深厚軟土地基樁筏基礎(chǔ)筏板厚度承載特性試驗(yàn)

舒志樂(lè)，劉智宇，陳昱東

(1. 西華大學(xué)應(yīng)急學(xué)院，成都 610039； 2. 四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610000)

中國(guó)軟土分布廣泛，在東部沿海地區(qū)和部分內(nèi)陸地區(qū)都很常見(jiàn)，形成原因也較多，主要分為陸相沉積和海相沉積。軟土的工程特性較差，通常具有高壓縮性、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差及高含水率等特點(diǎn)。由于軟土地基的承載能力不足，直接在未經(jīng)處理的軟土地基上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，極易發(fā)生基礎(chǔ)失穩(wěn)進(jìn)而引發(fā)安全事故，造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。此外，在沒(méi)有清楚定義樁基與筏板相互工作機(jī)制的前提下，盲目采用不合適的地基加固方法往往也會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益不理想甚至事倍功半等情況，造成不必要的損失。因此針對(duì)樁筏基礎(chǔ)復(fù)合地基承載特性展開(kāi)研究，具有重要的工程與經(jīng)濟(jì)意義。

樁筏基礎(chǔ)是軟土地基處理中常見(jiàn)的復(fù)合地基處理方法，用以彌補(bǔ)地基土承載力要求或者沉降要求的不足，自改革開(kāi)放大力發(fā)展東部沿海地區(qū)以來(lái)，各界學(xué)者就樁筏基礎(chǔ)等復(fù)合地基展開(kāi)了許多的相關(guān)研究。近年來(lái)，李亞洲等[1]研究了地震荷載下大直徑單樁基礎(chǔ)承載特性的影響因素，闡述入土深度與樁體直徑和壁厚對(duì)基礎(chǔ)水平位移和樁基變形的影響，但并未涉及樁體與筏板共同工作的特性;李大勇等[2]開(kāi)展了砂土中錐形基礎(chǔ)水平單調(diào)加載的模型試驗(yàn)研究，給出了基礎(chǔ)水平承載力的影響因素，但缺乏土體性質(zhì)對(duì)基礎(chǔ)影響的進(jìn)一步闡述。王國(guó)輝等[3]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了高聳重型儲(chǔ)槽群條形不連續(xù)樁筏基礎(chǔ)的沉降規(guī)律，提出了改變筏板整體連接等方式來(lái)調(diào)整條形不連續(xù)樁筏基礎(chǔ)的沉降，然而其方法本質(zhì)上是通過(guò)調(diào)整剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)，文中卻未明確剛度與沉降之間的關(guān)系;曹云等[4]給出了在地下增層開(kāi)挖時(shí)單樁豎向沉降的近似解析方法，但在多樁體的實(shí)際工程中，還需加入群樁效應(yīng)等因素進(jìn)行分析。蔣剛等[5]利用先期模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出樁與地基土荷載分擔(dān)關(guān)系并建議了能反映樁筏基礎(chǔ)在承載過(guò)程中樁土各自狀態(tài)的樁筏基礎(chǔ)安全度計(jì)算式;李帆等[6]對(duì)樁筏基礎(chǔ)的樁土荷載分擔(dān)比進(jìn)行了研究，但缺乏模型試驗(yàn)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。周峰等[7]以實(shí)際工程為例，詳細(xì)論述了樁筏基礎(chǔ)主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但在控制過(guò)程中未提及筏板剛度相關(guān)參數(shù)。

盡管中外包括上述學(xué)者已對(duì)樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了大量相關(guān)研究，如江見(jiàn)鯨等[8]將關(guān)于樁筏基礎(chǔ)的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并編撰出《建筑工程事故分析與處理》專著，但關(guān)于筏板厚度對(duì)于整個(gè)基礎(chǔ)承載性能影響的控制臨界點(diǎn)還未有相關(guān)成果?，F(xiàn)首先闡述筏板厚度對(duì)筏板剛度的影響規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)了解不同剛度下樁筏基礎(chǔ)的承載特性，給出建議的剛度區(qū)間以優(yōu)化設(shè)計(jì)。其次，對(duì)于樁筏基礎(chǔ)的研究大多基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，少有學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)探討深厚軟土地基中樁筏基礎(chǔ)筏板厚度的承載特性，試驗(yàn)通過(guò)等比模型減少干擾因素，以更直觀準(zhǔn)確的方式呈現(xiàn)剛度對(duì)承載特性的影響。最后，樁筏基礎(chǔ)的應(yīng)用研究主要集中在沿海地區(qū)的地基處理上，四川等內(nèi)陸省份形成的軟土土質(zhì)不同，對(duì)于其他地區(qū)得出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)律性是否完全適用于內(nèi)陸地區(qū)還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和探討。因此，針對(duì)內(nèi)陸深厚軟土地區(qū)樁筏基礎(chǔ)承載特性展開(kāi)研究，建立模型試驗(yàn)總結(jié)承載規(guī)律，對(duì)于樁筏基礎(chǔ)的優(yōu)化應(yīng)用及指導(dǎo)實(shí)際工程具有重要價(jià)值。

