段 旭，董 琪，門玉明，葉萬軍，李秉書

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安710054；2.陜西科技控股集團有限責任公司，陜西 西安710003；3.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安710054；4.武警黃金部隊第五支隊，陜西 西安710100)

隨著西部山區(qū)建設(shè)用地需求越來越大，土地資源日益緊張，黃土地區(qū)擴展城市空間的填方造地項目不斷涌現(xiàn).延安新區(qū)項目作為黃土地區(qū)規(guī)模最大的填方造地項目，最大填筑厚度100 m以上，目前已通過填方1.63億m3，人工造地10.5 km2，有效擴展了延安城市的發(fā)展空間.黃土高填方工程填筑高度高，原始地形復雜，不均勻沉降問題備受關(guān)注，國內(nèi)外學者的研究表明高填方的工后沉降發(fā)展受填土物理力學性質(zhì)、初始飽和度、水環(huán)境變化等因素的綜合影響[1-6].根據(jù)筆者在延安新區(qū)高填方場地工后沉降的持續(xù)監(jiān)測表明，填方場地地表與填筑體內(nèi)部深層土體壓縮變形量大，挖填結(jié)合部位地表表現(xiàn)出較為明顯的不均勻沉降[7].

延安新區(qū)一期巖土工程部分已基本竣工，目前主要在挖方區(qū)中進行工程建設(shè)，一方面在等待高填方的沉降穩(wěn)定，另一方面國內(nèi)已出現(xiàn)多起由于對填土等軟弱地基處理不當導致基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)變形破壞的案例[8-10]，關(guān)于在大厚度填方區(qū)以及挖填結(jié)合區(qū)中能否進行建構(gòu)筑物建設(shè)以及應采取何種措施控制變形等問題一直備受爭論.

目前，國內(nèi)對高填方場地中建筑物基礎(chǔ)變形破壞機理方面的研究不多，徐欣[11]在對黃土梁峁地區(qū)常用基礎(chǔ)形式及持力層分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖土體工程地質(zhì)特征對適合作基礎(chǔ)持力層的土層作了分析.華遵孟[12]根據(jù)實際工程經(jīng)驗，對溝谷地形中黃土高填方場地上的地基處理方法與基礎(chǔ)形式的選擇問題進行了討論，提出在挖填改造區(qū)場地采用淺基礎(chǔ)時的注意事項.吳旭君[13]針對大面積填方的復雜工程地質(zhì)條件，對天然地基、復合地基等地基基礎(chǔ)方案的經(jīng)濟、技術(shù)、工期等綜合分析和比較，最終采用CFG樁復合地基方案對該區(qū)獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)進行計算并設(shè)計布樁.樁筏基礎(chǔ)方面，國內(nèi)張武[12]先后進行了一系列非密實砂土、軟土中的群樁載荷試驗.王幼青等[13]對樁-土-承臺的相互作用規(guī)律進行了研究.宰金珉[14-15]提出了各具特色的復合樁基設(shè)計理論.

綜上所述，國內(nèi)對不均勻地基中樁筏基礎(chǔ)的受力及變形狀態(tài)有一定的研究成果，但針對黃土溝壑地區(qū)高填方工程中形成的挖填結(jié)合場地，還沒有關(guān)于樁筏基礎(chǔ)的變形受力狀態(tài)研究.本文通過模型試驗針對黃土挖填結(jié)合場地建立巖土介質(zhì)模型，模擬局部伸入挖填結(jié)合場地的樁筏基礎(chǔ)的變形及受力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出變形控制措施，為實際工程提供參考.

1 試驗設(shè)計

1.1 相似關(guān)系與模型結(jié)構(gòu)

為了使模型試驗反映工程實際情況，在模型試驗的設(shè)計中要盡量體現(xiàn)試驗原型的應力—應變關(guān)系及其變形破壞規(guī)律、特征.目前，模型試驗設(shè)計相關(guān)的相似理論的運用已相對較成熟，本文試驗模型中各參數(shù)均依據(jù)相似三定理[17]設(shè)計.

根據(jù)相似理論，計算得出模型樁筏基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)的配筋：樁筏基礎(chǔ)中筏板橫向配筋為φ6@250(雙層配筋)，縱向配筋為φ10@200(雙層配筋)，灌注樁縱筋為6根φ6、箍筋為φ3@100；筏板基礎(chǔ)配筋設(shè)計與樁筏基礎(chǔ)的筏板一致，樁筏基礎(chǔ)配筋和筏板基礎(chǔ)配筋如圖2所示.

