李九宏，宋榮方

(中州大學工程技術學院，鄭州450044)

砂土中樁筏基礎承載力的模型試驗研究

李九宏，宋榮方

(中州大學工程技術學院，鄭州450044)

本文設計一個試驗模型來研究樁筏基礎的承載力，對樁身軸力和樁頂反力、樁側摩阻力、樁筏基礎的沉降和承載力進行了細致的研究。試驗結果表明:樁頂反力中心樁最小、邊樁稍大、角樁最大;樁側摩阻力的強化效應和退化效應同時存在;群樁基礎的承載力一般由沉降控制。

樁筏基礎;模型試驗;共同作用;承載力

1.引言

近年來，隨著城市建設的發(fā)展，高層建筑越來越多。由于樁筏基礎具有良好的承載能力和減小沉降的功能，故而應用越來越廣泛?？紤]樁－土－承臺共同承擔荷載的樁筏基礎設計理論，可以合理利用承臺下地基承載力，從而減少樁的數(shù)量，取得明顯的經(jīng)濟效益。［1］樁筏基礎的共同作用問題一直是巖土工程界的一個重要課題，也是土木工程設計的一項關鍵技術，近年來很多學者對此進行了大量理論及現(xiàn)場試驗研究，取得了一系列成果［2－4］，但對樁筏基礎極限承載力問題的研究資料相對較少，而模型試驗則是研究這一問題的有效方法。因此開展樁筏基礎在豎向荷載作用下的模型試驗工作對進一步掌握其承載機理，完善樁基礎設計理論具有重要的理論和實際意義。

2.模型試驗方法

2.1 試驗概況

本試驗在一個邊長為1.2m的正方體模型箱中進行，用16根PVC管作為基樁，采用埋入式植樁方法消除擠土效應。共做了不同樁長，不同樁距、不同樁徑的四組試驗，每次試驗樁的中心位置保持不變，通過改變樁徑的方法來調(diào)整樁間距。在樁頂平面上覆一塊邊長為400mm，厚16mm的方形鋼板作為剛性承臺，構成帶承臺群樁基礎。模型箱中填置砂土作為地基土。試驗主要通過測量承臺底的土反力和樁身的應變力對基樁的軸力變化、側摩阻力的發(fā)展、樁頂反力的分布以及樁土分擔比等問題進行研究、探討。

2.2 模型箱

通過參考相關文獻［5］，并考慮到本模型樁基尺寸，最終確定模型箱內(nèi)壁凈空尺寸為:1200mm(長) ×1200mm(寬)×1200mm(高)。模型箱框架用角鋼焊接，四個側面下方加焊12mm厚的鋼板，底部也用12mm的鋼板焊接制成。箱子的四個側面中上部采用12mm厚有機玻璃制作，便于觀測沉降，并在其上用角鋼焊接加固，以滿足側向剛度的要求，如圖1所示。

圖1 模型箱示意圖

2.3 模型樁

經(jīng)過比選，模型樁采用PVC塑料棒，實測其彈性模量為1.089×103MPa。樁長采用700mm和500mm兩種，直徑分別為16mm和25mm，實驗項目見表1所示。

表1 模型試驗各項參數(shù)表

2.4 砂土

正確地選擇砂箱中砂土相似材料，對模型試驗的結果至關重要。加載時，要求砂土具有一定的承載力，模型的沉降大小要合適。經(jīng)過對比多種砂土相似材料，最終選用中砂作為砂土模型相似材料，填砂時控制一定的落砂高度，分層裝填擊實，以保證裝填密度均勻一致。砂土的含水量w=2.94%～3.85%，密度ρ=1.67 g/cm3，孔隙比e=0.81，相對密實度Dr=0.57。

2.5 試驗方法

為測定試驗中樁身軸力，每組試驗選取角樁、邊樁、中心樁各兩根在樁身粘貼電阻應變片，應變片沿樁長6等分點對稱粘貼10片，承臺底土壓力采用DYB－1型電阻應變式土壓力計測量，土壓力計和應變片數(shù)據(jù)由具有80通道的動態(tài)應變測量儀采集。