1 模型參數(shù)及布置

1.1 模型基本參數(shù)

在確定模型試驗(yàn)的相似比時(shí)，設(shè)置的模型相似比越小，可得到的測(cè)試數(shù)據(jù)精度就會(huì)越高，總結(jié)過(guò)往樁筏基礎(chǔ)相關(guān)模型試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)談慶明[9]的相似分析，并根據(jù)相似第二定律(Bockingham π定理)[10]，確定此次模型試驗(yàn)幾何相似系數(shù)CL=10。

模型樁和筏板分別選用有機(jī)玻璃棒和有機(jī)玻璃板進(jìn)行制作[5]，樁筏基礎(chǔ)外形尺寸為50cm×50cm，筏板厚度根據(jù)工況不同分別為2、3、4cm，樁徑為2cm，樁間距為12cm。在筏板底部的相應(yīng)位置開(kāi)1cm深的圓孔，用環(huán)氧樹(shù)脂膠形成樁頭與筏板的固定聯(lián)結(jié)，黏結(jié)以后放置24h以確保樁頭與筏板的穩(wěn)定連接。為了使模型基礎(chǔ)與土接觸面有一定的粗糙程度，在筏板的下表面及樁的表面用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏一層很薄的細(xì)砂。用于模擬樁筏基礎(chǔ)的模型圖如圖 1所示，有機(jī)玻璃板和有機(jī)玻璃棒如圖 2所示。

圖 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model

圖 2 筏板與基樁模型Fig.2 Raft and foundation pile model

1.2 試驗(yàn)裝置及工況布置

模型試驗(yàn)場(chǎng)地位于西華大學(xué)巖土試驗(yàn)中心，在露天自制的一個(gè)基坑中進(jìn)行，基坑內(nèi)壁尺寸為1.5m×1.5m×1.5m，在試驗(yàn)前使用土工布和防水密封膜進(jìn)行鋪設(shè)并在連接處使用密封膠密封處理，目的在于減小內(nèi)壁的摩阻力以及減小邊界對(duì)土體變形的影響，如圖 3所示。

圖 3 1.5m×1.5m×1.5m試驗(yàn)基坑Fig.3 1.5m×1.5m×1.5m test foundation pit

試驗(yàn)用模型土取自成都市郫都區(qū)某地的淤泥質(zhì)黏土。土體整體呈現(xiàn)為灰色，為含水率大、有機(jī)質(zhì)含量高的典型沼澤相沉淀軟土。在試驗(yàn)進(jìn)行之前，先進(jìn)行持力層的填筑，將搗碎過(guò)后的黃黏土中摻入事先調(diào)配合適的外摻劑，在攪拌均勻后倒入試驗(yàn)基坑內(nèi)并用夯錘進(jìn)行夯實(shí)鋪平工作，在填筑完畢后用密封膜鋪在表面以使持力層自行固結(jié)，之后對(duì)土體表面進(jìn)行拉毛處理以形成一個(gè)獨(dú)立的土層。在持力層填筑完畢后進(jìn)行軟土層的填筑，為盡量保證土體的性質(zhì)不改變，軟土從取土地用汽車取回后在經(jīng)過(guò)5mm篩網(wǎng)過(guò)濾后直接進(jìn)行回填，分層填筑到設(shè)計(jì)深度時(shí)埋設(shè)相應(yīng)的測(cè)試裝置，在填筑完成后靜置一段時(shí)間讓土體穩(wěn)定，在試驗(yàn)土體回填完畢后對(duì)土體進(jìn)行真空預(yù)壓處理以降低含水率，如圖 4所示。在處理過(guò)后取試驗(yàn)土體進(jìn)行土工試驗(yàn)，測(cè)定試驗(yàn)用土體常規(guī)物理參數(shù)，測(cè)定過(guò)后的具體物理參數(shù)如表 1 所示。在樁筏基礎(chǔ)模型制作中，首先對(duì)于基礎(chǔ)位置進(jìn)行測(cè)量放線確定位置，再按照設(shè)計(jì)尺寸挖出樁孔并放置樁筏基礎(chǔ)模型。

