包裹砂樁復(fù)合地基的承載力和沉降特性

李建軍， 李劍鋒， 王 瑞， 蔡 喬， 徐鵬程

(1. 中北大學(xué) 土木工程系， 山西 太原 030051； 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710061)

砂樁屬于散體材料復(fù)合地基的一種，適用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、雜填土等地基。砂樁法最早由法國工程師提出，經(jīng)過不斷改良優(yōu)化，工法和技術(shù)都逐漸走向成熟，國內(nèi)外許多專家學(xué)者也對砂樁進行了研究，得出了一些結(jié)論。Ayadat等[1]通過改變土工布剛度以及模擬水流強度，得出了砂樁承載力隨土工布材料強度增加而變強。趙明華等[2,3]采用圓孔擴張理論，進行了樁土應(yīng)力比計算及試驗，得到了樁土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達式。Ambily等[3]對不同置換率、抗剪強度以及荷載水平條件下碎石樁單樁及群樁的承載力和破壞性能進行了數(shù)值分析。Tan等[5]介紹了碎石樁復(fù)合地基有限元分析中獲得平面應(yīng)變單元的兩種簡單方法，并將它們用于碎石樁群樁復(fù)合地基的分析。張儀萍等[6]針對土工袋裝砂石樁復(fù)合地基，推導(dǎo)非瞬時加載情況下土工袋裝砂石樁復(fù)合地基固結(jié)度的解析解，并給出相應(yīng)計算公式。段園煜等[7]分析了分級靜載試驗下的沉降、樁土應(yīng)力比以及袋體張力分布等變化規(guī)律。Yoo等[8]利用離心加載裝置，對傳統(tǒng)砂樁和有土工材料包裹砂樁的承載性能進行了對比分析，探討了土工材料抗拉強度對于土工袋包裹砂樁的破壞模式和承載性能的影響。歐陽芳等[9,10]通過實驗對包裹碎石樁承載性能進行了研究，得出了包裹碎石樁復(fù)合地基的抗震性能優(yōu)于碎石樁復(fù)合地基的結(jié)論。

以上文獻研究主要是以數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)為主，本文通過自行設(shè)計模型槽布置群樁，采用復(fù)合地基單樁靜載荷試驗，研究了包裹砂樁擠密砂樁復(fù)合地基與壓密砂土地基承載力與沉降特性的差異，在考慮群樁效應(yīng)的基礎(chǔ)上，探究了樁長、樁徑、樁間距、長徑比對包裹砂樁承載性狀和沉降的影響，并初步討論了單樁加載過程中對周邊樁體的影響情況。

1 試驗材料選擇

1.1 模型樁制作及選材

采用白色土工布制作圓柱體模型樁外殼，內(nèi)部充填砂子，砂采用分層振密的方式灌入，保證分層均勻壓實模型樁，并對上下面進行蠟封密封，如圖1。復(fù)合地基模型槽采用直徑為75 cm，高為100 cm的圓形鐵桶內(nèi)部填充砂子制成，并分層均勻壓實。填充材料選用級配砂(內(nèi)摩擦角為33°，泊松比為0.31)。

1.2 模型樁加載裝置

采用自制加載裝置對復(fù)合地基模型進行加載，加載裝置如圖2所示。裝置主要由：加壓裝置、支撐框架和沉降測量系統(tǒng)組成。加壓裝置由已知質(zhì)量的砝碼、墊塊、承壓板組成，量測系統(tǒng)則由加載平臺、百分表、土壓力盒組成，支撐構(gòu)架包括固定立柱等構(gòu)件[11]。

圖1 模型砂樁

圖2 模型復(fù)合地基加載裝置注:1—模型砂樁；2—模型復(fù)合地基；3—土壓力盒； 4—承壓板；5—墊塊；6—加載平臺；7—砝碼； 8—固定立柱；9—百分表；10—圓柱形砂箱；11—砂墊層

2 靜載試驗

在模型槽內(nèi)分層均勻填入砂土，并壓至密實，直到所需高度。采用正方形布樁，布樁時，首先用套板將9根模型砂樁固定于砂土表面，分層填入砂土并利用搗錘將砂土振搗密實。填砂過程中在樁端和距樁頂?shù)?/3L，2/3L(L為樁長)高度的樁側(cè)分別埋入土壓力盒，如圖2。

模型樁埋好后，在樁頂鋪設(shè)1 cm墊層。然后依次安裝承壓板、墊塊、百分表和加載平臺，并保證其幾何中心位于同一條直線上，且地基表面和承壓板水平[11]。并預(yù)壓一級荷載，保證加載過程中加載平臺水平。最后進行靜載荷試驗。