表1 模型試驗相似關(guān)系Tab.1 Model test similarity relation

圖1 模型設(shè)計圖Fig.1 Profile of model test design

圖2 模型配筋圖(單位：mm)Fig.2 Design of model reinforcement/mm

3)模型土體材料

延安新區(qū)中挖填結(jié)合部位通過開挖接坡臺階的工藝進行填筑，在原始坡體中開挖接坡臺階，逐層虛鋪0.3～0.8 m后灑水，通過振動碾逐層壓實至壓實度標準，挖填結(jié)合部位采用強夯方法加強填土與原始土體的連結(jié).試驗中按照實際工程中的施工工藝，在挖方坡體開挖接坡臺階，每級臺階高50 cm、寬50 cm.采用西安北郊均質(zhì)黃土人工分層夯實制作，為保證挖方區(qū)和填方區(qū)地基土的壓縮性差異滿足要求，對挖方區(qū)土體夯擊3遍，并靜置至其自身沉降穩(wěn)定(小于0.01 mm/d)，填方區(qū)土體夯擊2遍；通過室內(nèi)土工試驗，獲得的試驗場地地層參數(shù)見表2.

表2 土體相似材料物理力學參數(shù)Tab.2 Similar material physical and mechanical parameters of surrounding soil

1.2 測試內(nèi)容

(1)位移、沉降

為了量測填土頂面和模型基礎(chǔ)的沉降，分別在基礎(chǔ)周圍的地表和基礎(chǔ)的四角布設(shè)了沉降觀測點，樁筏基礎(chǔ)模型試驗及筏板基礎(chǔ)模型試驗各設(shè)兩條測線，位移計布設(shè)如圖3所示，地面沉降觀測點與基礎(chǔ)沉降觀測點相對應.

圖3 位移計布設(shè)圖(單位：mm)Fig.3 displacement meter layout(Unit:mm)

(2)應變

(a)鉆孔灌注樁主筋應變.試驗主要用于結(jié)構(gòu)應力應變研究，因此主要獲取其結(jié)構(gòu)的應力應變變化曲線.試驗中采用應變片測試主筋應變，如圖4所示. 每根樁由距離樁頂0.15 m處開始，每隔0.4 m設(shè)置一個測試斷面，共設(shè)置6個測試斷面；每根樁從樁頂?shù)綐兜赘鳒y試斷面的應變片編號為1-6號，用W、S、E、N分別表示樁的西、南、東、北四個方向的縱向鋼筋，其中S為挖方區(qū)方向，N為填方區(qū)方向.

(b)樁筏基礎(chǔ)筏板鋼筋應變.等間距選取樁筏基礎(chǔ)的筏板縱向鋼筋9根布設(shè)9條測線，測線編號為測線1至測線9(由東向西)；每條測線等間距布設(shè)16個應變片，應變片編號1至16(由南向北)，通過對縱筋應變數(shù)據(jù)的采集、處理、分析，結(jié)合位移數(shù)據(jù)、筏板表面應變數(shù)據(jù)、筏板表面裂縫情況，研究樁筏基礎(chǔ)筏板在挖填地基中的受力及變形破壞特征.

圖4 應變片布設(shè)圖(單位：mm)Fig.4 layout of strain gauge(Unit:mm)

(3)土壓力

土壓力量測：土壓力盒從下到上共布設(shè)四層，基礎(chǔ)范圍內(nèi)布設(shè)橫向壓力盒，在基礎(chǔ)前側(cè)填方區(qū)布設(shè)豎向壓力盒，壓力盒布置如圖5所示.

圖5 土壓力盒布設(shè)圖(單位：mm)Fig.5 layout of earth pressure box(Unit:mm)

(4)加載設(shè)計

試驗中為了施工方便及加載穩(wěn)定，全部采用沙袋均勻堆載的方式加載.模基礎(chǔ)配重采取沙袋，即把沙袋均勻的堆放到基礎(chǔ)上.本次基礎(chǔ)加載為面荷載，根據(jù)相似關(guān)系，樁筏基礎(chǔ)最大荷載達到19.6kPa，試驗中模型的制作與加載過程見圖6.

圖6 模型制作與加載過程照片F(xiàn)ig.6 photos of model making and loading process

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 位移數(shù)據(jù)分析

圖7、圖8分別為樁筏基礎(chǔ)挖方一側(cè)與填方一側(cè)位移數(shù)據(jù)，可以看出，各級加載過程中，填方區(qū)沉降量均大于挖方區(qū)，這是由于填方區(qū)土體壓縮系數(shù)大于挖方區(qū)土體，相同荷載作用下填方區(qū)土體更易發(fā)生變形；最終荷載量19.6 kPa時，樁筏基礎(chǔ)在挖方區(qū)、填方區(qū)沉降差0.62 mm，基礎(chǔ)角部豎向位移明顯大于周圍土體.