表 1 地基土參數(shù)Table 1 Parameters of foundation soil

圖 4 1.5m×1.5m×1.5m基坑真空預(yù)壓處理圖Fig.4 1.5m×1.5m×1.5m foundation pit vacuum preloading diagram

由于模型試驗(yàn)中筏板尺寸較小，基坑四周離樁體的最小距離也大于筏板的邊長(zhǎng)，并且基坑底部離樁底距離也有一倍樁長(zhǎng)以上，所以可忽略基坑邊界對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

為了使施工方便穩(wěn)定以及更好地還原實(shí)際工況，試驗(yàn)通過(guò)使用千斤頂-反力架裝置來(lái)進(jìn)行加載，通過(guò)土的物理力學(xué)性質(zhì)來(lái)估算土體的極限承載力，以此為最終加載量的參考依據(jù)，每次試驗(yàn)的加載共分為十級(jí)加載。在加載前讀取并記錄測(cè)試元器件的初始數(shù)據(jù)，并以此作為測(cè)試的基準(zhǔn)值。每一級(jí)的荷載加載過(guò)程中，在加載之后每隔5、10、15min各進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取和記錄，之后每隔15min讀取記錄一次，累計(jì)1h之后每隔0.5h進(jìn)行讀取和記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一次，直到沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)之后進(jìn)行下一級(jí)加載。

1.3 測(cè)試元器件的布設(shè)

在進(jìn)行儀器的接線時(shí)統(tǒng)一采用蛇形布線法，將所有導(dǎo)線引至基坑邊緣一起導(dǎo)出以避免土體的變形位移對(duì)線的破壞。應(yīng)變片的布設(shè):在試驗(yàn)中使用應(yīng)變片對(duì)樁表面及筏板表面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。樁體在距離樁頂3cm處，在樁的兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)電阻應(yīng)變片，在每個(gè)測(cè)試處的有機(jī)玻璃棒表面開(kāi)槽貼應(yīng)變片?？滩蹆?nèi)應(yīng)變片粘貼處用細(xì)砂紙打毛并清除干凈后，使用502膠粘貼應(yīng)變片，隨后用環(huán)氧樹(shù)脂膠填滿刻槽。在粘貼應(yīng)變片時(shí)保證位置和方向的正確以避免測(cè)量誤差。應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)量引線使用接線片引出，并使用650固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂按1︰1的比例配制的環(huán)氧膠密封應(yīng)變片和接線片，這樣不僅能起到隔水和防潮的作用，更能有效防止試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)應(yīng)變片的破壞?？紤]到模型的對(duì)稱性，在筏板底面自西向東共在樁體所在軸線上設(shè)置A和B兩條測(cè)線，每根測(cè)線上依筏板邊線方向依次布設(shè)11個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)44個(gè)應(yīng)變片用以測(cè)量筏板的應(yīng)變變化。兩種樁體的應(yīng)變片布置及筏板應(yīng)變片布置示意圖如圖 5所示。

圖 5 樁體布置與筏板應(yīng)變片布置圖Fig.5 Pile layout and raft strain gauge layout drawing

1.4 筏板相對(duì)剛度分析

在進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)模型試驗(yàn)前，依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得的地基土變形模量和樁筏基礎(chǔ)的幾何尺寸，對(duì)樁筏基礎(chǔ)的性狀進(jìn)行初步的分析。對(duì)于基礎(chǔ)筏板，根據(jù)Clancy等[9]的研究中提出的筏板相對(duì)地基土的剛度計(jì)算式Krs為

(1)

式(1)中：Er為筏板材料的彈性模量，MPa；Es為地基土的變形模量，MPa；Vs為地基土的泊松比；Lr為筏板的長(zhǎng)度，cm；Br為筏板的寬度，cm；tr為筏板的厚度，cm。