本次試驗加載方法參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[12]附錄C進行。第一級加載15.85 kg砝碼，然后每級加載14.10 kg砝碼，每次試驗加載均加載至破壞，加載曲線末端為模型樁破壞前最后一級加載。每組砂樁的3次平行試驗極差均小于極限應(yīng)力平均值的30%，滿足中國建筑規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[12]要求。本試驗的結(jié)束條件(依據(jù)附錄B)為：復(fù)合地基靜載荷試驗要點，采用終止試驗標(biāo)準(zhǔn)的第二條：荷載板的累計沉降達到其直徑的6%。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

土工布包裹砂樁試驗分為A～H組，試驗參數(shù)及主要試驗結(jié)果見表1。模型單樁復(fù)合地基的極限應(yīng)力變化較大，極限應(yīng)力平均值分布在85.36～229.53 kPa之間。

A～H組承載力-沉降曲線如圖3所示：

圖3為幾種不同工況的砂土地基室內(nèi)模型的荷載-沉降曲線，荷載-沉降曲線A～G為在砂土中增加包裹砂樁的擠密砂樁地基，荷載-沉降曲線H為不增加砂樁的壓實砂土地基，擠密砂樁地基和壓實砂土地基的密實度為1.583～1.586 g/cm3，擠密砂樁的設(shè)計參數(shù)見表1。所有工況的荷載-沉降曲線均表現(xiàn)為緩變型曲線，地基土在上部荷載作用下，地基變形由彈性逐漸向塑形發(fā)展，其中不加樁體的壓實砂土地基(H組)的荷載-沉降曲線比其它所有增加豎向包裹砂樁的擠密砂樁復(fù)合地基的荷載-沉降曲線都陡，極限承載力最小，在同一級荷載下，不加樁體的壓實砂土地基H組沉降最大。由此可見，在地基土中增加包裹砂樁可以有效限制地基土的側(cè)向變形，發(fā)揮包裹砂樁樁體的豎向承載力，使處理后的復(fù)合地基承載力明顯提高，地基沉降顯著減少。

圖3 包裹砂樁各組荷載-沉降曲線

表1 包裹砂樁試驗參數(shù)

注：D為樁徑

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1樁徑對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降影響分析

在8種試驗工況中，B，D，E工況為樁長300 mm，樁間距3.5D，置換率均為0.0639，樁徑分別為20，30，40 mm。從圖4不同樁徑下荷載-沉降曲線中可以看出，三種工況的荷載-沉降曲線均為緩變型曲線，工況B(20 mm樁徑)荷載-沉降曲線陡而短，工況E(40 mm樁徑)緩而長，工況D(30 mm樁徑)居中，曲線變化趨勢更接近于工況B。在相同荷載下，三組曲線中B組沉降量最大，D組次之，E組沉降最小。隨著樁徑的增大，復(fù)合地基沉降越??；在相同沉降時，樁徑越大，復(fù)合地基承載力也越大。置換率相同時，樁徑對復(fù)合地基承載力與沉降影響相對較大，尤其是樁徑達到40 mm時，相對變化顯著。

圖4 不同樁徑下荷載-沉降曲線

3.2.2樁間距對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降影響分析

工況A，B，C樁長均為300 mm，樁徑均為20 mm，樁間距由3D，3.5D增加到4D，置換率依次由0.0870，0.0639減小到0.0489，從圖5不同樁間距下荷載-沉降曲線中可以看出，三種工況荷載-沉降曲線變化規(guī)律基本相同，但隨樁間距增加，曲線變陡，包裹砂樁分擔(dān)的荷載份額變小，對復(fù)合地基承載力的貢獻減小，曲線變化接近不加包裹砂樁的工況H。工況A，B和C與不加樁體的壓實砂土地基工況H地基極限承載力68.66 kPa比較，樁間距由3D，3.5D至4D，地基極限承載力平均值分別由123.92，109.34 kPa減少到85.36 kPa，極限承載力依次提高了80.5%，59.2%和24.3%，沉降依次減小了35.9%，17.3%和10.4%(表1)。由此可見，在同樣密實度的情況下，采用包裹砂樁可以明顯改善松散砂土地基性狀，在保持其它條件不變，樁間距的減小可以提高復(fù)合地基承載力和降低沉降。

