不同褥墊層厚度下大直徑CFG樁復合地基樁土應力比試驗研究

李揚波, 容 耀, 任志勇, 吳 波, 劉 聰, 梁 華

(1. 東華理工大學 土木與建筑工程學院,江西 南昌 330013; 2. 東華理工大學 江西省地質環(huán)境與地下空間工程研究中心,江西 南昌 330013; 3.湖南教建集團有限公司,湖南 長沙 410013; 4.江西省交通投資集團有限公司,江西 南昌 330003)

大直徑CFG樁復合地基具有承載能力高、工期短、適應性廣等優(yōu)勢,被廣泛應用于房建、交通等領域的地基處理(Niu et al., 2018;劉志勇,2018;黃強兵等,2020)。國內外學者對大直徑樁復合地基的力學特性開展了研究,湯益敏(2013)發(fā)現(xiàn)CFG樁樁徑越大,樁土應力比越小,指出樁徑是復合地基設計時要考慮的關鍵因素;李海生(2016)利用Plaxis分析大直徑混凝土樁復合地基樁土荷載分配規(guī)律;徐新星等(2018)利用Abaqus分析了不同樁長的素混凝土樁和大直徑水泥土攪拌樁組合成的多樁型復合地基樁土應力比影響規(guī)律;Bai等(2020)研究了大直徑樁的力學傳遞特性以及承載力影響因素。由此可知,樁土荷載分擔規(guī)律是大直徑樁復合地基研究的關鍵問題之一,樁土應力比是反映樁土荷載分擔規(guī)律的主要參數(shù)。

在褥墊層協(xié)調作用下,CFG樁與樁間土共同承受上部結構荷載(任鵬等,2008;李國勝,2019)。亓樂等(2009)指出褥墊層厚度的設計是復合地基承載力能否全部發(fā)揮的關鍵因素;段曉沛等(2010)通過褥墊層模型試驗研究得出合理的褥墊層厚度對樁土之間受力協(xié)調起著關鍵作用;劉鵬等(2015)采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析了褥墊層厚度和模量對剛性樁復合地基樁土應力比的影響;Zheng等(2008)利用Ansys研究了不同影響因素對樁土應力比的影響,指出樁土應力比受褥墊層厚度影響最為顯著。因此,褥墊層厚度是CFG樁復合地基中樁土應力比最重要的影響因素之一。

目前,CFG樁復合地基的承載力通常采用《建筑地基處理技術規(guī)范》(國家住房和城鄉(xiāng)建設部,2012)推薦的公式計算,由CFG樁承擔主要荷載,不能充分發(fā)揮樁間土的承載能力。鑒于此,筆者基于相似關系開展大直徑CFG樁復合地基模型試驗,分析砂土地基中褥墊層厚度對大直徑CFG樁復合地基樁土應力比的影響,提出能合理反映褥墊層厚度對樁土應力比影響規(guī)律的數(shù)學模型。研究大直徑CFG樁復合地基的樁土荷載分擔規(guī)律對于充分發(fā)揮CFG樁復合地基的承載能力具有重要意義。

1 模型試驗

1.1 相似比設計

為研究大直徑CFG樁復合地基在荷載作用下樁土應力比的變化規(guī)律,依據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》(國家住房和城鄉(xiāng)建設部,2012)設計本次模型試驗基本參數(shù),結合試驗條件確定幾何相似常數(shù)CL=15和彈性模量常數(shù)CE=1,并根據(jù)Buckingham相似定理進行推導換算;得到模型試驗相關物理量之間的相似比關系,如表1所示。

表1 相似比關系表

1.2 試驗模型箱

大直徑CFG樁復合地基模型試驗系統(tǒng)由大型模型箱、液壓加載裝置和自動測量采集裝置等組成。試驗模型箱長為2.5 m、寬為2 m、高為2 m,如圖1所示。加載裝置安裝在模型箱頂部的可移動反力梁上,液壓加載器行程為20 cm,最大可提供200 kN的加載力,加載精度為1%,加載過程通過桿端的壓力傳感器控制和記錄。

圖1 模型箱試驗裝置

1.3 試驗材料及參數(shù)

試驗采用砂土作為地基土,地基土顆粒級配曲線如圖2所示,曲率系數(shù)為3.38,不均勻系數(shù)為4.43,干密度為1.89 g/cm3,含水率為4.28%,含水率與干密度關系如圖3所示,比重為2.64,黏聚力為4.64 kPa,內摩擦角為22°,壓縮模量為28 MPa。