圖7 挖方一側(cè)基礎(chǔ)沉降過程曲線Fig.7 Settlement curve of foundation on excavation side

圖8 填方一側(cè)基礎(chǔ)沉降過程曲線Fig.8 Settlement curve of foundation on filling side

2.2 應變數(shù)據(jù)分析

(1)筏板縱筋應變分析

在樁筏基礎(chǔ)筏板縱向鋼筋外表面粘貼應變片，測線1-9對稱分布，選取一側(cè)的測線1、2、3、4、5進行處理.由圖9(a)—(f)可以看出，筏板上正彎曲應變主要集中在挖填結(jié)合區(qū)及挖方區(qū)，負彎曲應變主要集中在填方區(qū)，即筏板在挖方區(qū)上側(cè)受拉，填方區(qū)下側(cè)受拉，在挖填結(jié)合區(qū)挖方區(qū)側(cè)上側(cè)受拉、填方區(qū)側(cè)下側(cè)受拉；筏板的彎曲應變的最大值主要集中在樁間的區(qū)域，最大正向彎曲應變主要集中在填挖結(jié)合區(qū)內(nèi)樁B和樁C之間，最大負向彎曲應變主要集中在純填方區(qū)樁A和樁B之間的范圍.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于純填方區(qū)土體在上部荷載作用下沉降量明顯大于結(jié)合區(qū)和挖方區(qū)，全段位于純填方區(qū)中的樁A得不到足夠的樁周摩阻力，隨樁周土體同步發(fā)生較大的沉降變形，帶動樁間筏板產(chǎn)生負向彎曲應變.且樁C和樁B底部伸入穩(wěn)定的原始土層，承載能力明顯強于樁A，導致樁間筏板產(chǎn)生正向彎曲應變.

樁筏基礎(chǔ)筏板的彎曲狀態(tài)與筏板基礎(chǔ)的主要區(qū)別在于，樁筏基礎(chǔ)中筏板的彎曲變形以樁為間隔，并不連續(xù)，挖填結(jié)合區(qū)以及純填方區(qū)內(nèi)樁間筏板的彎曲變形最為劇烈.筏板基礎(chǔ)的彎曲變形主要取決于基礎(chǔ)淺部地基的沉降情況，由于填土厚度的梯度變化，挖填結(jié)合區(qū)內(nèi)地基土發(fā)生不均勻沉降，是筏板基礎(chǔ)產(chǎn)生彎曲變形的主要位置.

圖9 筏板縱筋應變曲線Fig.9 longitudinal strain curve of raft

(2)樁身應變分析

為負則樁身南側(cè)(挖方區(qū)方向一側(cè))受拉，為正則樁身北側(cè)(填方區(qū)一側(cè))受拉，各樁應變曲線圖如圖10所示.

從樁身彎曲應變曲線可以看出，各樁身彎曲應變規(guī)律基本一致，樁頂部位有較大的負彎曲應變，樁體端部南側(cè)受拉，樁身0.4～1.2 m范圍彎曲應變?yōu)檎?，樁身南?cè)受壓. 樁身1.2～2.4 m范圍彎曲應變較小且為負值，樁身南側(cè)受拉. 各樁彎曲應變樁A(填方區(qū))>樁B(挖填結(jié)合區(qū)，填土厚度1.5 m)≈樁D(挖方區(qū))>樁C(挖填結(jié)合區(qū)，填土厚度0.5 m).基礎(chǔ)和地基土在填方區(qū)的沉降量比挖方區(qū)大，基礎(chǔ)存在水平位移，樁體與筏板基礎(chǔ)為剛性連接，因此各樁樁頂產(chǎn)生較大負彎矩；樁C處于挖填結(jié)合區(qū)，樁體填土厚度小，樁體受地基不均勻沉降影響小，樁B和樁D可對樁C分擔彎矩，因此樁C彎矩較小.

從樁身軸應變曲線可以看出，各樁軸應變沿樁身從樁頂至樁底呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，樁底基本為零；荷載量的增加，各位置軸應變增大；各樁軸應變量樁B最大，樁A最小，這是因為填方區(qū)土體密實度小，樁A端承力小，地基土可提供側(cè)摩阻力小，而與樁A臨近的挖填結(jié)合區(qū)樁B樁底為挖方區(qū)土層，土體密實度較好，能夠較好低為其承擔上部荷載，因此樁B軸應變較大；對比樁軸應變曲線可以看出，均勻土體中樁軸應變集中在距樁頂0～1.4 m范圍內(nèi)較大，且沿樁身軸應變減小速率大，而挖填結(jié)合區(qū)樁B、樁C軸應變集中在距樁頂0～1.8 m范圍內(nèi)較大，沿樁身軸應變較小速率小.