圖5 不同樁間距下荷載-沉降曲線

3.2.3樁長對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降影響分析

工況D，F(xiàn)和G的樁徑均為30 mm，樁間距均為3.5D，樁長分別為300，400，500 mm。三種工況的荷載-沉降曲線非常接近，重合度較高(圖6)，由此可見樁長對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降的影響不太顯著，對于包裹砂樁復(fù)合地基而言，在滿足復(fù)合地基承載力和沉降的前提下，可以盡量減少包裹砂樁的長度，有效降低成本。

圖6 不同樁長下荷載-沉降曲線

3.2.4長徑比對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降影響分析

工況B，D，E，F(xiàn)，G曲線置換率相同，均為0.069，除了樁徑為40 mm的E組荷載-沉降曲線外，樁徑為20 mm的B曲線和樁徑為30 mm的D，F(xiàn)和G曲線變化幾乎一致(圖7)。工況E的樁長為300 mm，小于工況F和G，顯然不是樁長引起承載力的明顯提高，且有前面分析可知，樁長對包裹砂樁復(fù)合地基的承載力影響不顯著。計算工況B，D，E，F(xiàn)，G的長徑比，依次分別為15，10，7.5，13.3，16.7，可以看出，工況E的長徑比明顯小于其他包裹砂樁的長徑比，樁土應(yīng)力比更大，更有利于樁的承載力發(fā)揮。

圖7 相同置換率下各組荷載-沉降曲線

3.2.5試驗樁加載過程對其周邊樁體的影響

為了研究包裹砂樁復(fù)合地基單樁加載過程對其周邊樁體的影響，每次模型加載試驗結(jié)束后都進行開挖觀測，通過開挖觀察發(fā)現(xiàn)，樁間距為3D時，與其相鄰的4根邊樁均會發(fā)生彎曲現(xiàn)象；樁間距為3.5D時，相近的4根邊樁有1根或2根發(fā)生彎曲現(xiàn)象；樁間距為4D時，相近的4根邊樁幾乎沒有發(fā)生邊樁彎曲現(xiàn)象。以上現(xiàn)象說明，包裹砂樁處理的復(fù)合地基，樁間距為3D時，試驗樁對相鄰樁的影響較大，單樁復(fù)合地基上部加載的應(yīng)力擴散至周邊側(cè)限樁，從而使側(cè)限樁側(cè)面受壓彎曲；樁間距為3.5D時，試驗樁對相鄰樁影響相對較弱；樁間距達到4D時，試驗樁與其他樁之間幾乎不存在相互影響，因此可以認為，包裹砂樁復(fù)合地基單樁靜載對其周邊樁體影響范圍不大于4D。

3.2.6試驗樁側(cè)土壓力與樁端土壓力分析

為了研究試驗樁樁側(cè)和樁端土壓力的變化規(guī)律，在試驗樁距樁頂1/3L處和2/3L處分別對稱埋置側(cè)向土壓力盒，用于測量靜載試驗過程中試驗樁側(cè)向土壓力的變化，在樁端埋設(shè)1個土壓力盒，用于量測端阻力的分擔(dān)比例。樁頂荷載達到最大值時，樁側(cè)1/3L處樁側(cè)向土壓力占樁頂荷載百分比為18.87%～22.14%，平均值為20.5%；樁側(cè)2/3L處樁側(cè)向土壓力占樁頂荷載百分比為13.14%～14.66%，平均值為13.81%；樁端荷載占樁頂荷載百分比6.66%～7.78%，平均值為7.17%，見表2。樁側(cè)和樁端荷載分配比例與樁長關(guān)系不大，見表2中工況D，F(xiàn)和G，這也進一步驗證了前述結(jié)論。

表2 各組樁體不同位置土壓力分布

從表2可以看出，E樁的極限承載力(229.53 kPa)比D樁(139.81 kPa)增加了64%，樁長相同條件下，側(cè)阻占樁頂荷載百分比差別不大，故相應(yīng)深度處的側(cè)阻也增加了約64%，造成以上差異的可能原因是：其一，由于樁徑增大，樁側(cè)接觸面積增大，從而導(dǎo)致側(cè)阻增大，該部分導(dǎo)致側(cè)阻增大33%；其二，樁徑增加，樁的豎向剛度和側(cè)向抗彎剛度都會增加，同時承壓板的面積增加，在加載過程中，試驗樁周邊的包裹砂樁對樁間土的側(cè)限作用增強，試驗樁周圍形成了一個相對封閉的體系，承壓板加載過程中，施加于樁間土體的豎向附加應(yīng)力向下向外擴散過程中，側(cè)向擴散受到一定限制，增強了試驗樁與側(cè)限樁之間土體的側(cè)向應(yīng)力；其三，樁間土擠密效應(yīng)有可能使樁間土內(nèi)摩擦角增加，因此產(chǎn)生側(cè)向土壓力系數(shù)增大。綜上三種情況的共同影響，提高了側(cè)阻力，進而形成較高的樁頂承載力。