不同的Krs對(duì)應(yīng)于樁筏基礎(chǔ)不同的變形性狀，如柔性、彈性、剛性、絕對(duì)剛性，即

其中Er=2.6×103MPa，Es=1.24MPa，Vs=0.42，Lr=Br=50cm，tr=2cm，經(jīng)計(jì)算的Krs如表 2所示。

表 2 各工況筏板相對(duì)剛度Table 2 Relative rigidity of raft under various working conditions

從表 2 可以看到，筏板厚度對(duì)于筏板的相對(duì)剛度具有一定的影響，本次物理模型試驗(yàn)的筏板處于彈性狀態(tài)。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-沉降關(guān)系

通過(guò)布置在筏板上各位置上的位移計(jì)測(cè)得的變形位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到在不同筏板厚度的荷載與樁基礎(chǔ)平均沉降關(guān)系，如圖 6所示。

圖 6 不同筏板厚度下荷載與樁基礎(chǔ)平均沉降關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the load and the average settlement of the pile foundation under different raft thicknesses

由圖 6 可知，不同厚度筏板的荷載-沉降曲線也基本可分為上文所述的3個(gè)階段，即線性階段、非線性階段和破壞階段，并且可以看出，在筏板相對(duì)地基土處于接近柔性和彈性狀態(tài)時(shí)，隨著筏板厚度的增加，整個(gè)樁筏基礎(chǔ)的最終平均沉降有所增加的，一方面，在筏板的厚度增加的同時(shí)，筏板自身也在變重，相當(dāng)于整個(gè)基礎(chǔ)受到的荷載有所增加，且由于筏板總的的相對(duì)剛度不高，加大筏板厚度對(duì)于承載能力的提升有限，故而最終平均沉降隨著筏板厚度的增加而變大； 另一方面，可以看出隨著筏板的厚度增加，樁筏基礎(chǔ)的差異沉降有所降低，這是由于在筏板的厚度增加以后，筏板的整體剛度在一定程度上變大，整個(gè)樁筏基礎(chǔ)抗變形能力增大，受荷載時(shí)各個(gè)部分的沉降差變低。

軟土地區(qū)的樁筏基礎(chǔ)往往遵從沉降控制的思路，從最終沉降來(lái)看，加大筏板厚度可以很好地降低基礎(chǔ)的差異沉降，但是在筏板剛度相對(duì)地基土處于彈性狀態(tài)時(shí)會(huì)增加基礎(chǔ)的最大沉降，并且從經(jīng)濟(jì)層面上考慮，更厚的筏板也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)造價(jià)的提升，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行軟土地區(qū)樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮筏板厚度對(duì)于沉降的影響。

2.2 樁與筏板荷載分擔(dān)關(guān)系

由于樁筏基礎(chǔ)中樁土在承載過(guò)程中各自的荷載分擔(dān)作用，需要進(jìn)一步對(duì)樁筏基礎(chǔ)的樁土荷載分擔(dān)特性進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得在不同筏板厚度下的荷載分擔(dān)關(guān)系，如圖 7所示。

圖 7 不同筏板厚度下樁與筏板荷載分擔(dān)系Fig.7 Load sharing relationship between piles and rafts under different raft thicknesses

由圖 7 可知，由于樁體的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體剛度，所以在開(kāi)始加載時(shí)，主要的承載工作由樁體來(lái)承擔(dān)，樁體的承載分擔(dān)比要比筏板的承載分擔(dān)比更大，隨著荷載的持續(xù)增加，筏板及其下方的土體開(kāi)始發(fā)揮承載能力，這時(shí)樁體的承載分擔(dān)比增量開(kāi)始變緩，而筏板及其下方土體的承載分擔(dān)比增量開(kāi)始變大，在承載后期，樁體進(jìn)入極限狀態(tài)，增長(zhǎng)幾乎停滯，這時(shí)表現(xiàn)為樁和筏板分擔(dān)荷載的主次地位發(fā)生變化，筏板開(kāi)始承擔(dān)了主要荷載。

