剛性樁復(fù)合地基與復(fù)合樁基工作性狀對比試驗研究

李俊華

【摘 要】在當前的建筑領(lǐng)域，剛性樁復(fù)合地基與復(fù)合樁基的應(yīng)用越來越普遍，但是在施工中如何科學合理地選擇這2種方式就需要對其工作性狀進行充分的研究，從而更有效地將其應(yīng)用在日常施工中。文章基于樁基工作的實踐經(jīng)驗，對復(fù)合樁基和剛性樁復(fù)合地基進行比較和試驗，通過試驗數(shù)據(jù)對比，研究在一定的工作荷載下，復(fù)合樁基和復(fù)合地基的筏板外側(cè)地面沉降、筏板沉降、筏板下樁土反力、樁端平面以下深層地基沉降的問題，以此得出了兩者在工作性狀上的不同之處，希望對相關(guān)工程施工有一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】剛性樁復(fù)合地基；復(fù)合樁基；工作性狀；對比

【中圖分類號】TU470 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0058-04

現(xiàn)階段，復(fù)合地基和復(fù)合樁基已經(jīng)在我國工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且也為社會發(fā)展帶來了巨大的社會財富。然而，目前學術(shù)界對什么是復(fù)合地基和復(fù)合樁基及它們的分類尚存爭議，但這并未影響其在工程實踐中的應(yīng)用。在工程的施工過程中，如何結(jié)合施工實際，選擇更符合施工要求的技術(shù)是我們必須處理的問題，這就需要對復(fù)合樁基和復(fù)合地基的性質(zhì)進行有效研究和分析，從而促進實際應(yīng)用中的選擇，提高施工質(zhì)量，幫助施工企業(yè)實現(xiàn)最大效益。

1 剛性樁復(fù)合地基

復(fù)合地基可以分為3類：第一類是在對天然地基進行地基處理的過程中對部分土體進行了增強。第二類是在對天然地基進行地基處理的過程中對部分土體進行了置換。第三類是在對天然地基進行地基處理的過程中在部分土體中設(shè)置加筋材料，通常情況下，人工地基處理構(gòu)建形成加固區(qū)，而人工地基主要則由增強體和基體這兩個部分所組成，而荷載壓力主要是由基體承擔，同時加強體也共同承擔了一定的荷載。事實上，復(fù)合地基是現(xiàn)實中較為常用和理想的一種地基處理方法，它通過利用天然地基的承載力來達到減少造價的目的，特別是對于剛性樁復(fù)合地基，比如CFG樁復(fù)合地基、混凝土樁復(fù)合地基、CM樁復(fù)合地基等。我們知道，因為剛性樁施工質(zhì)量較高，其沉降是可控的，所以其運用前景被廣泛看好。但是在我們的工程實踐中，較好的復(fù)合地基設(shè)置思想是“缺多少補多少”[2]，也就是說要充分利用天然地基的承載力，當它不夠時，超出部分須采用樁基來承擔，這是一種相對理想的地基優(yōu)化設(shè)計，能夠?qū)μ烊坏鼗某休d力進行充分地利用，以非常節(jié)省的造價滿足上部結(jié)構(gòu)的需求，可以說是地基處理設(shè)計的一種最高境界。

2 復(fù)合樁基

所謂復(fù)合樁基，它是較承臺體與端承作用較小的端承摩擦樁或大樁距（一般在5～6倍樁徑以上）稀疏布置的摩擦群樁共同承載的樁基礎(chǔ)，也被叫做附加摩擦樁的補償基礎(chǔ)。復(fù)合樁基主要被應(yīng)用在大城市的高樓建設(shè)中，比如我國的上海、天津等城市。由于這種樁基投資較大，因此在對其進行選擇時必須慎重，主要有以下2種情形：一是當天然地基的沉降和承載力無法滿足施工需要的時候，就需要進行適量的補樁，從而彌補承載力的缺乏，并且需要將沉降降至限定值的范圍之內(nèi)，這種方法也被稱為協(xié)力疏樁基礎(chǔ)。二是當天然地基能夠滿足承載力需要的時候，此時沉降就會過大，因此需要減少樁，以少量樁的方法避免沉降過大，這種方法也被稱為減沉樁。綜上所述，選擇疏樁的主要原因是由于其樁的設(shè)計往往高于每個單樁的承載力，而且樁的中心距超過樁徑的6倍，同時偶爾還有可能達到單樁的極限值，這樣樁的沉降就出現(xiàn)了明顯的變化，進入理論上的非線性階段。在此情況下，把復(fù)合樁基看做實體基礎(chǔ)顯然是不行的，因此我們不能采用現(xiàn)有的規(guī)范樁基沉降計算方法。

