樁筏復合地基水平特性試驗

陳 懿,程建華,朱小軍

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 揚州 225127;2.揚州大學 建筑科學與工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引 言

樁筏復合地基技術(shù)主要應用于大型橋梁工程、 高層建筑基礎(chǔ)中, 即在筏板與樁基礎(chǔ)之間通過設置墊層, 可調(diào)整樁、 土分擔荷載, 試圖使土先承擔荷載, 既減少樁數(shù), 又可控制沉降， 并且筏板與樁頂分離, 避免了上部結(jié)構(gòu)的荷載及水平荷載直接傳給樁基礎(chǔ)。 因此樁筏與樁間土構(gòu)成的樁筏復合地基可以有效地提高地基承載力并減少沉降[1]。

國內(nèi)外眾多學者對豎向荷載作用下的樁筏復合地基進行了大量研究,主要集中在其承載力、樁土分擔情況及沉降計算等方面。眾多學者采用模型試驗和數(shù)值方法對樁筏復合地基的工作機理進行了研究[2-3],主要集中在沉降特性及變形規(guī)律上。Sinha等[4]利用有限元數(shù)值方法對樁筏的工作機理進行了分析,發(fā)現(xiàn)墊層可調(diào)節(jié)樁土荷載傳遞機理,樁身最大軸力位置與墊層相關(guān)參數(shù)相關(guān)。俞建霖等[5]對樁筏復合地基進行了現(xiàn)場原型試驗,通過測試數(shù)據(jù)預測出復合地基的工后沉降,發(fā)現(xiàn)路面沉降曲線成鍋形分布,中間沉降量較大、兩側(cè)較小。李強等[6]建立了樁筏復合地基三維有限元模型,結(jié)果表明樁筏復合地基具有良好的加固效果,能有效地減小沉降、提高地基承載力,樁身軸力，先中間大兩頭小的分布形態(tài)。

對于由風及地震作用等引起的水平荷載對樁筏復合地基的影響研究相對較少。一些學者通過模型試驗研究了水平荷載和豎向荷載共同作用下的單筏基礎(chǔ)、群樁和樁筏基礎(chǔ)的工作機理[7-9]。鄭剛等[10]利用室內(nèi)模型試驗獲得了樁筏復合地基在水平荷載作用下的承載特性,推導出地基極限承載力計算方法。糾永志等[11]利用非線性方法建立了考慮筏板剛度的樁筏復合地基的樁筏共同作用計算方法,并對水平荷載作用下復合地基的影響因素進行了分析。劉漢龍等[12]利用足尺試驗對樁筏復合地基進行了一系列水平加載試驗,發(fā)現(xiàn)樁身彎矩和水平位移可通過調(diào)整相應參數(shù)得到降低,并對樁筏復合地基設計提出了一些建議。

通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn),水平荷載和豎向荷載共同作用下的樁筏復合地基的工作機理及承載性能存在較多分歧,仍需繼續(xù)研究。本文擬對豎向荷載和水平荷載共同作用下的樁筏復合地基工作機理和受力特性進行室內(nèi)模型試驗探究, 分析豎向荷載和樁數(shù)對筏板水平位移、樁身彎矩及樁身剪力的影響規(guī)律。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗設備

模型試驗在1 500 mm(長)×1 000 mm(寬)×1 000 mm(高)的模型槽中進行,試驗水平荷載采用模型槽側(cè)面的定滑輪裝置進行加載。試驗裝置主要由模型箱、加載裝置及量測系統(tǒng)組成，加載裝置由配重砝碼、鋼絲及定滑輪組成，量測系統(tǒng)由應變片、土壓力盒、數(shù)據(jù)采集儀、位移傳感(LDT)及數(shù)碼相機組成。自制帶鋼珠加載平臺可保證豎向荷載與水平荷載的耦合,筏板在水平方向可自由滑動。模型樁采用PVC管作為基樁,采用埋入式植樁方法消除擠土效應。模型試驗裝置如圖1所示。