從不同筏板厚度樁筏基礎(chǔ)的荷載分擔(dān)比來(lái)看，隨著筏板厚度的提升，筏板剛度增加，加強(qiáng)了筏板的承載能力，在加載后期筏板更早進(jìn)入主導(dǎo)主要承載工作的狀態(tài)，這說(shuō)明加大筏板厚度對(duì)于充分利用筏板的承載性能以及調(diào)動(dòng)板下土體參與承載是有積極效果的，適當(dāng)增加筏板厚度可以減少樁體的用量。

2.3 筏板內(nèi)力分布特征

對(duì)不同筏板厚度下的A軸和B軸板帶進(jìn)行了分析，通過(guò)布置在筏板表面的應(yīng)變片收集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算得到彎矩。數(shù)據(jù)整理后如圖 8所示。

圖 8 不同筏板厚度下筏板內(nèi)力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of raft internal force under different raft thickness

由圖 8 可知，隨著筏板厚度的增加，減小了最大擾度和最大擾度差，這使得最大彎矩增加，筏板局部彎曲明顯增強(qiáng)，在筏板的跨中主要受正彎矩，而在樁的位置附近則是受到負(fù)彎矩，在加大筏板厚度的過(guò)程中，筏板由整體彎曲過(guò)渡到了局部彎曲為主。在樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，需要注意局部彎矩增大后對(duì)于樁筏基礎(chǔ)抗沖切性能的影響。

2.4 單樁工作性狀分析

試驗(yàn)主要分析不同筏板厚度下樁筏基礎(chǔ)的角樁、邊樁和中樁的工作性狀，三種類型樁的荷載-沉降關(guān)系如圖 9所示。

圖 9 不同筏板厚度下單樁工作性狀分析Fig.5 Analysis of working behavior of single pile under different raft thickness

由圖 9 可知，加大筏板厚度后，樁頂反力最大變成了角樁，接下來(lái)是邊樁，最后是中樁，這是由于在加大筏板厚度以后，筏板的剛度有所提升，筏板的架越作用開(kāi)始進(jìn)一步體現(xiàn)，使得筏板板底反力開(kāi)始向邊緣集中，這導(dǎo)致了角樁的樁頂反力不斷增大，中樁的樁頂反力也隨之有一定幅度的增大，但是在上升速率上沒(méi)有角樁上升速率，而對(duì)于中樁的樁頂反力卻隨著筏板厚度增加呈現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)。從以上分析可以看到，筏板相對(duì)剛度處于接近柔性狀態(tài)和彈性狀態(tài)時(shí)，樁頂反力的分布趨勢(shì)有很大的不同，說(shuō)明筏板的相對(duì)剛度對(duì)于樁頂反力分布具有較大影響，在進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，分析了深厚軟土地基中樁筏基礎(chǔ)不同筏板厚度的變形沉降和內(nèi)力分布等規(guī)律，主要有以下結(jié)論。

(1)深厚軟土地基中樁筏基礎(chǔ)的總荷載-平均沉降曲線整體上分為三個(gè)階段，即線性階段、非線性階段和破壞階段。在筏板相對(duì)剛度處于彈性狀態(tài)時(shí)，隨著筏板厚度的增加，樁筏基礎(chǔ)的平均沉降有所增加，與此同時(shí)基礎(chǔ)各部位的差異沉降在降低。

(2)在承載的前期，樁體和筏板各自分擔(dān)的荷載相差不多，在后期隨著樁體達(dá)到極限狀態(tài)，上部荷載更多地由筏板及板下土體來(lái)承擔(dān)。在加大筏板厚度后，筏板的承載能力增加，更早地進(jìn)入主要承擔(dān)荷載階段，充分地發(fā)揮了筏板與土體的共同作用。

(3)在承載過(guò)程中，筏板整體為受彎狀態(tài)，由于樁體的支撐作用，在樁體位置有局部受彎為負(fù)彎矩現(xiàn)象，并且隨著荷載增大都有所增大。加大筏板厚度以后，由于減小了擾度差及最大擾度，筏板彎矩有明顯增大，筏板由整體受彎變?yōu)榫植渴軓潯?/p>

(4)隨著筏板厚度增加、筏板剛度增加，由于筏板的架越作用使得板底反力向四周集中，樁頂荷載最大部位由中樁變?yōu)榱私菢?，這說(shuō)明在樁筏基礎(chǔ)中，下部樁體的承載作用并非是同步發(fā)揮的，它受筏板的剛度、布樁方式和樁土之間的相互作用影響。