復(fù)合地基壓縮模量測(cè)試新方法

張路　趙姝彬　易志

摘 要：針對(duì)復(fù)合地基力學(xué)特性測(cè)試不便，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)適用于復(fù)合地基的側(cè)限壓縮儀（固結(jié)壓縮儀），本文首先簡(jiǎn)述了復(fù)合地基基本特性，并對(duì)比分析傳統(tǒng)壓縮模量測(cè)試方法的缺陷，最后簡(jiǎn)介了該儀器的構(gòu)造，試驗(yàn)方法及儀器優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：側(cè)限壓縮；復(fù)合地基；固結(jié)儀

0 引言

對(duì)于各類地基來(lái)說(shuō)，壓縮模量是設(shè)計(jì)必需的參數(shù)，然而當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室常使用的側(cè)限壓縮儀測(cè)定土樣的彈性模量，所能測(cè)試的土樣體積小，且忽略了側(cè)壁摩阻力的影響，采用千分表測(cè)定應(yīng)變稍顯落后，數(shù)據(jù)較少而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大的誤差，給科學(xué)研究帶來(lái)了極大的不便。對(duì)于復(fù)合地基壓縮模量評(píng)價(jià)主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式，未有針對(duì)復(fù)合地基的試驗(yàn)儀器和配套試驗(yàn)方法。

1 復(fù)合地基基本特性

復(fù)合地基一般分為砂石樁復(fù)合地基、水泥土攪拌樁復(fù)合地基、旋噴樁復(fù)合地基、土樁、灰土樁復(fù)合地基、夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基、水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基柱、錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基、多樁型復(fù)合地基[1]。復(fù)合地基在施工階段的作用機(jī)理主要表現(xiàn)為擠密效應(yīng)和排水固結(jié)效應(yīng)，工作階段的作用機(jī)理主要表現(xiàn)為樁體效應(yīng)、墊層效應(yīng)和加筋效應(yīng)。

1）擠密效應(yīng)：豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基在施工過(guò)程中將樁位處的土部分或全部的擠壓到樁側(cè)，使樁間土體擠壓密實(shí)。

2）排水固結(jié)效應(yīng)：增強(qiáng)體透水性強(qiáng)，是良好的排水通道，能有效地縮短排水距離，加速樁間飽和軟粘土的排水固結(jié)。

3）樁體效應(yīng)：復(fù)合地基中樁體剛度大，強(qiáng)度高，承擔(dān)的荷載大，能將荷載傳到地基深處，從而使復(fù)合地基承載力提高，地基沉降量減小。

4）墊層效應(yīng)：復(fù)合地基的復(fù)合土層宏觀上可視為一個(gè)深厚的復(fù)合墊層，具有應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)。

5）加筋效應(yīng)：水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基，在荷載的作用下，發(fā)生豎向壓縮變形，同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向位移。復(fù)合地基中的加筋材料，將阻礙地基土側(cè)向位移，防止地基土側(cè)向擠出，提高復(fù)合地基中水平向的應(yīng)力水平，改善應(yīng)力條件，增強(qiáng)土的抗剪能力。

6）協(xié)作效應(yīng)：增強(qiáng)體與周圍土體協(xié)調(diào)變形、共同工作、相得益彰。如豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基，樁體強(qiáng)度高，剛度大，約束土體側(cè)向變形，改善土體的應(yīng)力狀態(tài)，使土體在較高應(yīng)力狀態(tài)下不致發(fā)生剪切破壞。同時(shí)，土體也約束樁體的側(cè)向變形，保持樁體的形狀，提高樁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)復(fù)合地基壓縮模量計(jì)算方法

2.1 第一種表達(dá)式

用樁體材料和土的模量的疊加來(lái)表達(dá)復(fù)合地基的復(fù)合模量，稱其為第一種表達(dá)式。具體為：

Esp=mEp+（1-m）Es' （1）

式中，Esp為復(fù)合地基的復(fù)合模量；m為面積置換率；Ep為樁體壓縮模量；Es'為加固后樁間土壓縮模量。

2.2 第二種表達(dá)式

用土的模量的某一倍數(shù)來(lái)表達(dá)復(fù)合地基的復(fù)合模量，稱其為第二表達(dá)式。具體為：

Esp=[1+m（n-1）]Es' （2）

式中，n為樁土應(yīng)力；其余符合同式（1）。

《地基處理規(guī)范》中，水泥粉煤灰碎石樁和夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的復(fù)合模量表達(dá)式為：