圖1 模型試驗示意圖

1.2 試驗材料

筏板模型為邊長Br=300 mm、厚度為50 mm正方形鋼板。本試驗模型縮尺比例為1∶50。經(jīng)過比選,模型樁采用PVC管樁,其樁徑為D=25 mm,壁厚1 mm,樁長為L=280 mm,實測其彈性模量為900 MPa,樁表面經(jīng)過打磨粗糙處理。模型樁與土壓力盒的布置如圖2所示,樁頂和土頂埋設量程為0.1 MPa的微型應變式壓力盒。

地基土樣采用干燥細砂, 平均粒徑D50=0.13 mm, 含水率為2.82%～3.67%, 密度為1.65 g/cm3, 相對密實度為0.56。 復合地基的墊層采用礫砂代替, 粒徑為0.5～4.0 mm, 相對密實度為0.64。 填砂時采用落雨法分層鋪設, 并壓實整平直至地基土面達到預計高度, 砂礫墊層厚度為Hc。

圖2 模型樁平面布置圖

1.3 試驗方法

為測定試驗中樁身彎矩、 剪力, 以9樁樁筏復合地基為例, 沿著荷載施加的方向,選取前排樁(P1)、 中排樁(P2)、 后排樁(P3)在樁身軸對稱粘貼5組電阻應變片,并用硅膠包裹住。筏板底土壓力、樁間土壓力采用DYB-1型電阻應變式土壓力計測量,土壓力計和應變片數(shù)據(jù)由動態(tài)應變測量儀采集。試驗采用工字鋼反力架裝置,先對筏板進行豎向加載,再通過進行水平加載。豎向加載荷載值為800 N時,水平向極限荷載為356 N,每級荷載加載值取50 N。本次模型試驗中樁筏復合地基的墊層厚度均為5 cm,共設計了7組模型試驗，詳見表1。

表1 試驗模型參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 筏板荷載-位移關(guān)系曲線

2.1.1 樁數(shù)的影響 圖3為筏板豎向荷載為800 N時,單筏、單樁、4樁和9樁的樁筏復合地基水平荷載-位移關(guān)系曲線?？梢钥闯?筏板水平位移荷載呈現(xiàn)彈塑性的關(guān)系,當水平荷載小于100 N時,筏板水平位移為彈性階段,其后位移曲線呈非線性增加。單筏的水平位移曲線增幅最大,最大達到11.46 mm;當筏板底部增加樁數(shù),筏板水平位移呈現(xiàn)遞減趨勢,9樁樁筏復合地基的水平位移僅為6.33 mm,可見筏板水平位移因底部設置復合地基而得到控制。

圖4顯示出樁數(shù)對筏板水平位移的影響隨著水平荷載的增大而更加顯著,因此在筏板底部設置復合地基可有效限制筏板的水平位移。

圖3 豎向荷載為800 N時不同樁數(shù)復合地基水平荷載-位移關(guān)系

圖4 不同水平荷載下樁數(shù)對于筏板水平荷載-位移關(guān)系

2.1.2 豎向荷載的影響 圖5為4樁樁筏復合地基在不同豎向荷載下的水平荷載-位移曲線,施加在筏板的豎向荷載越大,筏板的水平位移越小。當施加在筏板的水平荷載相同時,筏板豎向荷載增加時,筏板水平位移逐漸減小。

圖5 不同豎向荷載下4樁樁筏復合地基的筏板水平荷載-位移的影響

2.2 樁身彎矩

2.2.1 4樁樁筏復合地基 圖6為4樁樁筏復合地基在豎向荷載為800 N不同水平荷載下的樁身彎矩圖。 隨著水平荷載增加, 樁身彎矩逐漸增大, 樁身最大彎矩位于0.5倍樁長處; 前排樁P1的彎矩值比后排樁P3更大, 在水平荷載為300 N時,P1和P3的最大彎矩值分別為309.68、 123.32 N·mm, 前排樁P1的最大彎矩達到后排樁P3的2.5倍。