3 復(fù)合地基和復(fù)合樁基試驗方案

本文采用的試驗場地地勢平坦。該試驗場的空間分布非常均勻，屬于典型的第四系沖洪積地層。通過試驗，對每個層的地基力學指標進行試驗，得出表1中的各項指標。為了便于對比數(shù)據(jù)，保證科學性，在實驗時，2組實驗采用的條件、模型及加載方式和測試元件等都是選擇了相同的類型和數(shù)據(jù)指標，但需要說明的是，為了方便測量數(shù)據(jù)能夠有效對比，在該復(fù)合地基的基礎(chǔ)和樁頂之間設(shè)置了褥墊層，厚度大約在100 mm[3]。

3.1 模型試驗設(shè)計

本次模型試驗以原型工程為基礎(chǔ)，該原型工程屬于高層建筑，一共為23層（含地下1層），屬于框剪結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，筏板平面尺寸為43 m×43 m，筏板基礎(chǔ)厚度為1.5 m，自重為66 560 kN，基礎(chǔ)埋深為5 m，其上部結(jié)構(gòu)中心跨為核心筒剪力墻，框架柱網(wǎng)縱向為8 m，橫向也為8 m，每邊各5跨。上部結(jié)構(gòu)的總荷載約325 000 kN。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，本文將筏板分為核心筒區(qū)及核心核心筒區(qū)以外的兩個區(qū)域（如圖1所示）。

此次模型試驗采用的比例是10∶1，使用螺銼連接模型的筏板和平面框架柱，從而達到固定模型支座的目的；同時，該模型的上部結(jié)構(gòu)主要使用鋼筋混凝土平面框架代替，從而保證剛度能夠與上部的結(jié)構(gòu)達到同等數(shù)值。復(fù)合地基褥墊層厚度為100 mm，并將礫砂作為墊層材料。

3.2 加荷方法

該模型采用的是慢速維持的荷載方法，這種方法的加載裝置選用的是鋼梁反力架，利用36臺千斤頂進行加載，同時利用錨樁提供反力，從而保證千斤頂加載值能夠按照每個頂所處的位置的上部結(jié)構(gòu)等進行荷載施加。試驗中筏板不同區(qū)域的加載值見表2。

3.3 測試內(nèi)容

3.3.1 沉降測試

本文介紹地基沉降測試的主要方法，即使用電子位移計對沉降進行有效的測量。

3.3.2 樁間土反力及樁身軸力測試

一般情況下，樁間土反力使用的是鋼弦式壓力盒進行測試，在測量的過程中，主要是埋設(shè)于筏板下素混凝土墊層底面。樁身軸力則是使用應(yīng)力計算器進行測試，測量方法是埋設(shè)于樁身內(nèi)鋼筋進行測量[4]。

4 試驗分析與結(jié)果

4.1 筏板的沉降分布

如圖2所示，結(jié)合復(fù)合樁基和復(fù)合地基呈現(xiàn)的不同的筏板剖面位置沉降分布曲線圖可以了解，在試驗中不難發(fā)現(xiàn)，此次試驗使用筏板沉降都是隨著荷載力度的不斷增加而逐漸遞增的。并且，從圖2中可以看出核心筒區(qū)筏板的沉降相對也是很大的，其外區(qū)域的筏板則相對沉降不均勻，圖2中顯示邊樁位置的沉降比角樁位置的沉降更大[5]。

復(fù)合地基與復(fù)合樁基比較而言，復(fù)合地基的筏板角樁位置、核心筒內(nèi)部及邊樁的沉降全部比復(fù)合樁基同樣位置的沉降大，這是區(qū)別之一。第二個區(qū)別則是復(fù)合地基筏板荷載在小于6級的時候，筏板之間的沉降差比相鄰柱距的0.002倍要小，但復(fù)合樁基則大。如果要滿足上述要求，則需要荷載等級不超過4級。綜上所述，由以上數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果說明復(fù)合樁基在承載力穩(wěn)定性方面，要差于復(fù)合地基，但這是在設(shè)置褥墊層減少筏板差異沉降的基礎(chǔ)之上。