Esp=ξEs （3）

式中，Es 為天然地基土壓縮模量；ξ為模量提高系數(shù)，ξ=fspk/fak（fspk為復(fù)合地基承載力特征值；fak為天然地基承載力特征值）[2]。

2.3 傳統(tǒng)計(jì)算方法缺陷

復(fù)合模量法是目前應(yīng)用最廣泛的復(fù)合地基沉降量計(jì)算方法。該法把復(fù)合地基加固區(qū)中增強(qiáng)體和基體兩部分視為一復(fù)合土體，采用復(fù)合壓縮模量Esp來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合土體的壓縮性，用分層總和法計(jì)算加固區(qū)土層壓縮量。因此，復(fù)合模量取值的正確與否對(duì)沉降量結(jié)果的準(zhǔn)確性有決定性的影響[3]。

此外，（1）式在概念上存在許多不妥之處，首先未能考慮樁長(zhǎng)的作用，碎石樁存在有效樁長(zhǎng)，因而復(fù)合模量與樁長(zhǎng)相關(guān)性較低，影響不大。但對(duì)于

粘結(jié)型樁，樁受土的摩阻力較大，樁長(zhǎng)效應(yīng)明顯，影響較大。并且未能考慮樁的端阻效應(yīng)，試驗(yàn)表明，樁端落在堅(jiān)硬土層上的單樁承載力，復(fù)合地基承載力和復(fù)合模量比樁端落在在軟土層上的要高，而式（1）求得的復(fù)合模量則是相同的，未能反映端阻效應(yīng)。若使用（3）式計(jì)算則需要預(yù)先測(cè)出天然地基承載力特征值與復(fù)合地基承載力特征值，通常采用原位試驗(yàn)測(cè)試，較為復(fù)雜不便于操作，并且（3）式不適用于所有土體具有一定的局限性。

3 復(fù)合地基側(cè)限壓縮儀

3.1 傳統(tǒng)壓縮儀缺陷

側(cè)限壓縮儀（固結(jié)儀）是土工試驗(yàn)中測(cè)試土體壓縮模量常用方法，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)所用的土樣高為2cm，直徑為6.18cm或7.98.cm[4]。只適用于小試樣土體，不能用于復(fù)合地基試驗(yàn)，若想在試驗(yàn)室測(cè)出較為準(zhǔn)確的壓縮模量，就需要盡可能還原土樣原狀條件，也即是說(shuō)應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大儀器口徑，并加裝更為精確的測(cè)試儀器。

3.2 復(fù)合地基壓縮儀構(gòu)造

如圖1所示，該壓縮儀土壓力盒是一個(gè)壁厚為2cm的不銹鋼環(huán)，環(huán)高35cm，內(nèi)徑50cm，在土樣上下部分別為2塊厚5cm的透水石，以便于壓縮時(shí)水分排出，上方加設(shè)一塊傳壓板，用于分散上方千斤頂?shù)膲毫?，使土體承壓均勻。

3.3 儀器測(cè)試優(yōu)勢(shì)

該裝置相比于原狀試驗(yàn)具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次試驗(yàn)，無(wú)需到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原狀土試驗(yàn)，極大地方便了測(cè)試。

2）儀器采用了多個(gè)測(cè)試應(yīng)變的原件，數(shù)據(jù)量大，多次試驗(yàn)后，可得到較為精確的數(shù)據(jù)，貼近于實(shí)際值。

3）試驗(yàn)儀器試樣尺寸大，減少了復(fù)合地基的擾動(dòng)，所測(cè)壓縮模量更加準(zhǔn)確。

4）采用了電子千斤頂施加荷載，可逐級(jí)加載，精確控制每級(jí)荷載大小和加載時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該儀器極大地方便了復(fù)合地基壓縮模量的測(cè)試，相比于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，使用該儀器可得到更為精確的復(fù)合地基壓縮模量，解決了復(fù)合地基研究中的壓縮模量測(cè)試的困擾。因此，希望在相關(guān)理論研究和實(shí)踐中，本團(tuán)隊(duì)研究成果能起到一定的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013（7）：35-60.

作者簡(jiǎn)介：

張路（1996-）男，漢族，陜西省隴縣，身份證號(hào)：61032719960204001X，本科生，研究方向：橋梁工程

趙姝彬（1996-）女，漢族，河南省淅川縣，身份證號(hào)：411323199606110028，本科生，研究方向：橋梁工程

易志磊（1995-）男，漢族，貴州省甕安縣，身份證號(hào)：522725199501160011，本科生，研究方向：道路與橋梁