張麗華,蔡景珞,葉澤川,張昌進,劉海波

(華北科技學院建筑工程學院,河北 三河 101601)

剛性組合樁復合地基沉降特性的試驗研究

張麗華,蔡景珞,葉澤川,張昌進,劉海波

(華北科技學院建筑工程學院,河北 三河 101601)

為了進一步探索剛性組合樁復合地基的沉降規(guī)律，設(shè)計了模型試驗加載系統(tǒng)及實驗箱，進行了十二組剛性組合樁復合地基試驗研究，分別在長短樁共同加區(qū)、短樁與下臥層交接面、僅有長樁加固區(qū)、長樁與下臥層交接面埋設(shè)了沉降標，測得了長短樁組合的復合地基在不同深度處隨樁長、樁徑、樁距變化的沉降規(guī)律，分析了長短樁共同加固區(qū)、僅有長樁的加固區(qū)、長短樁與下臥層交接處、同一深度處不同影響因素沉降特征及同一影響因素不同深度處的沉降特征。試驗結(jié)果表明：長樁樁長主控效果顯著，長樁樁長、樁徑、樁距對沉降影響在長短樁共同加回區(qū)表現(xiàn)更為突出，在僅有長樁加固區(qū)各影響因素對沉降影響差異不大。

復合地基；剛性組合樁；試驗研究；沉降規(guī)律

高層及超高層建筑發(fā)展，使得在復合地基處理設(shè)計中，地基變形控制這一設(shè)計目標越來越重要。在復合地基中組合樁復合地基處理技術(shù)的工程應(yīng)用，地基處理的沉降計算及相關(guān)問題還沒有很好地解決[1-2]，尤其是長短組合樁復合地基沉降計算及理論研究，還滯后于工程實際的應(yīng)用。組合樁處理的復合地基工程實測沉降值與現(xiàn)行理論計算值之間還存在較大差異[3-4]。為此，本文對長短組合的剛性樁復合地基沿深度方向沉降變化規(guī)律進行了試驗研究，力求更進一步探索總沉降規(guī)律、長短樁加固區(qū)、長樁單獨加固區(qū)的沉降性狀，為組合樁復合地基沉降理論及計算研究提供一些借鑒。

1 試驗研究

1.1 試驗系統(tǒng)及試驗方案設(shè)計

設(shè)計土工試驗箱及加載系統(tǒng)，巖土試驗箱尺寸設(shè)計長×寬×高：3000mm×1600mm×2000mm，框架采用L80×8的角鋼焊接成，正面采用鋼化玻璃，一側(cè)面采用三塊厚度8mm可拆卸的鋼板，底板采用厚度16mm的鋼板，在加載過程中試驗箱自身最大變形量不大于1mm。針對不同樁徑、樁距、樁長設(shè)計了多組試驗，分別對組合樁復合地基沉降規(guī)律、樁間土應(yīng)力規(guī)律、樁身應(yīng)力規(guī)律，以及樁土相互作用規(guī)律進行了研究。

加載裝置采用手動液壓千斤頂作為動力單元。滾珠絲杠傳動機構(gòu)采用活塞桿全封閉處理，壓樁速度連續(xù)可調(diào)，并可進行靜壓，最大靜荷載50kN，工作行程1000mm。加載點可在加載框架平面內(nèi)任意移動，可實現(xiàn)在任意位置進行實驗。同時配有調(diào)平裝置、導向裝置，保證樁體在實驗過程不發(fā)生傾斜，從而獲得較好的實驗效果。加載裝置具有位移控制、速度控制等多種控制模式，可根據(jù)需要進行多種形式的實驗。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，在加載過程中，自動實時采集應(yīng)變片和應(yīng)力盒的數(shù)據(jù)，每秒采集30次。