4.2 樁端平面以下地基土沉降及筏板外側(cè)地面沉降

圖3是兩基在筏板核心筒區(qū)樁端平面下地基土沉降、筏板外側(cè)地面沉降及筏板外側(cè)地面下2 m深度處地基土沉降分布曲線。從圖3中我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著筏板上作用荷載的不斷增加，復(fù)合地基和復(fù)合樁基在橫縱方向的沉降影響范圍越來越廣。在同一荷載水平的情況下，距樁端平面或筏板板邊越近，其沉降就越大。而對于深層地基土沉降來說，在相同的荷載級別情況下，復(fù)合地基在樁端平面下不同深度的沉降量小于復(fù)合樁基對應(yīng)位置的沉降量，復(fù)合地基在樁端平面深度筏板外沉降均大于復(fù)合樁基對應(yīng)位置的沉降[6]。

4.3 筏板板底樁間土反力分布

圖4為兩基在筏板不同剖面位置樁間土反力分布曲線。從圖4中我們不難發(fā)現(xiàn)，二者的樁間土反力都是隨著筏板上荷載的增加而不斷增加的。與復(fù)合樁基比較起來，筏板不同位置復(fù)合地基的樁間土反力均大于復(fù)合樁基對應(yīng)位置的樁間土反力。在工作荷載為第4級時，復(fù)合地基樁間土反力值超過復(fù)合樁基，可以看出，筏板下樁間土反力發(fā)揮值的大小與筏板上對應(yīng)位置的荷載大小密切相關(guān)，與筏板下有無褥墊層也有很大關(guān)系。

4.4 樁頂反力分布

圖5為兩基筏板不同剖面位置樁頂反力分布曲線。從圖5中我們不難發(fā)現(xiàn)，樁頂反力是隨著筏板上作用荷載的增加而不斷增加的。與復(fù)合樁基比較而言，工作荷載達到第4級時，復(fù)合地基的樁頂反力在核心筒區(qū)超過復(fù)合樁基對應(yīng)位置的樁頂反力，在筏板的邊樁和角樁位置小于復(fù)合樁基對應(yīng)位置的樁頂反力。與樁間土反力發(fā)揮規(guī)律是相同的，樁頂反力值的發(fā)揮與筏板上作用的荷載關(guān)系密切，與筏板下有無褥墊層也有關(guān)系。

5 結(jié)論

本文通過對帶上部結(jié)構(gòu)框架的兩基載荷試驗結(jié)果進行對比研究和分析，得出如下結(jié)論。

（1）在筏板的中心位置，兩基的總沉降量大致相同，復(fù)合地基的沉降稍大一些；在筏板的邊樁及角樁位置，復(fù)合地基的沉降明顯比復(fù)合樁基大很多；綜合來看，復(fù)合地基的筏板沉降相對較為均勻，差異沉降較小。

（2）復(fù)合地基在筏板外側(cè)地面的沉降的影響范圍大于復(fù)合樁基，則樁端平面以下沉降則剛好相反。

（3）復(fù)合地基的樁頂反力在筏板的邊樁和角樁位置小于復(fù)合樁，在筏板核心筒區(qū)大于復(fù)合樁基。

（4）復(fù)合地基樁頂?shù)南旅娌糠挚赡苡胸撃ψ瑁谌珮抖蝺?nèi)則都是正摩阻；復(fù)合地基樁傳遞給樁周土的荷載明顯比復(fù)合樁基大。

（5）復(fù)合樁基間土分擔筏板荷載的比例隨筏板上荷載的下降而下降，樁分擔筏板荷載的比例隨筏板上荷載的下降而增加；復(fù)合地基樁恰好相反[7]。

（6）復(fù)合樁基樁長范圍內(nèi)壓縮量小于復(fù)合地基對應(yīng)壓縮量。

參 考 文 獻

[1]劉冬林，鄭剛，劉金礪，等.剛性樁復(fù)合地基與復(fù)合樁基工作性狀對比試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2006（4）：121-128.

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[3]王慧萍.剛性樁復(fù)合地基沉降計算方法的研究及其工作性狀的有限元分析[D].天津：天津大學，2006.

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[5]劉杰，肖佳興，何杰.循環(huán)荷載下圓柱形樁與楔形樁復(fù)合地基工作性狀對比試驗研究[J].巖土力學，2014（3）：631-636.

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[責任編輯：陳澤琦]