圖10 樁體縱筋應變曲線Fig.10 curve of longitudinal reinforcement

2.3 土壓力數(shù)據(jù)分析

壓力盒位置如圖5所示，其中1-8號均為橫向壓力盒，布設(shè)于相鄰兩樁中間位置，用于監(jiān)測樁間土的豎向壓力；9-12為豎向壓力盒，布設(shè)于樁筏基礎(chǔ)填方區(qū)前緣，用于堆載過程中的坡體水平推力.

(1)豎向土壓力分析

圖11為橫向壓力盒土壓力變化曲線，未加載前地基土壓力設(shè)為零值，由圖可知，樁筏基礎(chǔ)下地基土壓力隨基礎(chǔ)上部荷載量的增加而增大，說明樁筏基礎(chǔ)筏板上部荷載由樁間土和樁體共同承擔；最終荷載量19.6 kPa時，挖方區(qū)和挖填結(jié)合區(qū)樁底土壓力(第一層)比上層土壓力大，在填方區(qū)樁底土壓力比上層小，其中樁B樁底土壓力最大，樁A樁底土壓力最小，這與樁B軸應變最大、樁A軸應變最小相印證.

(2)水平土壓力分析

圖12為豎向壓力盒土壓力變化曲線，由圖12(a)—(b)豎向壓力盒10、12土壓力變化曲線可以看出，基礎(chǔ)前端土壓力在頂層和底層增加量較大，中間兩層增加量小，最終荷載19.6 kPa時坡頂所受水平推力最大，這是受樁筏基礎(chǔ)加載后產(chǎn)生水平位移的影響；對于基礎(chǔ)前端基礎(chǔ)范圍外，整體土壓力增加量較小，距基礎(chǔ)表面1.0 m處土體所受水平推力最大.

圖11 豎向土壓力曲線Fig.11 curve of vertical earth pressure

圖12 水平土壓力曲線Fig.12 curve of horizontal earth pressure

2.4 土體變形裂縫分析

在試驗結(jié)束后開挖剖面對土體和結(jié)構(gòu)物的裂縫破壞形態(tài)進行描繪，如圖13所示，土體破壞主要集中在樁筏基礎(chǔ)邊界位置，樁體周圍和挖填結(jié)合面附近；挖方區(qū)筏板基礎(chǔ)邊界裂縫F1和F2豎向長度約為60～105 cm，受基礎(chǔ)邊界效應的影響，發(fā)生剪切破壞，基礎(chǔ)邊界附近與樁體表面夾角約30°，下部基本呈豎直方向；挖填結(jié)合面附近土體裂縫較多，裂縫F5- F7和裂縫F9、F10均為挖填結(jié)合面附近裂縫，主要集中在結(jié)合面二三級臺階拐角處，土體受到剪切和張拉破壞，裂縫長度20～60 cm，豎直方向；填方區(qū)土體裂縫集中在筏板基礎(chǔ)邊界處，與挖方區(qū)位置基本對應，裂縫F13、F14長約40 cm，與土體垂直；樁間土體裂縫F8摩擦，降低基樁的承載力，加劇基礎(chǔ)的不均勻沉降.基礎(chǔ)端部土體由地表開始發(fā)育數(shù)條垂直向裂縫，伸入地基深處，成為地表水分的垂直入滲的路徑，而延安新區(qū)中填土與原始黃土地基均具有一定的濕陷特性，地表水分的大量入滲將導致地基土體的濕化變形，影響挖填方場地的整體穩(wěn)定.接坡臺階部位原始土體中出現(xiàn)6條垂直方向剪切裂縫，明挖填結(jié)合面處，原始土體承受著較大的壓、剪應力，當剪應力超過土體的抗剪強度，接坡臺階處的原始土體將發(fā)生破壞，直接影響挖填方場地的穩(wěn)定.

圖13 土體裂縫素描圖Fig.13 Sketch map of soil crack

3 力學模型探討

在文克爾地基梁模型的基礎(chǔ)上，考慮挖填結(jié)合區(qū)填方土體與原始土體各自的基床系數(shù)，將樁體簡化為彈簧體系，構(gòu)建適用于挖填結(jié)合區(qū)地基條件的力學模型.