試驗研究共4類12組，如表1所示，第一類對人工重塑的“天然地基”進行承載力及沉降試驗，以便對比。試驗用土取自華北科技學院教學樓基礎(chǔ)施工開挖土，采用上下均勻一致的土層，干密度為1.52g/cm3,含水率6.8%，液限為17.97%,塑限15.58%。墊層采用3cm厚的粒徑過5mm篩碎砂石。第二類選擇3.5cm 直徑的素混凝土樁組成群樁(5長4短)，通過改變樁身長度(樁的長細比)，短樁長度不變，長樁變換長度，分別為60cm、55cm、50cm，開展三組試驗。第三類通過改變樁的直徑，選擇4.5cm(5.5cm)直徑的素混凝土樁組成群樁(5長4短)，短樁長度不變，變換長樁長度，分別為60cm、55cm、50cm，開展三組試驗。第四類通過改變樁距，樁距由3D增加至4D，選擇3.5cm直徑的素混凝土樁組成群樁(5長4短)開展試驗。

1.2 沉降標設(shè)置及沉降觀測

為了研究地基不同深度變形大小，制作了若干沉降標埋置于相應(yīng)土層。樁的布置及沉降標埋設(shè)見圖1，實驗時，除安放百分表觀測沉降數(shù)據(jù)外，還在沉降標和加載板四角貼上標尺，在試驗箱3m外布置兩臺S1級水準儀，同時測量加載板的沉降。

表1 實驗參數(shù)

圖1 沉降標布置圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 樁長變化對沉降的影響

在組合樁復合地基中，長樁為主控樁，它能夠?qū)⒑奢d傳遞到地基深處承載力良好的持力層，從而減小土層壓縮變形，達到提高地基承載力、減小沉降量的目的。短樁雖然也有相同的作用，但在軟弱地基沉降變形的控制上，長樁顯然起到更大的作用。并且在地基設(shè)計中，長樁長度的選擇也直接影響著地基的安全和成本。所以試驗研究長樁長度變化對于地基沉降變形的影響。

本文選取了五組試驗，長樁長度從450mm到650mm，短樁長度均為300mm不變，樁徑、樁距、樁身模量、荷載等其他條件一致。重點進行長短樁共同加固區(qū)，加密短樁樁底的沉降標的布置。

從圖2～8可以看出，沿地基深度方向，隨著樁長增大，復合地基沉降量減小，說明增加長樁長度對于控制復合地基沉降變形有顯著的效果。尤其是長短樁共同加固區(qū)，長樁樁長變化對沉降影響顯著。僅有長樁的加固區(qū)，隨深度增大隨樁長變化沉沉量減少幅度相差不大。

2.2 樁徑變化對沉降影響

樁徑的選擇同樣是地基設(shè)計時需要重點考慮的問題，不僅要考慮成本和沉降變形控制，還要考慮施工條件地質(zhì)條件等因素。

本文進行35mm、45mm、 55mm三組試驗研究， 55mm這一組數(shù)據(jù)通過數(shù)值模擬而得。其中三組試驗除樁徑變化外，樁長、樁距、樁身模量、墊層等條件均保持一致。從圖9～13各個深度處的三組沉降數(shù)據(jù)對比分析我們可以看出隨樁徑增大沉降量減小。35mm這組試驗的沉降量從樁頂?shù)?5cm深度每一處的沉降量均大于45mm這組試驗，從圖11可以看出,復合地基不同深度處沉降量隨樁徑增大而收斂。沉降量在加固區(qū)范圍內(nèi)隨深度增加而減小，但是其衰減量的差異性不大。

2.3 樁距對地基沉降影響的分析

探討樁間距對組合樁復合地基沉降變形的影響。通常，實際工程中若考慮到沉降控制，樁間距一般為4D～6D，當樁間距大于6D時則可以不考慮群樁效應(yīng)[5]。樁間距的大小，不僅影響到工程的成本，也影響施工的難易程度，更加影響到復合地基沉降變形的大小。主要選取兩組試驗(樁凈距分別為3D和4D)，來進行對比分析。從圖14～19可以看出，復合地基沉降量隨著樁間距增大而增大。其主要原因在于樁間距增大，從而導致單樁需要加固的范圍增大。從沉降計算上來考慮，由于地基置換率降低，其加固區(qū)的復合模量降低，從而導致沉降變形增大。