圖2 顆粒級配曲線

圖3 干密度與含水率關系曲線

依照相似比設計,樁徑(定義為d)取54 mm,樁長為1 m,樁間距為160 mm,梅花形布樁,樁身混凝土強度為C20。樁體配比(質量比)為:水泥∶粉煤灰∶中砂∶礫石∶水=1.00∶0.25∶2.50∶4.23∶0.73。成樁方式是通過在PVC管中灌入配制好的混凝土預制而成,拆模后養(yǎng)護28 d,模型樁如圖4所示。

圖4 試驗模型樁

褥墊層是復合地基的主要構成部分,本次試驗篩取粒徑為2 mm左右礫砂作為褥墊層的材料,如圖5所示。試驗中壓實系數(shù)為0.95,最大干密度為2.2 g/cm3,并在褥墊層表面放置邊長為400 mm,厚為10 mm的正方形承載鋼板。

圖5 褥墊層材料

1.4 傳感器測點布置

為獲得樁土應力分擔規(guī)律,本次試驗布置CFG模型樁與土壓力盒傳感器如圖6所示。共布設3個土壓力盒傳感器進行測量樁間土和樁頂?shù)膽?傳感器分別布設于樁頂中心以及兩樁連線中心的樁間土表面上。使用數(shù)據(jù)采集儀完成土壓力盒數(shù)據(jù)的采集,并連接到電腦進行記錄和保存。

圖6 CFG模型樁與土壓力盒傳感器布置示意圖

1.5 試驗方案

本次共開展3組模型試驗,褥墊層厚度(定義為h)分別為20 mm、40 mm和60 mm。試驗采用分層均勻填筑法進行制備,模型箱內土體夯實程度需保持一致,樁間土體和樁端底部土體的地基土承載力均控制在110 kPa左右。首先將配制好的砂土分層填入模型箱夯實整平,為避免人工分層,相鄰層表面刮毛后再繼續(xù)填筑。為保證樁身和樁底部土體的均勻性,每隔30 cm使用微型地基承載力測試儀測定土體的承載力。當土體填筑到CFG樁1/3樁長時,用水平尺對CFG樁的垂直度進行矯正。填筑完成后靜置12 h,讓填筑土體固結(雷練武等,2018)。加載方式采用慢速維持荷載法,加荷范圍為0～32 kN,每級加載4 kN,共加載8級,每隔10 min讀記一次試驗數(shù)據(jù),超過1 h后每隔15 min讀記一次。

2 模型試驗結果分析

2.1 褥墊層厚度對樁土應力比的影響

根據(jù)不同褥墊層厚度的樁頂應力與樁間土應力試驗結果整理得到不同褥墊層厚度的樁土應力比曲線(圖7),在相同褥墊層厚度下,隨荷載增加,大直徑CFG樁復合地基樁土應力比先快速上升后趨于穩(wěn)定。褥墊層厚度為20 mm、40 mm、60 mm的樁土應力比變化范圍分別為5.15～11.20,2.49～5.59,0.63～2.10。褥墊層厚度較小時,在加載的前期階段樁土應力比整體增長速率較快。隨著褥墊層厚度的增加,樁土應力比總體增速逐漸減緩。

圖7 不同褥墊層厚度的樁土應力比曲線

樁頂應力和樁間土應力隨著上部荷載增加均呈增加的趨勢,但因樁土剛度差異顯著,CFG樁樁頂應力比樁間土應力增幅更大,所以樁土應力比快速上升。繼續(xù)增大加載,樁土應力比的增速減緩,這主要是因為褥墊層在荷載作用下補充到剛度相對較小的樁間土,褥墊層逐漸壓密,更多荷載轉移到樁間土體,樁土應力比增速逐漸減緩。

根據(jù)樁土比應力曲線整理得到不同褥墊層厚度的樁土應力比拐點特征值(表2),不同褥墊層厚度的樁土應力比拐點對應荷載值不同,褥墊層厚度為20～40 mm,即厚度為0.37d～0.74d時,樁土應力比拐點特征值下降明顯,說明褥墊層厚度會影響樁土共同作用狀態(tài),體現(xiàn)了褥墊層調節(jié)樁土應力的重要性。

表2 不同褥墊層厚度樁土應力比拐點特征值

2.2 褥墊層厚度對樁土荷載分擔占比的影響

圖8為不同褥墊層厚度下樁間土荷載分擔占比,褥墊層厚度為20 mm、40 mm、60 mm的樁間土荷載分擔占比范圍分別為47.60%～66.39%、64.55%～80.34%、82.89%～94.10%。樁間土荷載分擔占比隨荷載增大而降低,當褥墊層厚度為0.37d～0.74d時,適當增加褥墊層厚度可以明顯改善樁間土荷載分擔能力。荷載較小時,樁間土分擔了大部分荷載,這主要是因為樁間土承載面積比樁體的承載面積大,因而樁間土可分擔更多的荷載,與譚立(2015)研究結論一致。由于樁體剛度更大,樁體荷載分擔占比隨荷載增加逐漸增強,褥墊層協(xié)調變形,樁土荷載分擔占比趨于穩(wěn)定。

