圖3所示。從圖中可以看出，隨著荷載增加，C樁樁頂應(yīng)力增大的幅度要遠(yuǎn)比M樁和樁間土大，C樁樁土應(yīng)力比至少大于10，而M樁則在10以內(nèi)的范圍，說明應(yīng)力主要集中到C樁樁頂，這主要由于C樁剛度遠(yuǎn)比M樁和樁間土體大。M樁樁土應(yīng)力比較小，主要原因是M樁成樁質(zhì)量往往并不是很好，經(jīng)處理后的樁間土體，由于C、M樁的“夾持”作用，較天然地基改善很多，因此測得兩者應(yīng)力差異并不是太大。

圖3 樁土應(yīng)力比曲線Fig.3 Test curves of pile-soil stress ratios

4.2 樁土荷載分擔(dān)比

荷載分擔(dān)比是另一個研究CM樁復(fù)合地基作用特性的重要參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。隨著荷載的增加，C樁所分擔(dān)的荷載增加幅度比M樁大，而M樁又比樁間土要大。在試驗(yàn)加載值為復(fù)合地基設(shè)計值500 kPa，即千斤頂加載2 377 kN時，1#、2#試驗(yàn)點(diǎn)C樁、M樁和樁間土分擔(dān)的荷載比例分別為60.06%、27.05%、12.89%和58.75%、31.77%、9.48%，樁土荷載分擔(dān)比接近6:3:1。樁間土體所分擔(dān)的荷載較小，主要原因是該工程設(shè)計，M樁采用大直徑攪拌樁，在試驗(yàn)承壓板下，樁間土體的面積較小，分擔(dān)的荷載有限，考慮M樁對樁間土的加固作用，實(shí)際上M樁和樁間土體承擔(dān)的荷載達(dá)到40%，有效地減少C樁的受荷比例，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。在試驗(yàn)加載的最后一級，荷載等于或接近復(fù)合地基極限值時，樁土分擔(dān)荷載比例為70.11%、20.56%、9.33%和61.50%、31.15%、7.35%。由此看來，在復(fù)合地基接近極限值，C樁樁頂發(fā)生較大刺入時，剛性樁的應(yīng)力集中現(xiàn)象會更加明顯。

圖4 荷載分擔(dān)比Fig.4 Test curves of load sharing ratio

4.3 墊層效應(yīng)

（1）復(fù)合地基墊層破壞模式

褥墊層是復(fù)合地基區(qū)別樁基的一個標(biāo)志，墊層所選取的材料和厚度設(shè)置對整個復(fù)合地基的工作狀態(tài)都有一定的影響。本文試驗(yàn)時利用小型振動碾壓機(jī)進(jìn)行墊層夯實(shí)，夯實(shí)度0.9。圖5為CM樁復(fù)合地基荷載-沉降特征曲線，在 CM 樁復(fù)合地基承載力特征值范圍內(nèi)，相同荷載條件下，承壓板沉降量隨著褥墊層厚度的增大而增大，但差異較小，對比4組試驗(yàn)，這個階段沉降量都較小，沉降曲線近似為直線，沉降差異主要為墊層的彈性壓縮量差異。

圖5 大壓板荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves for static loading tests

當(dāng)沉降進(jìn)入非線性階段，該差異逐漸變大，其中墊層厚度為4 cm和8 cm時，曲線為緩變型曲線；當(dāng)墊層為20 cm和30 cm時，曲線發(fā)生明顯陡降。

1#試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)束后，測得其墊層厚度為26.6 cm，較試驗(yàn)前30 cm，產(chǎn)生了3.4 cm的壓縮量，C樁樁頂平面與樁間土平面高差為4.5 cm，可以認(rèn)為試驗(yàn)前樁頂與樁間土處于同一平面，即 C樁樁頂產(chǎn)生4.5 cm的刺入量。所以，當(dāng)墊層厚度較大時，其墊層壓縮和樁頂刺入對復(fù)合地基沉降量有重要影響。

由于條件所限，未能利用該2組測定樁、土應(yīng)力的4樁大壓板試驗(yàn)中的單樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以鄰近其他單樁試驗(yàn)如圖6所示為參考分析。

圖6 C樁單樁荷載與位移曲線Fig.6 Load-displacement curves for single C-pile

單樁試驗(yàn)在樁頂設(shè)置2個百分表，百分表精度為0.01 mm，取百分表沉降平均值作為單樁沉降值。圖6中，幾組C樁單樁靜載試驗(yàn)曲線均近似為直線，最大加載值在4 000 kPa，單樁沉降仍處于線彈性階段。取圖 5大壓板試驗(yàn)最后一級沉降值，1#、2#試驗(yàn)分別為85.79 mm和119.94 mm，在該級荷載條件下2組試驗(yàn)C樁樁頂應(yīng)力實(shí)測值分別為3 930.92 kPa和3 124.10 kPa。對比單樁靜載試驗(yàn)，在該應(yīng)力條件下C樁沉降量僅6 mm以內(nèi)，故試驗(yàn)大壓板沉降量并非樁體破壞所致，主要為C樁樁頂刺入。褥墊層的破壞模式為C樁樁頂刺入破壞。