圖2 荷載板沉降曲線

圖3 樁頂下15cm處沉降曲線

圖4 樁頂下30cm處沉降曲線

圖5 樁頂下45cm處沉降曲線

圖6 樁頂下60cm處沉降曲線

圖7 樁頂下不同位置處沉降隨樁長變化曲線

圖8 不同樁長沉降沿深度變化曲線

圖9 荷載板沉降曲線圖

圖10 樁頂下15cm處沉降曲線

圖11 樁頂下45cm處沉降曲線

圖12 樁頂下不同深度處沉降隨樁徑變化曲線

圖13 不同樁徑沉降量沿深度變化曲線

圖14 荷載板沉降曲線

圖15 樁頂下15cm處沉降曲線

圖16 樁頂下30cm處沉降曲線

圖17 樁頂下45cm處沉降曲線

圖18 樁頂下60cm處沉降曲線

圖19 不同樁距沉降沿深度變化曲線

3 結(jié)論

1)樁長對沉降的影響，增加長樁長度，對組合樁復合地基沉降有顯著的控制效果，沿地基深度方向，隨著樁長增大，復合地基沉降量減小，尤其是長短樁共同加固區(qū)，長樁樁長變化對沉降影響更為突出。僅有長樁的加固區(qū)，隨深度增大因樁長變化沉降量減少幅度相差不大。

2)組合樁復合地基不同深度處沉降量隨樁徑增大而減少，衰減量差異不大。在長短樁共同加固區(qū)范圍內(nèi)，沉降沿深度方向，沉降量衰減較快；在短樁樁端與地基交接平面處，地基沉降隨樁徑變化，沉降量變化梯度較小。

3)復合地基沉降隨樁間距增大而增大, 沉降量沿深度方向逐漸衰減，在長短樁共同加固區(qū)衰減較快，在僅有長樁的加固區(qū)沉降衰減差異不大。

[1] 池躍軍，宋二祥，陳肇元.剛性樁復合地基沉降計算方法的探討及應(yīng)用[J].土木工程學報,2003，36(11)：19-23.

[2] 楊光華，范澤，姜燕，等.剛性樁復合地基沉降計算的簡化方法[J].巖土力學,2015，36(S1)：76-84.

[3] 張欽喜，潘旭亮，陳鵬，等.CFG樁復合地基沉降計算方法[J].北京工業(yè)大學學報,2012，38(6)：835-839.

[4] 王叫瑾，謝新宇，方鵬飛，等.剛性長短樁組合樁的非線性沉降計算分析[J].浙江大學學報:工學版,2014,38(3):463-470.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-2012)[S].2012.

Experimental study on settlement characteristics of rigid pile composite foundation

ZHANG Lihua, CAI Jingluo, YE Zechuan, ZHANG Changjin, LIU Haibo

(School of Civil Engineering，North China Institute of Science and Technology， Sanhe 065201，China)

In order to further explore the settlement regularity of rigid composite pile composite foundation. Experiment on 12 groups of rigid combined-pile composite foundations are studied based on the designed model test loading system and experimental box. Settlement standard are embedded in the long-short piles combined reinforced area, the interface between short pile and subsoil, long pile reinforced area and the interface between pong pile and substratum. The settlement law of long-short pile combined composite foundation with different pile-length, pile-diameter and pile-spacing of is measured at different depths. In addition, the settlement characteristics of different influencing factors at the same depth and different depths for the same factors are analyzed in the long-short piles combined reinforced area, the interface between short pile and subsoil, long pile reinforced area and the interface between pong pile and substratum. It can be concluded that, the main control effect of the square pile length is remarkable. Effect of pile length, pile diameter and pile spacing on the settlement is more obvious in the long-short piles combined reinforced area. However, there are no significant differences in the influence of parameters above mentioned on the settlement of long pile reinforced area.

composite foundation; rigid composite pile; experimental study; settlement regularity

2016-06-20

TU433

A

1004-4051(2016)12-0128-04