丁選明，孔綱強,，劉漢龍，呂亞茹

（1.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3. Department of Civil Engineering, The University of Akron, Akron, Ohio 44325-3905, USA）

1 引 言

由于施工效率高、工后總沉降和差異沉降小、處理費用低等綜合優(yōu)勢，剛性樁復(fù)合地基被廣泛地應(yīng)用于沿海、沿江高速公路、高速鐵路、岸堤及工業(yè)廠區(qū)軟土地基處理工程中[1－3]?，F(xiàn)澆X形混凝土樁（簡稱X形樁）技術(shù)就是一種通過改變樁基橫截面形式來提高單位體積材料樁側(cè)摩阻力的新型地基加固技術(shù)（專利號：ZL200710020306.3）[4]。與傳統(tǒng)灌注樁技術(shù)相比，X形樁由于其具有較大的單位體積材料比表面積，在具體特定方向上提高抗彎能力，充分發(fā)揮樁身材料的潛力，因而可以在不增加工程量的前提下大幅提高單樁承載力，從而提高性能價格比[5]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對各種橫截面異形樁進(jìn)行了研究并取得了一定的成果：法國Soletach公司首先提出barrette（壁板樁）處治方法，其橫截面一般為矩形，有時為了更好地承受外部荷載或與地基上部柱的排列相協(xié)調(diào)，十字形、T形、Y形、L形、I形和H形等截面形式也被采納[6－7]。林天健[8]對現(xiàn)代異形樁及其力學(xué)特點進(jìn)行了總結(jié)和理論評述，指出了近幾十年的研究現(xiàn)狀。雷國輝等[9－10]針對壁板樁分析了群樁布置形式、長寬比、樁徑比、樁與樁之間的相對寬度、樁土剛度比以及泊松比等因素對其群樁-土-承臺相互共同作用的影響。楊敏等[11]針對幾種異形截面樁進(jìn)行了技術(shù)特性和承載力特性比較分析，并指出異形樁在理論上可行，其設(shè)計及檢測等方法有待進(jìn)一步研究完善。徐立新等[12]介紹了申蘇浙皖高速公路工程中Y形樁試驗段的現(xiàn)場觀測成果，并對路堤荷載作用下Y形樁的工程應(yīng)用情況進(jìn)行了簡單介紹。陳永輝等[13－14]結(jié)合申嘉湖高速公路嘉興段Y形樁處理橋頭軟基工程，進(jìn)行了Y形樁單樁、復(fù)合地基單樁以及等混凝土用量圓形樁等現(xiàn)場試驗，續(xù)而研究了Y形樁截面幾何特性，并建立了考慮充盈折減系數(shù)和反拱弱化折減系數(shù)的Y形樁極限側(cè)摩阻力計算方法，單樁及路堤荷載作用下復(fù)合地基沉降計算方法。陳育民等[15]對現(xiàn)澆X形混凝土樁的施工工藝、截面形式以及工程應(yīng)用情況進(jìn)行了簡單概況。雍君等[16]針對現(xiàn)澆X形混凝土樁的單樁豎向抗拔受力特性，進(jìn)行了大型模型槽試驗研究，并與等量混凝土圓形樁進(jìn)行了對比試驗分析。但尚未針對 X形樁在復(fù)合地基形式工程應(yīng)用中樁-土荷載傳遞規(guī)律開展研究。

因此，本文結(jié)合某污水處理廠軟基處理工程，開展 X形樁復(fù)合地基中樁-土荷載傳遞規(guī)律的現(xiàn)場試驗，測得荷載-沉降關(guān)系，樁-土荷載分擔(dān)比、樁-土應(yīng)力比，以及樁身軸力等發(fā)展情況，分析不同工況下復(fù)合地基中樁-土協(xié)調(diào)相互作用和中性點位置規(guī)律；并進(jìn)行等混凝土用量圓形樁和X形樁的單樁靜載荷試驗作為對比分析。

2 工程概況及現(xiàn)場土性參數(shù)

擬建某污水處理廠場地位于南京市浦泗路南側(cè)，擬建蘇寧威尼斯水城的北側(cè)，地面吳淞高程約7.5 m左右，場地地貌單元為長江漫灘。場地地下水屬潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深在地面下 1.89～2.11 m（即吳淞高程為5.25～5.99 m），含水層主要為填土層及新近沉積土層，其富水性、透水性各不相同，變幅為0.5～1.0 m。場地?zé)o可液化土層分布及巖溶、土洞等不良地質(zhì)作用存在。