試驗采用錨樁橫梁反力裝置，利用瑞士產(chǎn)的Amsler脈沖試驗機按照慢速維持荷載法分級加載，每加一級荷載后間隔5、10、15min各測讀一次承臺沉降，以后每隔15min測讀一次，累計1h后每隔30min測讀一次。當1h內(nèi)沉降量小于0.1mm時，即可加下一級荷載。

3.試驗結果分析

3.1 樁軸力及樁頂反力

4D樁距500mm樁長時角樁、邊樁、中心樁的軸力和樁頂反力分布分別如圖2、3所示。

當豎向荷載施加于單樁樁頂時，樁身受荷而產(chǎn)生相對于土的向下位移，與此同時樁側表面受到土向上的摩阻力。樁的軸力通過逐漸發(fā)揮出來的樁側摩阻力傳遞到樁周土層中去，樁身軸力隨深度遞減。由圖2可知，在最初幾級荷載下，由于樁土的相對位移比較小，因而沿樁身的摩阻力也不大，所以樁的軸力衰減速率比較小;隨著荷載的增加，樁身壓縮量和樁身位移量增大，樁土相對位移也增大，樁的摩阻力逐步調(diào)動起來，因而樁的軸力也隨著荷載的增大而從樁頂?shù)綐抖搜杆偎p，同時樁端阻力也隨著樁底土層壓縮程度的提高而增大。

圖2 樁軸力分布圖

圖3 樁頂反力對比圖

由圖3可知，在各級荷載下中心樁分擔的荷載最小，邊樁稍大，角樁最大，與線彈性理論分析結果的總趨勢是一致的，同時也符合剛性筏板下反力的分布規(guī)律。之所以形成這種“倒碗底”形樁頂反力分布，是因為群樁中各樁引起的土中應力的疊加，導致中心樁樁端平面的附加應力偏大，具有更大的沉降趨勢，而各樁的沉降在剛性承臺的約束作用下趨向相等，使得承臺底板的荷載由中心樁向角樁和邊樁轉(zhuǎn)移，導致角樁和邊樁的樁頂反力大于中心樁。

3.2 樁側摩阻力

樁側阻力的發(fā)揮所需要的位移量要比樁端阻力小得多，而一般建筑物和構筑物所允許的沉降量也較小，因此研究豎向荷載作用下側阻的性狀對于進一步研究端阻的性狀以及單樁的豎向承載力是十分必要的。

6D樁距700mm樁長時角樁、邊樁及中心樁的側摩阻力見圖4。

由圖4可知，在加荷初期，由于樁身的壓縮量很小，所以樁側阻力沿樁身從上到下差別不是很大。隨著荷載的增大，樁側阻力也愈來愈大，并且由于樁身壓縮量的增大，樁側阻力沿樁身分布的不均勻性也愈加明顯，在上部樁側阻力達到一個最大值，然后沿樁身向下逐漸減小，在樁身中下部達到一個最小值，然后又逐漸增大，樁端附近得到了加強，整個樁側阻力曲線呈現(xiàn)“R”形分布。本試驗得到的樁側阻力圖與焦－枝復線某大橋鉆孔灌注樁載荷試驗中樁側阻力的測試結果非常相似［6］。很多學者從試驗和理論上證明了“樁側阻力的強化效應”存在［7－8］，本試驗中樁側阻力雖然在樁端附近得到了加強，但是由于試驗中各種因素的影響，其值仍然小于樁身上部樁側阻力最大值，說明樁身下部側阻力沒有得到充分的發(fā)揮。

3.3 樁長與樁筏基礎沉降及承載力的關系

4D樁距500mm及700mm樁長時的荷載－沉降關系曲線如圖5所示。

由圖5可見，初始階段沉降隨荷載的增大而緩慢增大，且兩者近似成線性關系。隨著荷載繼續(xù)的增大，沉降增加的速率加大，兩者仍然呈現(xiàn)明顯的線性關系減弱。由于承臺下地基土對荷載的分擔作用，P－S曲線并沒有像單樁的P－S曲線那樣出現(xiàn)明顯的陡降段。從圖5還可看出，700mm樁長的P－S曲線始終位于500mm樁長的P－S曲線之上。也就是說，在產(chǎn)生相同沉降的條件下，700mm樁長比后者能承擔更大的荷載;同時，如果兩者承擔的荷載大小相等，那么700mm樁長時的沉降小于500mm樁長時的沉降。同時，隨著荷載水平的增大，同一級荷載下兩者沉降的差值也增大。