對于樁筏基礎(chǔ)在挖填結(jié)合區(qū)的受力狀態(tài)如圖14所示.可將樁與樁間土體視為彼此獨立的豎向基床：樁間土的基床系數(shù)為ksi；樁的彈簧系數(shù)為kPi，其作用力可通過F=kx獲得.在荷載作用下，區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生與壓力成正比的沉降，區(qū)域外位移為零，位移x為協(xié)調(diào)條件.

圖14 挖填結(jié)合部位樁筏基礎(chǔ)力學模型Fig.14 mechanics model of pile raft foundation

將筏板下的地基在平面上劃分為m個矩形網(wǎng)格，矩形網(wǎng)格尺寸的大小與樁徑相近.取出每個網(wǎng)格柱進行力學分析，每個網(wǎng)格柱的高度與樁長相等，將網(wǎng)格柱視為拉壓構(gòu)件，進而確定其壓縮系數(shù).

得出填土部分的基床系數(shù)為

ksi1=Es1A/L1

(5)

原始土體部分的基床系數(shù)：

ksi2=Es2A/(L-L1)

(6)

挖填結(jié)合區(qū)土基床系數(shù)ks：

(7)

式中：Es1為填方土體壓縮模量，Es2為原始土體的壓縮模量，L1為填方土體平均厚度.

在網(wǎng)格劃分時，出現(xiàn)網(wǎng)格中既有填方區(qū)又有挖方區(qū)的情況時網(wǎng)格的基床系數(shù)可視為并聯(lián)關(guān)系，網(wǎng)格內(nèi)土體的基床系數(shù)為

km=ksi1+ksi2

(8)

其中：ksi1、ksi2分別為網(wǎng)格內(nèi)填土與原始土體的基床系數(shù).

得出樁、填土、原始土、挖填結(jié)合區(qū)土體的基床系數(shù)矩陣后，可以求解出地基土中m個網(wǎng)格的基床系數(shù)為ks1、ks2…ksm，可以得出樁與地基聯(lián)合系數(shù)矩陣：

(9)

根據(jù)文克爾地基模型的統(tǒng)一表達式{R}=[KSP]{S}，可得

(10)

文克爾地基模型中基礎(chǔ)與地基保持位移協(xié)調(diào)的關(guān)系，核心問題是建立樁-土-地基和筏板的系數(shù)矩陣，上文已得出樁與地基的聯(lián)合系數(shù)矩陣，結(jié)合筏板的系數(shù)矩陣，可以得出共同作用基本方程表達式，即挖填結(jié)合地基上樁-土-筏共同作用的計算式：

{[Kr]+[KSP]}[U]=[f]

(11)

其中：[Kr]為筏板自身系數(shù)矩陣；[KSP]為樁土地基系數(shù)矩陣；[U]為筏板節(jié)點位移矩陣；[f]為筏板上部結(jié)構(gòu)荷載節(jié)點力矩陣.

4 結(jié)論

通過開展模型試驗，對黃土挖填結(jié)合部位樁筏基礎(chǔ)在加載過程中的變形-破壞的過程進行模擬，綜合分析應變、位移、土壓力數(shù)據(jù)，得出以下主要結(jié)論：

(1)在文克爾地基梁模型的基礎(chǔ)上，考慮挖填結(jié)合區(qū)填方土體與原始土體各自的基床系數(shù)，將樁體與樁間土簡化為不同k的彈簧體系，構(gòu)建了適用于挖填結(jié)合區(qū)地基條件的筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)的力學模型.

(2)基礎(chǔ)設(shè)計時應避免樁體全段位于填方地基中，基樁底部應深入穩(wěn)定原始土體，并通過對填方地基的預處理提高樁周土體的摩擦力，同時應考慮各樁軸向應變數(shù)值以及峰值位置的差異，有針對性地考慮樁體的承載能力.

(3)根據(jù)模型試驗結(jié)果，不建議在挖填結(jié)合區(qū)內(nèi)布設(shè)建筑物，但是當無法避開挖填結(jié)合區(qū)時，對跨越黃土挖填方場地的筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計、施工提出以下建議：①樁筏基礎(chǔ)跨越挖填結(jié)合區(qū)時，應對基礎(chǔ)范圍內(nèi)的填土進行預處理，防止負摩阻力的產(chǎn)生；②純填方區(qū)內(nèi)的樁體應增大樁徑或減少樁間距，局部可增加配筋，提高抗彎剛度；③挖填結(jié)合區(qū)中的樁體在設(shè)計中應充分考慮水平承載力，試樁后應進行水平承載力試驗.