污水處理廠廠區(qū)按使用功能分為泵房、反應(yīng)池、沉淀池等各不同區(qū)域；根據(jù)不同功能區(qū)域?qū)Φ鼗休d力要求的不同，設(shè)計地基處理方案如下：（1）改良 AAO反應(yīng)池、二沉池和高效混凝土沉淀池按樁基礎(chǔ)設(shè)計，采用C25鋼筋混凝土X形樁，鋼筋籠主筋采用4φ12 mm，箍筋采用φ6.5 mm@300 mm，其中保護(hù)層厚度不小于250 mm，鋼筋混凝土X形樁錨入構(gòu)建物底邊。（2）曝氣生物濾池和污泥回流泵房按復(fù)合地基設(shè)計，采用現(xiàn)澆CFG混合料X形樁，其中，曝氣生物濾池設(shè)置樁長為10 m、樁間距1.9 m的正方形布置X形樁，污泥回流泵房設(shè)置樁長11 m、樁間距1.8 m的正方形布置X形樁。

現(xiàn)場地面平整、土層分布均勻，具體土性參數(shù)如表1所示；現(xiàn)場土體CPT測試比貫入阻力如圖1所示。

表1 現(xiàn)場試驗場地土性參數(shù)表Table 1 Soil parameters in field test site

圖1 現(xiàn)場試驗場地土性CPT測試結(jié)果Fig.1 Results of CPT test for field test site

3 試驗工況及模型樁概況

結(jié)合實際工程需要，本文針對現(xiàn)澆X形混凝土工程樁，進(jìn)行考慮不同樁長、樁間距以及布置形式等工況下，現(xiàn)場復(fù)合地基中樁-土荷載傳遞規(guī)律試驗，測得荷載-位移曲線、樁-土荷載分擔(dān)、樁-土應(yīng)力比以及樁身軸力分布，并分析樁-土相互作用及中性點位置等剛性樁復(fù)合地基受力分布規(guī)律。為了對比研究，進(jìn)行了等混凝土用量圓形樁和X形樁的現(xiàn)場靜載荷試驗。具體現(xiàn)場試驗工況如表2所示。X形樁現(xiàn)場施工完成后的實物與X形樁橫截面示意圖如2所示。結(jié)合污水處理廠軟基處理實際需要，本工程項目X形樁具體設(shè)計參數(shù)如表3所示。在各工況樁頂和樁周土表層布置土壓力盒分別測試樁頂應(yīng)力和土體應(yīng)力；在工況1中X形樁鋼筋籠上布置8組鋼筋應(yīng)力計，測定不同荷載等級下樁身軸力分布規(guī)律以及樁側(cè)摩阻力分布情況。

表2 現(xiàn)場試驗工況Table 2 Conditions of field test

圖2 現(xiàn)澆X形樁樁頭實物與示意圖Fig.2 Physical and schematic diagrams of the XCC pile head

表3 現(xiàn)澆X形樁設(shè)計參數(shù)列表Table 3 Design parameters of XCC pile

4 現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析

4.1 荷載-沉降關(guān)系

由圖3(a)可知，X形樁單樁荷載-沉降關(guān)系規(guī)律與圓形樁類似；X形樁與圓形樁的單樁極限承載力分別為860 kN和720 kN，X形樁單樁極限承載力較圓形樁提高了19.4 %左右。由圖3(b)可知，不同工況下，X形樁單樁復(fù)合地基荷載-沉降關(guān)系規(guī)律相類似，均為緩變型；限于樁體尚未加載到破壞階段，且承載力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求，根據(jù)規(guī)范規(guī)定取最大加載值作為極限承載力值；X形樁（S=2.00 m，L=7.5 m）與（S=2.30 m，L=10.5 m）的單樁復(fù)合地基極限承載力分別為151 kPa和101 kPa；由此可見，減少樁間距比增加樁長，對提高復(fù)合地基承載力更有效。

圖3 荷載-沉降關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves of load-settlement