圖8 不同褥墊層厚度下樁間土荷載分擔占比

圖9為不同褥墊層厚度下樁荷載分擔占比,隨褥墊層厚度增加,樁體荷載分擔占比與加荷初期相比分別增加了18.80%、15.79%、11.30%,可以發(fā)現(xiàn)褥墊層厚度具有協(xié)調樁荷載分擔的能力,但同時褥墊層也存在一個合理的厚度。褥墊層過薄,其協(xié)調能力有限,樁間土承載力不能得到充分利用,樁土之間承擔的荷載未能協(xié)調分配,對復合地基承載能力提高不顯著。褥墊層過厚,荷載在褥墊層中發(fā)生應力擴散,會使大直徑CFG樁體荷載分擔過小,荷載分擔占比變化范圍為6%～20%,未能充分利用大直徑CFG樁體高承載力的特點,造成經(jīng)濟效益低。

圖9 不同褥墊層厚度下樁荷載分擔占比

結合本次試驗結果分析得知,大直徑CFG樁復合地基樁土應力比為5.4～11.2,褥墊層厚度范圍在0.37d～0.74d對樁土應力比的調節(jié)效果明顯,褥墊層厚度取值范圍略大于現(xiàn)有規(guī)范(國家住房和城鄉(xiāng)建設部,2012)給出的0.4d～0.6d參考值。

3 樁土應力比經(jīng)驗公式

樁土應力比經(jīng)驗公式是指基于多組試驗數(shù)據(jù)分析,建立可以描述樁土應力比與影響因素指標之間關系的數(shù)學公式。比如:姜文雨等(2018)基于樁側摩阻力線性分布假設推導出樁土應力比計算公式;尚琴琴(2007)從極限平衡理論角度推導墊層參數(shù)對樁土應力分擔占比的控制公式。目前這些樁土應力比計算公式存在參數(shù)多而計算煩瑣的問題,不便于推廣應用。

基于模型試驗結果分析得知,當褥墊層厚度一定,荷載較小時,樁土應力比增速快,隨著荷載不斷增加,樁土應力比增速逐漸減緩至趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。即在褥墊層厚度一定情況下,樁土應力比曲線斜率隨荷載變化總體呈現(xiàn)先大后小的規(guī)律,存在明顯的非線性關系;隨著褥墊層厚度的增加,樁土應力比的整體增速逐漸減小。因此筆者擬合出一個考慮褥墊層厚度的樁土應力比經(jīng)驗公式:

n=a(1-e-bx)cH

(1)

式中,n為樁土應力比,H為褥墊層厚度與樁徑的比值(表3),x為歸一化的荷載值,a、b、c為擬合參數(shù)。

表3 褥墊層與樁徑比值參數(shù)

圖10為經(jīng)驗公式計算值與模型試驗對比結果,筆者提出考慮褥墊層厚度的樁土應力比經(jīng)驗公式與試驗結果較為吻合,能夠體現(xiàn)樁土應力比隨荷載增加先快速上升后增速減緩的規(guī)律,可以反映隨褥墊層增加樁土應力比下降的特征。經(jīng)驗公式能合理體現(xiàn)樁土應力比隨荷載和褥墊層厚度變化的特性。

圖10 試驗數(shù)據(jù)與模型曲線對比

4 結論

(1)褥墊層厚度對大直徑CFG樁復合地基影響顯著。褥墊層厚度一定時,樁土應力比隨荷載增大先快速上升后趨于穩(wěn)定;隨褥墊層厚度增大,樁土應力比逐漸減小。

(2)在加載初期,樁間土承載面積比樁體的大,樁間土承擔大部分荷載,但由于樁土剛度差異顯著,隨著荷載增加,大直徑CFG樁承擔荷載能力逐漸發(fā)揮,樁體荷載分擔占比快速增加,樁土應力比上升。

(3)褥墊層厚度對樁土應力分配起著重要作用。褥墊層厚度過薄不利于樁間土承載能力的發(fā)揮,褥墊層過厚不利于樁體承載能力的發(fā)揮。砂土地基中,當樁土應力比為5.4～11.2,褥墊層厚度合理取值范圍為0.37d～0.74d,略大于現(xiàn)有規(guī)范的0.4d～0.6d參考值。

(4)基于不同褥墊層厚度下樁土應力比曲線特征,提出了能反映褥墊層厚度的樁土應力比經(jīng)驗公式,可為大直徑CFG樁復合地基設計時提供參考。