圖4 樁側摩阻力分布圖

圖5 四組試驗的P－S關系曲線

確定樁筏基礎的極限承載力時，由于P－S曲線為緩變型曲線，沒有明顯的拐點，所以只能根據(jù)沉降確定。在此取s/b=0.06對應的荷載值作為樁筏基礎的極限承載力(s為沉降，b為承臺寬度)，所以500mm樁長時極限承載力為42KN，700mm樁長時極限承載力為47KN。樁的體積(即樁長)增加了40%，承載力提高了11.9%;另一方面，當兩者的荷載均為42KN時，500mm樁長的沉降為23.996mm，700mm樁長的沉降為19.812mm，后者的沉降比前者降低了17.4%。取極限承載力的1/2為承載力特征值，在500mm樁長的承載力下，即當荷載均為21KN時，隨著樁長的增加，沉降減少了10.72%。可見，當樁距相同時，樁筏基礎的極限承載力隨樁長的增加而增大，沉降隨樁長的增加而減小。

4.結論

通過對樁筏基礎模型試驗的結果分析，可以得出以下結論:

(1)均勻布樁時，在各樁承擔的荷載大小上，遵循中心樁最小、邊樁稍大、角樁最大這樣一個規(guī)律。

(2)不同位置單樁側摩阻力的發(fā)揮程度，依次為角樁最好，邊樁次之，中心樁最差。樁側摩阻力的強化效應和退化效應同時存在，在兩者的共同作用下，樁側阻力的性狀變得十分復雜。

(3)群樁基礎的P－S曲線一般為緩變形，極限承載力的確定是由變形控制的。

(4)樁長對樁基礎的沉降有一定的影響，在其他條件不變的情況下，適當增加樁長可以減小群樁基礎的沉降，提高其承載能力。

［1］蔣剛，江寶，王旭東，等.樁間距對樁筏基礎結構性能影響的模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32 (7):1504－1512.

［2］王浩，周健，鄧志輝.樁－土－承臺共同作用的模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2006，28(10):1253－1258.

［3］曾友金，章為民，王年香，等.樁基模型試驗研究現(xiàn)狀［J］.巖土力學，2003(增刊):674－686.

［4］王幼青，張克緒，朱騰明.樁－承臺－地基土相互作用試驗研究［J］.哈爾濱建筑大學學報，1998，31(2):31－37.

［5］林亞超，王邦嵋.砂性土中單樁和樁基的模型試驗［J］.橋梁建設，1997(3):13－14.

［6］劉利民，陳竹昌，李發(fā)明.樁側阻力的強化效應［J］.特種結構，1998，15(4):27－29.

［7］劉云云.砂土中靜壓單樁的模型試驗與分析［D］.同濟大學，1999.

［8］Vesic A S.Design of pile foundations in national co－operative highway research program［R］.Washington DC:TRB.NRC，1974.

(責任編輯 趙冰)

Model Experiment on the Bearing Capacity of Pile－Raft Foundation in Sandy Soil

LI Jiu－h(huán)ong，SONG Rong－fang
(College of Engineering Technology，Zhongzhou University，Zhengzhou 450044，China)

A model experiment was designed to study the bearing capacity of pile－raft foundation in this paper.The axial force and top counter force of pile，side friction force，the settlement and bearing capacity of pileraft foundation were studied.It was observed that A single pile’s axial force lie on its position in the pile group，and it follows the rule of center pile is smallest，border pile is slightly larger，the corner pile is the biggest.The strengthen effect and degradation effect of lateral friction along piles still exist.The bearing capacity of pile－raft foundation is dependent on the settlement.

pile－raft foundation;model experiment;interaction;bearing capacity

TU473.1

A

1008－3715(2014)01－0106－04

2013－11－09

河南省教育廳科學技術研究重點項目(14B560035)

李九宏(1958—)，男，河南原陽人，中州大學工程技術學院教授，研究方向:建筑結構設計。