4.2 樁-土荷載分擔(dān)比

由圖4可知，不同布置形式（正方形或梅花形）下的 X形樁樁-土荷載分擔(dān)比與豎向荷載關(guān)系變化規(guī)律相類似；均隨著豎向荷載的增加樁體分擔(dān)的荷載逐漸增加，土體分擔(dān)的荷載逐漸減少；但由于受樁間距、樁長等因素影響，復(fù)合地基中樁體所分擔(dān)的荷載增長速率，以及樁-土協(xié)調(diào)作用后樁體最終達(dá)到穩(wěn)定時所分擔(dān)的荷載比值各不相同。隨著樁間距的減小或者樁長的增長，復(fù)合地基中樁體的荷載分擔(dān)比值會有所增加。

圖4 X形樁樁-土荷載分擔(dān)比與荷載關(guān)系曲線圖Fig.4 Curves of XCC pile-soil load sharing ratio versus vertical load on different group arrangements

4.3 樁-土應(yīng)力比

由圖5可知，不同工況下，X形樁樁-土應(yīng)力比均隨著豎向荷載等級的增加而增大；這與普通圓形樁樁-土應(yīng)力比和豎向荷載等級關(guān)系相類似，具體可參照文獻(xiàn)[3]等結(jié)果。隨著樁間距、樁長等因素的變化，樁-土應(yīng)力比隨豎向荷載等級增長的速率各不相同。同樁長情況，樁-土應(yīng)力比隨豎向荷載等級增長速率隨著樁間距的增加而減??；樁-土應(yīng)力比隨豎向荷載等級增長速率變化受樁長變化情況影響顯著。

圖5 X形樁樁-土應(yīng)力比與豎向荷載關(guān)系曲線圖Fig.5 Curves of XCC pile-soil stress ratio versus vertical load under different conditions

4.4 樁身軸力分布規(guī)律

以正方形布置情況下，樁長為 7.5 m、樁間距為2.0 m的X形樁（工況1）的樁身軸力分布情況為例。由圖6可知，隨著豎向荷載等級的增加，樁身軸力（Ff）也逐漸增大；X形樁樁身軸力沿樁深方向先增大后減小，并在樁體-1.3 m深度處（即在0.2倍樁長處）達(dá)到最大值。樁身軸力分布規(guī)律與文獻(xiàn)[2－3]等圓形樁基復(fù)合地基，文獻(xiàn)[12]等 Y 形樁復(fù)合地基中樁身軸力分布規(guī)律相類似。

圖6 不同豎向荷載作用下樁身軸力分布圖Fig.6 Distributions of axial force of pile shaft along pile depth under different vertical loads

4.5 樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律

同樣以工況1的樁側(cè)摩阻力分布情況為例。由圖 7可知，X形樁樁側(cè)摩阻力（fs）分布規(guī)律與文獻(xiàn)[2－3]等復(fù)合地基中圓形樁的分布規(guī)律類似；在樁體-1.5 m深度（即在0.2倍樁長處）以上樁側(cè)受負(fù)摩阻力作用，并在-0.9 m深度處達(dá)到最大值；在樁體-1.5 m深度以下樁側(cè)受正摩阻力作用，并在-1.7 m深度處達(dá)到最大值。樁側(cè)摩阻力隨著豎向荷載等級的增加而增大，正摩阻力最大值約為同等級負(fù)摩阻力最大值的140 %。在樁深-4.0 m以下，同等級荷載下，樁側(cè)摩阻力值趨于一致，數(shù)值變化相對較小。

圖7 不同豎向荷載作用下樁側(cè)摩阻力分布圖Fig.7 Distributions of friction of pile shaft along pile depth under different vertical loads

5 結(jié) 論

（1）本文試驗條件下，復(fù)合地基中現(xiàn)澆X形混凝土樁樁側(cè)正、負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)化發(fā)生在0.2倍樁長處，中性面上下出現(xiàn)樁側(cè)摩阻力最大值，且正摩阻力最大值約為其負(fù)摩阻力最大值的140 %。

（2）同等條件下，樁-土應(yīng)力比隨豎向荷載等級增長速率隨著樁間距的增加而減小；不同樁長、樁間距以及群樁布置形式下，現(xiàn)澆X形混凝土樁復(fù)合地基中樁-土荷載分擔(dān)比、樁-土應(yīng)力比以及樁身軸力分布規(guī)律相類似。

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