圖7為4樁樁筏復合地基在豎向荷載為400 N時不同水平荷載下的樁身彎矩圖,P1和P3的最大彎矩值分別為233.72、 67.45 N·mm, 前排樁最大彎矩達到后排樁接近3.5倍, 這是由于前排樁P1不僅受到樁后土體的推力還受到后排樁及樁間土體的推力,產(chǎn)生應力疊加的效應。以前排樁P1為例, 與豎向荷載800 N的情況相比, 筏板上作用豎向荷載為400 N時的P1樁最大彎矩減少了約32.5%,可見筏板上施加的豎向荷載能夠筏土摩擦力,從而使土體的水平承載力得到更多發(fā)揮,進而帶動樁體產(chǎn)生水平變位。

圖6 豎向荷載為800 N時不同水平荷載下4樁樁筏復合地基的樁身彎矩圖

圖7 豎向荷載為400 N時不同水平荷載下4樁樁筏復合地基的樁身彎矩圖

2.2.2 9樁樁筏復合地基 圖8為9樁樁筏復合地基在豎向荷載1 200 N不同水平荷載下的樁身彎矩圖。樁身最大彎矩均位于0.5倍樁長處;P1、P2、P3的最大彎矩值相差較大,P3的最大彎矩僅為P1的l/4,P2的彎矩值居中,可見前排樁P1承擔水平荷載最多,中排樁P2次之,后排樁P3最少;在水平荷載施加初期,P1樁身彎矩最小,可見中、后排樁較前排樁先進入工作狀態(tài),而隨著水平荷載的增大,P2、P3樁身彎矩增量減緩,前排樁P1樁身彎矩增量加速,逐漸進入工作狀態(tài)并承擔了大部分水平荷載,與文獻[12]中PCC樁復合地基樁身彎矩分布規(guī)律相似。

2.3 樁身剪力

圖9為9樁樁筏復合地基在豎向荷載1 200 N不同水平荷載下的樁身剪力圖。樁頂處剪力最大,并沿著樁身逐漸減小。前、中、后排樁的樁身剪力值在荷載初期較為接近;當水平荷載達到300 N時,前排樁P1最大剪力與中排樁P2較為接近,而后排樁P3最大剪力最小,其值約為前排樁P1的1/4,可見后排樁剪力與前、中排樁相差較大,這是由于后排樁P3前土體應力產(chǎn)生松弛從而降低了樁側(cè)土抗力。

圖8 豎向荷載為1 200 N時不同水平荷載下的9樁樁筏復合地基樁身最大彎矩圖

圖9 豎向荷載為1 200 N時不同水平荷載下的9樁樁筏復合地基樁身剪力圖

3 結(jié) 論

(1)樁筏復合地基受水平荷載作用時,筏板水平位移隨著樁數(shù)或豎向荷載的增加而減小,可見增加樁數(shù)與豎向荷載可有效限制筏板的水平位移;樁身最大彎矩位于0.5倍樁長處,而樁身最大剪力位于樁頂處,當筏板豎向荷載減小時,樁身彎矩及剪力值均隨之降低。

(2)4樁樁筏復合地基受水平荷載作用時,當筏板豎向荷載由800 N減小到400 N時,樁身最大彎矩減少約32.5%;前排樁最大彎矩達到后排樁的數(shù)倍,這是由于前排樁不僅受到樁后土體的推力還受到后排樁及樁間土體的推力,產(chǎn)生應力疊加的效應。

(3)9樁樁筏復合地基受水平荷載作用時,樁身剪力值隨著水平荷載增加逐步增大;后排樁剪力與前、中排樁相差較大,這是由于后排樁前土體應力產(chǎn)生松弛從而降低了樁側(cè)土抗力。