（2）墊層的合理設(shè)置

規(guī)范[10]建議復(fù)合地基靜載試驗(yàn)時墊層厚度取100～150 mm。本次試驗(yàn)當(dāng)褥墊層超過20 cm時，其沉降量較大，同時考慮其所用材料為石粉，剛度比實(shí)際基礎(chǔ)墊層中粗砂或碎石材料要小很多，故在加載值較大時更容易發(fā)生樁頂刺入，同時墊層壓縮值也不能忽略，理應(yīng)在試驗(yàn)前選取具備一定壓縮模量的墊層材料，并對墊層進(jìn)行充分的夯實(shí)。此外，試驗(yàn)時應(yīng)有足夠的回填土以防止褥墊層受壓向外擠出。

5 結(jié) 論

（1）CM樁復(fù)合地基工作時，C樁樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。C樁樁土應(yīng)力比大于10，隨著試驗(yàn)加載逐漸增大。M樁樁土應(yīng)力比小于10，隨著試驗(yàn)加載逐漸增大，但增大幅度小于C樁。

（2）在復(fù)合地基承載力特征值作用下，CM 樁復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比接近6:3:1，考慮M樁為大直徑水泥土攪拌樁，可將M樁和樁間土體視為一整體，即地基處理后相對于C樁的“樁間土”，其樁土荷載分擔(dān)比為6:4，設(shè)計較為合理。

（3）隨著褥墊層厚度的增大，CM 樁復(fù)合地基沉降量增大。當(dāng)墊層較厚，C樁剛度較大，成樁質(zhì)量較好時，墊層破壞模式為C樁樁頂刺入破壞。

[1] 廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳. DBJT 15-79-2011 剛性樁-亞剛性樁三維高強(qiáng)復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[2] 雷金波, 姜弘道, 鄭云揚(yáng), 等. 帶帽樁復(fù)合地基復(fù)合樁土應(yīng)力比的計算及影響因素分析[J]. 巖土工程學(xué)報,2005, 27(11): 1300－1305.LEI Jin-bo, JIANG Hong-dao, ZHENG Yun-yang, et al.Calculation and analysis of composite pile-soil stress ratio of composite foundation with capped rigid pile[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(11): 1300－1305.

[3] 鄭俊杰, 黃海松. 水泥土樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的解析算法[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(9): 1432–1436.ZHENG Jun-jie, HUANG Hai-song. Analytical solution of pile-soil stress ratio of soil-cement pile composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(9):1432－1436.

[4] 趙明華, 彭理, 龍軍. 剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2014, 41(9): 66－71.ZHAO Ming-hua, PENG Li, LONG Jun. Settlement method for the calculation of pile-soil stress ratio of rigid pile composite foundation[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences), 2014, 41(9): 66－71.

[5] 馬時冬. 水泥攪拌樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比測試研究[J].土木工程學(xué)報, 2002, 35(2): 48－51.MA Shi-dong. Study on piles-soil stress ratio of cement mixing pile composite foundation[J]. China Civil Engineering Journal, 2002, 35(2): 48－51.

[6] 郭院成, 李明宇, 李永輝. 剛性長短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比試驗(yàn)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2009, 41(8): 199－201.GUO Yuan-cheng, LI Ming-yu, LI Yong-hui.Experimental research on pile-soil stress ratio of long-short-pile composite ground with rigid pile[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2009, 41(8):199－201.

[7] 周龍翔, 童華煒, 王夢恕, 等. 復(fù)合地基褥墊層的作用及其最小厚度的確定[J]. 巖土工程學(xué)報, 2005, 27(7):841－843.ZHOU Long-xiang, TONG Hua-wei, WANG Meng-shu,et al. Study on the role of cushion of composite ground and its minimum depth[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(7): 841－843.

[8] 亓樂, 施建勇, 侯仟. 復(fù)合地基樁土對墊層的刺入量研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(3): 815－819, 824.QI Le, SHI Jian-yong, HOU Qian. Research on pile penetration into cushion of composite ground[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(3): 815－819, 824.

[9] 張良, 羅強(qiáng), 劉瀟瀟, 等. 基于現(xiàn)場試驗(yàn)的樁網(wǎng)復(fù)合地基墊層效應(yīng)分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2010, 45(5):787－793.ZHANG Liang, LUO Qiang, LIU Xiao-xiao, et al.Cushion effect analysis of pile-net composite foundation based on field tests[J]. Journal of Southwest Jiantong University, 2010, 45(5): 787－793.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ 79－2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2012.