為了詳細說明靜載試驗過程中樁側(cè)土壓力和樁端土壓力的變化過程，下面以D組試驗為例對其進行分析。圖8中，a曲線為樁端土壓力；b曲線為樁側(cè)2/3L處的樁側(cè)土壓力；c曲線為樁側(cè)1/3L處的樁側(cè)土壓力；d曲線為樁頂加荷的土壓力。對于D組，其樁頂極限承載力平均值為139.81 kPa，砂樁發(fā)生壓屈破壞時，樁側(cè)1/3L處土壓力最大值為28.831 kPa，樁側(cè)1/3L處的極限承載力為樁頂極限承載力的20.65%；樁側(cè)2/3L處土壓力最大值為20.132 kPa，樁側(cè)2/3L處的極限承載力為樁頂極限承載力的14.39%；樁端土壓力最大值為10.582 kPa，樁底極限承載力為樁頂極限承載力的7.20%。其他各組所占百分比情況如表2所示。

圖8 D組樁體不同位置的土壓力-時間曲線

對于以上現(xiàn)象解釋如下：包裹砂樁距樁頂1/3L處樁側(cè)向土壓力明顯大于距樁頂2/3L處，由Li Jianjun等[13]先前研究可知，對于包裹砂樁，從樁頂附近，由于復(fù)合地基靜載荷試驗中，承壓板對試驗樁和樁周土同時加載，在距樁頂一定范圍，樁側(cè)土的豎向附加應(yīng)力增加，引起樁側(cè)土對試驗樁側(cè)向約束增加，因此在樁附近，包裹砂樁不會發(fā)生鼓脹破壞，在距樁頂一定范圍內(nèi)，樁側(cè)土對包裹砂樁約束減弱，包裹體材料強度不足時，樁會發(fā)生鼓脹破壞，包裹體材料強度滿足要求時，包裹砂樁將發(fā)生壓屈。由此可以推測，提高砂樁頂部一定范圍的側(cè)向約束，防止包裹砂樁發(fā)生樁側(cè)鼓脹破壞，有利于提高包裹砂樁的豎向承載力。由于試驗中樁側(cè)埋設(shè)土壓力盒較少，還無法確定砂樁側(cè)向壓力最大點確切范圍，有待進一步的研究。

4 結(jié) 論

(1)通過自行設(shè)計模型槽布置群樁，采用復(fù)合地基單樁靜載荷試驗對包裹砂樁擠密砂樁復(fù)合地基與壓密砂土地基承載力與沉降特性進行了對比試驗，試驗結(jié)果表明在地基土中增加包裹砂樁可以有效限制地基土的側(cè)向變形，發(fā)揮包裹砂樁樁體的豎向承載力，使得處理后的復(fù)合地基承載力明顯提高，地基沉降顯著減少。

(2)研究了樁長、樁徑、樁間距和長徑比的改變對包裹砂樁復(fù)合地基承載力與沉降的影響。樁長對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降的影響不太顯著。樁徑、樁間距和長徑比對包裹砂樁復(fù)合地基承載力和沉降影響較為顯著，隨樁徑增大和樁間距減小，復(fù)合地基承載力提高，沉降降低，反之亦然。

(3)通過觀察包裹砂樁復(fù)合地基單樁靜載荷試驗后試驗樁與其周邊樁體的變形，樁間距為3D時，試驗樁加載對相鄰樁的影響較大，周邊樁全部受壓彎曲；樁間距為3.5D時，試驗樁對相鄰樁影響相對較弱，距試驗樁最近的4根邊樁有1根或2根發(fā)生彎曲變形；樁間距達到4D時，試驗樁與其他樁之間幾乎不存在相互影響。因此，包裹砂樁復(fù)合地基單樁靜載對其周邊樁體影響范圍不大于4D。

(4)通過在試驗樁距樁頂1/3L處、2/3L處和樁端埋置土壓力盒，測量靜載試驗過程中試驗樁側(cè)向和樁端土壓力的變化，樁側(cè)1/3L處樁側(cè)向土壓力占樁頂荷載約為20.5%左右，樁側(cè)2/3L處樁側(cè)向土壓力占樁頂荷載約為13.81%，樁端荷載占樁頂荷載約為7.17%，樁側(cè)和樁端荷載分配比例與樁長關(guān)系不大。